CN100495819C - 大型高精度球面天线面板测量和安装调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型高精度球面天线面板测量和安装调整方法。其具体过程是：首先采用高精度电子经纬仪在计算机控制下由内向外逐圈完成天线面板靶标的非接触和实时三维坐标测量；然后根据测得的标准测点坐标建立坐标系间关系，将靶标坐标从测量坐标系转换到天线坐标系中，再将测量所得靶标数据格式进行转换和转入测调软件的数据库，并优化计算各面板调整点的切向调整量和法向调整量；最后根据算得的法向和切向调整量调整天线面板，使各块面板组成的空间反射面与设计的目标反射面相吻合，满足电气指标的要求；完成这样一次调整后可再进行面板测量，如此反复直到满足精度要求。本发明具有调整次数少，测量调整精度高的优点，可用于对各种球面天线面板的安装调整。

Description

大型高精度球面天线面板测量和安装调整方法

技术领域

本发明属于测量和调整技术领域，涉及天线面板的测量和调整。具体地说是一种大型高精度球面天线面板测量和安装调整方法，可用于指导大型高精度球面天线面板快速测量和安装调整。

背景技术

天线主要用于有效地定向反射和接受电磁波，是雷达、通信等电子设备的组成部分。面天线是天线的一种主要类型，包括各种抛物面天线、扇形波束天线、双反射面天线、球面天线等，一般由天线反射面、背架、中心体、辐射器等部分组成。

在大型高精度天线***设计中，天线反射面的表面精度是天线的主要技术性能指标之一，它直接影响着天线增益等电气性能。随着天线口径的增大，工作频率的提高，对天线反射面精度要求也越来越高。由于大口径天线反射面由几十个甚至几百个反射面拼装而成，为获得较好的反射面表面精度，就必须合理安装调整各块面板，使各面板组成的反射面的形状与设计的目标反射面相吻合，以满足电气指标的要求。因此天线面板的测量和安装调整水平是影响天线反射面表面精度的主要因素之一。

天线面板的空间位置一般通过测量面板上的一组靶标点位置坐标获得。然后参考所测数据，通过天线面板反面边缘四周的精密调整机构对面板进行空间位置的精密调整。由于面板上任意点的位置受调整点位置变化的影响而变动，一次调整好的调整点会因调整其它点而偏离调好的位置，故高精度天线面板的安装调整有很大难度。

目前，对于中等精度的大型面天线最常用的测调方法是采用光学经纬仪和钢带尺结合的方法对天线面板进行测量，然后凭经验对每块面板进行反复调整。该方法采用“一角一距”测量定位方法，即采用位于天线反射面顶点的经纬仪瞄准面板上靶标测量仰角，利用钢带尺结合工艺孔测量径向距离。然后利用靶标测量仰角与理论仰角间误差作为参考依据，人工凭经验调整面板四周的调整机构，反复试凑直到精度符合要求。由于测量方法和调整方法的限制，该测调方法一般只能将天线整面精度RMS，即法向误差均方根调至0.3mm左右，并且熟练人员至少需测量调整3-4个循环次数。故这种调整天线面板的方式，不仅调整次数较多，而且效率和精度较低，特别是在天线面板较多，精度要求较高的情况下，上述问题更加突出。在朱钟淦、叶尚辉所著的“天线结构设计”(国防工业出版社，1980)中，有综述该测量方法的内容，但未涉及调整方法。

近年来，随着军事、天文等应用领域对天线性能要求越来越高，天线的工作频率已扩展至毫米波段，如Ka波段。天线类型也从抛物面扩展至球面等其它类型，RMS要求达到0.1mm以下。对于这样的高精度的特种球面天线，如采用上述传统的面板测量和调整方法无法达到要求。

国内有少量的简单介绍抛物面天线面板测量方法的文献。如在朱钟淦、叶尚辉所著的“天线结构设计”(国防工业出版社，1980)P345的§6-4“抛物面天线的检测”中，综述了几种抛物面天线的检测方法。在段宝岩所著的“天线结构分析、优化与测量”(西安电子科技大学出版社，1998)P330第16章综述了反射面精度的2种现代测量方法。在俞惟铨、徐菊英的论文“大型精密天线检测技术”(电子机械技术，1983.1)，俞惟铨、邓祺源、于秋莲的论文“13.7米毫米波天线主面检测和主副面校准”(电子机械工程，1987.2)中均有传统的经纬仪测量方法的工程应用的介绍。但均未论述面板调整指导方法的详细内容，更未论述球面天线面板测量和安装调整方法的内容。

