1、1682023 adio Engineering Vol.53 No.1doi:103969/jissn10033106202301022引用格式:刘健泉，周书中，吴海洲，等基于全空域跟踪的椭球型天线桁架设计及标校方法J 无线电工程，2023，53(1):168174 LIU Jianquan，ZHOU Shuzhong，WU Haizhou，et alesearch on Design and Calibration Technology of Spatial EllipsoidAntenna Truss Based on Global Track J adio Engineering，20
2、23，53(1):168174基于全空域跟踪的椭球型天线桁架设计及标校方法刘健泉，周书中，吴海洲，赵晓阳，李扬，郭向峰(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)摘要:为满足某卫星工程的测控需求，进一步提高测控网综合测控能力和覆盖范围，提出了一种新型空间椭球天线桁架结构形式及标校方法，满足了全空域、大跨度和高精度的要求。依据大跨度空间桁架理论及有限元分析结果，采用单层空间椭球面网壳的天线桁架构型，通过优化杆件截面、网架形式、跨度和高度等参数实现了对天线桁架承载力的有效分配，合理设计了空间椭球桁架结构及连接方式，并进行了椭球型天线桁架的加工。通过现场测试标定与系统联调，设计
3、加工的椭球型天线桁架达到了系统整体的接收 G/T 值、第一旁瓣、差波束零深、位置精度和高刚