虽然国外文献有涉及面板调整的方法，但仍然无法解决球面天线面板测量和安装调整问题。例如：Meguro，Akira；Harada，Satoshi；Watanabe，Mitsuhobu.“Ahigh precision large deployable mesh reflector for the Ku band mission”Twenty-Third International Symposium on Space Technology and Science，Matsue，Japan，May 23-June 2，2002，Tokyo，Japan，Tabata，报道的测量方法是涉及空间网状天线的反射面形状精度调整方法；Masaki；Yamamoto，Kazuo；Inoue，Toshi；Noda，Takahiko；Miura，Koryo.“Space adjustment of a flexible spaceantenna reflector”ournal of Intel l igent Material Systems and Structures.Vol.3，no.4，Deguchi，Hiroyuki(Mitsubishi Electric Corp)报道的测量方法是有关柔性天线的型面调整方法；Masuda，Masanori；Ebisui，Takashi；Shimawaki，Yutaka；Ukita，Nobuharu；Shibata.“Radio holographic metrologywith best-fit panel model of the Nobeyama 45-m telescope”Publ by Inst ofElectronics，Inf & Commun Engineers of Japan报道的测量方法是基于无线电全息测量技术的最佳吻合面板模型。

发明的内容

本发明的目的是提供一种天线面板测量和安装调整方法，以解决传统经验方法调整效率和天线整面精度低的问题，满足大型高精度特种球面天线面板整面精度RMS需调至0.1mm以下的要求。

实现本发明的技术方案是在分析了球面天线面板的安装调整特点的基础上，通过开发球面天线面板安装调整测调软件，实时处理面板测量数据，以计算所得的调整量指导面板调整。其主要过程为：

(1)用测量仪器测量天线面板靶标坐标；

(2)应用测调软件进行坐标系转换、数据格式转换处理，并计算出各面板调整点的切向调整量和法向调整量；

(3)根据计算所得的切向和法向调整量调整天线面板，使各块面板组成的空间反射面与设计的目标反射面相吻合，满足电气指标的要求；

(4)调整后可再进行面板测量，如此反复直到满足精度要求。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中用测量仪器测量天线面板靶标坐标，是以电子经纬仪等为传感器，在计算机控制下完成被测件的非接触和实时三维坐标测量，即测量人员通过2台经纬仪同时观测待定点P，获得4个角度观测量a1、b1、a2、b2。该数据经过计算机数据处理后，可最终得到P点在测量坐标系下的三维坐标(x，y，z)。该测量顺序为由内向外逐圈进行。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中测调软件包括基本数据设定、分块数据录入、靶标理论坐标录入、靶标测量坐标转入、靶标误差及装配精度计算、面板调整量计算结果显示、坐标变换及历史数据查询、统计等功能。采用DELPHI开发，后台数据库为ACCESS，运行于WINDOWS环境下。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中坐标系转换、数据格式转换处理过程为：

(1)根据天线端口面上测得的3点标准测点坐标建立2个坐标系间关系；

(2)利用软件的坐标变换功能，将靶标坐标从测量坐标系转换到天线坐标系中；

(3)根据测调软件数据格式要求，将测量所得靶标数据格式进行转换，并将测量数据转入测调软件的数据库。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中优化计算出各面板调整点的切向调整量是根据下式计算得出： $\mathrm{\ΔT}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i^2\mathrm{\Δ}{T}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i^2}$

式中m_i＝Xl_icosα_icosβ_i+Yl_icosα_isinβ_i-(R-Zl_i)sinα_i，Xl_i，Yl_i，Zl_i为靶标i点的理论坐标，α_i为靶标i处面板切向角，β_i为靶标i处的方位角。R为球面半径，n为某面板的靶标数。ΔT_i为仅考虑单点调整，计算得到的面板某靶标切向调整量。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中优化计算出各面板调整点的法向调整量是根据下式计算得出： $\mathrm{\Δ}{N}_i\′=\mathrm{\Δ}{N}_i-\mathrm{\Δ}\′=(\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{ni}}}{\cos {\mathrm{\α}}_i}-\mathrm{\Δ}{T}_i\tan {\mathrm{\α}}_i)-\left[(Z_A-Z_B)\cos {\mathrm{\α}}_i\right]$

式中ΔZ_ni＝Z_ni-Zl_i，Z_ni为靶标在吻合球面上的投影点坐标，Zl_i为靶标理论目标坐标。经过实测点移动△T、△N_i后对应点作与Z轴平行的直线，此直线与理论面交点的Z坐标为Z_A。Z_B点是实测点移动△T、△N_i后的Z坐标。

上述天线面板测量和安装调整方法，其中所述的根据计算所得的调整量对天线面板进行调整，是先进行面板切向调整，整块面板调整量为△T，然后在调整点中选择其中3点轮流进行法向调整，调整量为ΔN_i′，剩余调整点只能放松，待整个面板调整后做为加强固定点使用。

本发明具有如下优点：

(1)本发明由于采用了电子经纬仪等高精度测量仪器对天线面板靶标进行测量，既提高了测量精度和效率，又可以容易得到文本格式的测量结果，便于进行后续计算机数据处理。

(2)本发明由于采用测试软件处理了面板的空间坐标关联关系，并优化计算了面板的最优调整量，给天线面板调整提供了理论指导。经工程应用证明，与过去传统凭经验进行面板调整相比，减少了调整次数，提高了调整效率。

(3)本发明的测量调整精度高达RMS<0.1mm，解决了对特种天线的测量和安装调整需要。

(4)本发明对调整量的算法既可用于整面数据成批处理、面板一次性调整，也可用于单块面板数据处理和单块面板局部调整。

(5)本发明可借助计算机测调软件，实现测调数据的存储、查询、统计和三维显示等多种功能。

附图说明：

图1是本发明的球面天线面板安装调整流程图

图2是本发明的球面天线面板调整量计算流程图

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的测量和安装调整过程。

参照图1，本发明对大型高精度球面天线面板测量、数据处理和调整的过程如下：

1.天线面板初装初调

天线面板安装前，单块面板均需经过严格测量，满足面板加工精度要求。另外，在各块天线面板的靶标设计位置上贴上中心为十子标记的圆形靶标。同时，天线反射面背架也需进行测量调整以达到设计要求。在此基础上，就可对各块天线面板逐个进行初步安装，以保证面板基本到位。初装过程中面板圆周方向一般由光学经纬仪瞄准面板侧边辅助调整，以保证面板安放不致扭曲，而面板径向一般由钢带尺或面板本身的安装孔保证。

2.基本参数、分块参数、靶标理论坐标录入

在测调软件中预先录入所测天线的基本参数、分块参数、靶标理论坐标等技术参数，作为面板调整量计算的基础。

3.测量仪器的架设、测量坐标系标定

天线面板测量采用了先进的工业测量***，即以电子经纬仪等为传感器，在计算机控制下完成被测件的非接触和实时三维坐标测量。以下以实测中采用的手动电子经纬仪为例加以说明。手动电子经纬仪测量***的硬件设备主要为电子经纬仪T3000、基准尺、接口和联机电缆及测量计算机等组成。电子经纬仪T3000是目前世界上精度最高的经纬仪，它的水平角和垂直角的测量精度皆为0.5″。测量采用手动照准目标，经纬仪自动读数，逐点观测的方法。该测量***属于空间前方交会测量***。测试时首先由测量计算机引导完成***定向，即架设2台经纬仪，确定2台经纬仪在空间的相对位置和姿态。***定向完成后，即确定了空间测量坐标系，然后可进行靶标坐标测量。

4.天线面板靶标精密测量

测量人员通过2台经纬仪同时观测待定点P，获得4个角度观测量a1、b1、a2、b2。该数据经过计算机数据处理后，可最终得到P点在测量坐标系下的三维坐标(x、y、z)，并在计算机上显示出来。测量顺序为由内向外逐圈进行。测量所得靶标值空间坐标暂存入测量计算机中。

5.坐标系转换、数据格式转换、数据转入测调软件数据库

由于天线面板调整量计算模型以天线坐标系为准建立，故首先需根据天线端口面上测得的3点标准测点坐标建立2个坐标系间关系。然后利用软件进行坐标变换，将靶标坐标从测量坐标系转换到天线坐标系中。接着根据测调软件数据格式要求，将测量所得靶标数据格式进行转换。最后通过串行通讯方式或拷贝方式将测量数据转入测调软件的数据库。

6.靶标误差计算

以靶标实测坐标为基础，算出靶标误差。靶标误差定义为：

△X_i＝Xc_i-Xl_i，△Y_i＝Yc_i-Yl_i，△Z_i＝Zc_i-Zl_i         (i＝1～n)。

式中Xl_i，Yl_i，Zl_i为靶标i点的理论坐标，Xc_i，Yc_i，Zc_i为实测坐标。

7.装配精度计算

以靶标误差为基础，计算天线所有面板组成的整面装配精度。装配精度定义为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ZP}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}[{(\mathrm{\&Delta;}{X}_i-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{X})}^2+{(\mathrm{\&Delta;Yi}-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^2+{(\mathrm{\&Delta;}{Z}_i-\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{Z})}^2]}{m}}$ m是天线整面的总靶标数

式中， $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{X}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{X}_i}{m}$   $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{Y}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{Y}_i}{m}$   $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{Z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}{m}$

8.各面板调整量计算

如装配精度未达到设计要求，则以上述测量值和其它的技术参数为基础，计算各面板调整点的调整量。各面板调整点调整量的计算是以球面面板调整量计算模型为理论依据。其基本思路是首先对各块天线面板进行最佳球面吻合，使各靶标达到空间关联。然后以减小面板靶标法向偏差为目标，通过优化计算出各调整点的切向和法向调整量，从而达到吻合面与理论面重合的目的。具体过程如下：

(1)面板最佳吻合球面参数计算：

对于球面天线，设原设计面为M，变形后反射面为N，对N总可以找到一个最佳吻合球面。

设OXYZ为设计球面坐标系，原点为球面天线顶点，U_A，V_A，W_A是最佳吻合球面顶点对原设计球面的顶点位移，R是球面的半径。原设计球面的方程：

X²+Y²+(R-Z)²＝R²         (1)

令最佳吻合球面方程为：

X₁ ²+Y₁ ²+(R-Z₁)²＝R²        (2)

根据坐标变换： $\left\{\begin{array}{c}{X}_1=X-U_A\\ Y_1=Y-V_A\\ Z_1=Z-W_A\end{array}\right.---\left(3\right)$

将(3)式代入(2)式，省略二阶微量，化简得最佳吻合球面在原坐标系下方程：

X²+Y²+Z²-2XU_A-2YV_A-2ZW_A-2RZ+2RW_A＝0       (4)

设某面板上有n个靶标，靶标i点的理论坐标为Xli，Yli，Zli(i＝1～n)，实测坐标为Xc_i，Yc_i，Zc_i(i＝1～n)，靶标的误差为△X_i＝Xc_i-Xl_i，△Y_i＝Yc_i-Yl_i，△Z_i＝Zc_i-Zl_i。设l、m、n是吻合面上某点的法线方向余弦，因为结构变形较小，可以近似等于理论面处在i点的法线方向余弦：

$l_i=\frac{-{\mathrm{Xl}}_i}{R}$   $m_i=\frac{-{\mathrm{Yl}}_i}{R}$   $n_i=\frac{R-{\mathrm{Zl}}_i}{R}---\left(5\right)$

设△是某实测点对最佳吻合面的法向偏差，可得以下对应关系：

$\left\{\begin{array}{c}X={\mathrm{Xl}}_i+\mathrm{\&Delta;}{X}_i+l\&times;\mathrm{\&Delta;}\\ Y={\mathrm{Yl}}_i+\mathrm{\&Delta;}{Y}_i+m\&times;\mathrm{\&Delta;}\\ Z={\mathrm{Zl}}_i+\mathrm{\&Delta;}{Z}_i+n\&times;\mathrm{\&Delta;}\end{array}\right.---\left(6\right)$

将(6)式代入(4)，忽略二阶微量，可以得到点i位移后对最佳吻合球面的法向偏差： ${\mathrm{\&Delta;}}_i=\frac{1}{R}[{\mathrm{Xl}}_i(\mathrm{\&Delta;}{X}_i-U_A)+{\mathrm{Yl}}_i(\mathrm{\&Delta;}{Y}_i-V_A)+({\mathrm{Zl}}_i-R)\&times;(\mathrm{\&Delta;}{Z}_i-W_A)]---\left(7\right)$

整个面板的总精度是面板所有靶标误差引起的对最佳吻合球面法向偏差的均方根： $\mathrm{\&delta;}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&Delta;}}_i}^2}{n}}$ n是某面板的靶标数               (8)

令 $D_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&Delta;}}_i}^2$ 最佳吻合球面应使得反射面各点对法向偏差的平方和D₁取最小值，而吻合面又由吻合参数确定，所以最佳吻合参数应使D₁随吻合参数的变化取极小值。为了简化方程，令D＝D₁×R²，即当 $\frac{\&PartialD;D}{\&PartialD;U_A}=\frac{\&PartialD;D}{\&PartialD;V_A}=\frac{\&PartialD;D}{\&PartialD;W_A}=0$ 时，才能达到最佳吻合面。通过引入一系列矩阵方程，可得关系：

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\&Sigma;}{{\mathrm{Xl}}_i}^2& \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Xl}}_i{\mathrm{Yl}}_i& \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Xl}}_i({\mathrm{Zl}}_i-R)\\ \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Xl}}_i{\mathrm{Yl}}_i& \mathrm{\&Sigma;}{{\mathrm{Yl}}_i}^2& \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Yl}}_i({\mathrm{Zl}}_i-R)\\ \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Xl}}_i({\mathrm{Zl}}_i-R)& \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Yl}}_i({\mathrm{Zl}}_i-R)& \mathrm{\&Sigma;}{({\mathrm{Zl}}_i-R)}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_A\\ V_A\\ W_A\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Xl}}_i{B}_i\\ \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{Yl}}_i{B}_i\\ \mathrm{\&Sigma;}({\mathrm{Zl}}_i-R)B_i\end{array}\right]---\left(9\right)$

解方程(9)，即可求出吻合参数U_A、V_A、W_A。

(2)面板调整量计算：

通过计算靶标实测点在吻合球面上的投影坐标以及投影坐标与靶标理论坐标间的偏差，计算面板的切向和法向调整量。根据(7)式和吻合球面参数可以求出某靶标实测点i到吻合球面的法向偏差。某靶标实测点i在吻合面上的投影坐标为：

X_ni＝Xc_i+l_iΔ_i   Y_ni＝Yc_i+m_iΔ_i   Z_ni＝Zc_i+n_iΔ_i        (10)

①切向调整量△T的计算：

如仅考虑单点调整，根据面板某靶标在吻合球面上投影点在面板的轴向切面投影，可得相应的切向调整量为：

ΔTi＝(ΔR_ni+ΔZ_ni×tanα_i)cosα_i      (11)

式中ΔR_ni＝R_ni-Rl_i  $R_m=\sqrt{{X_m}^2+{Y_m}^2}$   ${\mathrm{Rl}}_i=\sqrt{{{\mathrm{Xl}}_i}^2+{{\mathrm{Yl}}_i}^2}$

ΔZni＝Zni-Zli    αi为靶标i处面板切向角。

实际测调时，面板整体切向移动沿面板中心进行。当面板切向移动ΔT时，对于任一中心线上的靶标i，在X，Y，Z方向的移动分量为：

ΔX_i＝ΔT*cosα_i*cosβ_i，ΔY_i＝ΔT*cosα_i*sinβ_i，ΔZ_i＝ΔT*sinα_i           (12)

如靶标不在中线上，如j点，则用αj近似代替实际移动切向角。βi为靶标i处的方位角。

由于面板整体调整关联关系，各靶标并不能分别调整ΔTi，如设面板整体切向移动为ΔT，则各靶标存在的切向残余误差为ΔTi-ΔT。各靶标残余切向误差在X、Y、Z方向的分量为： $\mathrm{\&Delta;}{X}_i^{\&prime;}=(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})*\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i*\cos {\mathrm{\&beta;}}_i$

                $\mathrm{\&Delta;}{Y}_i^{\&prime;}=(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})*\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i*\sin {\mathrm{\&beta;}}_i---\left(13\right)$

               ΔZ′_i＝(ΔT_i-ΔT)*sinα_i

以法向偏差增加为正，可以推导出理论面上某点i在各个方向位移ΔX、ΔY、ΔZ引起的全部法向偏差为：

${\mathrm{\&Delta;}}_i=\frac{1}{R}[{\mathrm{Xl}}_i*\mathrm{\&Delta;Xi}+{\mathrm{Yl}}_i*\mathrm{\&Delta;}{Y}_i^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{Z}_i^{\&prime;}(R-{\mathrm{Zl}}_i)]---\left(14\right)$

故靶标i的残余切向误差引起的全部法向偏差为：

${\mathrm{\&Delta;}}_i=\frac{1}{R}[{\mathrm{Xl}}_i*\mathrm{\&Delta;}{X}_i^{\&prime;}+{\mathrm{Yl}}_i*\mathrm{\&Delta;}{Y}_i^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{Z}_i^{\&prime;}(R-{\mathrm{Zl}}_i)]$

$=\frac{1}{R}[{\mathrm{Xl}}_i(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i\cos {\mathrm{\&beta;}}_i+{\mathrm{Yl}}_i(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i\sin {\mathrm{\&beta;}}_i-(R-{\mathrm{Zl}}_i)(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i]$

                                                       (15)

所以，全部n个靶标残余切向误差引起的全部法向偏差的均方根为：

${\mathrm{\&sigma;}}_1=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&Delta;}}_i}^2}{n}}---\left(16\right)$

设m_i＝Xl_icosα_icosβ_i+Yl_icosα_isinβ_i-(R-Zl_i)sinα_i

则 ${\mathrm{\&Delta;}}_i=\frac{m_i}{R}(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T}),$   $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{m_i}^2}{R^2}{(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})}^2---\left(17\right)$

以上式为基础，可寻求切向调整量△T值，使 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_i^2\&RightArrow;\min ,$ 从而使σ₁→min。

式中，仅△T为未知量，△T_i、Xl_i、Yl_i、Zl_i、R为已知量，α_i，β_i可根据几何关系求出。

令 $\frac{d\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\mathrm{\&Delta;}}_i}^2}{\mathrm{d\&Delta;T}}=0$ 即 $\frac{1}{R^2}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{{\mathrm{dm}}_i}^2{(\mathrm{\&Delta;}{T}_i-\mathrm{\&Delta;T})}^2}{\mathrm{d\&Delta;T}}=0$

可得 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m_i}^2\mathrm{\&Delta;}{T}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m_i}^2$   $\mathrm{\&Delta;T}=\mathrm{\&Delta;T}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m_i}^2$

故切向调整量为： $\mathrm{\&Delta;T}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m_i}^2\mathrm{\&Delta;}{T}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m_i}^2}---\left(18\right)$

②法向调整量△N_i计算：

如仅考虑单点调整，设法向方向从上向下调整为正，则相应的法向调整量为：

ΔN_i＝ΔZ_ni/cosα_i-ΔT_itanα_i        (19)

但是，由于切向调整为整个面板整体移动△T，故对每个调整点而言存在切向残差。考虑该残差对法向调整的影响，故需对△N_i进行细微修正，使得测量点调整后仍位于理论球面上。

假设对于调整点i计算切向调整量△T_i，而整板调整量为△T，则最终法向调整量修正为ΔN_i′＝ΔN_i-Δ′              (20)

而Δ′变形微小，可以近似表示为

Δ′＝(Z_A-Z_B)cosα_i

故法向调整量为： $\mathrm{\&Delta;}{N}_i\&prime;=(\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z}_{\mathrm{ni}}}{\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i\tan {\mathrm{\&alpha;}}_i)-\left[(Z_A-Z_B)\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i\right]---\left(21\right)$

式中，经过实测点移动△T、△N_i后对应点做与Z轴平行的直线，此直线与理论面交点的Z坐标为Z_A；Z_B点是实测点移动△T、△N_i后的Z坐标。

9.面板调整

借助于千分表和面板四周的微调机构，在计算出的切向调整量△T和法向调整量ΔN_i′的指导下，由调整人员对面板位置进行切向和法向微量调整。其调整方式是：先进行面板切向调整，整块面板调整量为△T_i；然后考虑到三点定位的原理，可在调整点中选择其中3点轮流进行法向调整，调整量为ΔN_i′。剩余调整点只能放松，待整个面板调整后做为加强固定点使用。

10.重新测量调整：

调整后可再进行面板测量，如此反复直到满足精度要求。

采用本发明的方法对6.2m口径ka波段球面天线进行了测量和面板调整。该天线由中心体及周围16块面板组成，要求精度高达RMS<0.1mm。在整个天线调整过程中仅经过3个循环的测量调整，就可将其整面精度即靶标法向剩余误差的均方根和从0.5mm降至0.09mm。

实测表明：应用本发明的测调方法和测调软件，减少了天线面板调整次数，提高了调整效率和精度，其精度高达RMS<0.1mm，解决了特种天线的测量和面板调整需要，本发明可应用于对各种球面天线面板的测量和调整。

Claims (6)

1.一种大型高精度球面天线面板测量和安装调整方法，包括：

步骤1，用测量仪器测量天线面板靶标坐标；

步骤2，用计算机测调软件进行坐标系转换、数据格式转换处理，并优化计算各面板调整点的切向调整量和法向调整量；

步骤3，根据计算所得的切向和法向调整量调整天线面板，使各块面板组成的空间反射面与设计的目标反射面相吻合，满足电气指标的要求；

步骤4，调整后再进行面板测量，如果不满足精度要求，返回到上述步骤1，如此反复直到满足精度要求；

其特征在于：上述步骤2所述的“用计算机测调软件进行坐标系转换、数据格式转换处理”，按如下过程进行：

(1)根据天线端口面上测得的3个标准测点的坐标建立测量坐标系与天线坐标系间关系；

(2)利用软件的坐标变换功能，将靶标坐标从测量坐标系转换到天线坐标系中；

(3)根据测调软件数据格式要求，将测量所得靶标数据格式进行转换，并将测量数据转入测调软件的数据库。

2.根据权利要求1所述的球面天线面板测量和安装调整方法，其特征在于所述的用测量仪器测量天线面板靶标坐标，是以两台电子经纬仪为传感器，在计算机控制下完成对天线面板靶标的非接触和实时三维坐标测量，其中所述两台电子经纬仪同时观测待定点P，获得4个角度观测量a1、b1、a2、b2，该数据经过计算机数据处理后，得到P点在测量坐标系下的三维坐标(x，y，z)。

3.根据权利要求1所述的球面天线面板测量和安装调整方法，其特征在于所述的计算机测调软件设有基本数据设定、分块数据设定、靶标理论坐标录入、靶标测量坐标转入、靶标误差及装配精度计算、面板调整量计算结果显示及测量数据查询、统计功能。

4.根据权利要求1所述的球面天线面板测量和安装调整方法，其特征在于所述的优化计算各面板调整点的切向调整量设为△T，该△T通过下式进行计算：

$\mathrm{\&Delta;T}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_i^2{\mathrm{\&Delta;T}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_i^2},$

式中m_i＝Xl_icosα_icosβ_i+Yl_icosα_isinβ_i-(R-Zl_i)sinα_i，

Xl_i，Yl_i，Zl_i为靶标i点的理论坐标，

α_i为靶标i处面板切向角，

β_i为靶标i处的方位角，

R为球面半径，

n为某面板的靶标数，

ΔT_i为仅考虑单点调整，计算得到的面板某靶标i的切向调整量。

5.根据权利要求4所述的球面天线面板测量和安装调整方法，其特征在于所述的优化计算各面板调整点的法向调整量设为

该

是通过下式进行计算：

${\mathrm{\&Delta;N}}_i\&prime;={\mathrm{\&Delta;N}}_i-\mathrm{\&Delta;}\&prime;=(\frac{{\mathrm{\&Delta;Z}}_m}{\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i}-{\mathrm{\&Delta;T}}_i\tan {\mathrm{\&alpha;}}_i)-\left[(Z_A-Z_B)\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i\right],$

式中ΔZ_ni＝Z_ni-Zl_i，

Δ′＝(Z_A-Z_B)cosα_i，

Z_ni为靶标在吻合球面上的投影点坐标，

Z_A：经过实测点移动△T、△N_i后对应点作与Z轴平行的直线，此直线与理论面交点的Z坐标，

Z_B：实测点移动△T、△N_i后的Z坐标。

6.根据权利要求1所述的球面天线面板测量和安装调整方法，其特征在于所述的根据计算所得的切向和法向调整量调整天线面板，是先进行面板切向调整，切向面板调整量为△T，然后在调整点中选择其中3点轮流进行法向调整，调整量为ΔN_i′，剩余调整点只能放松，待整个面板调整后做为加强固定点使用。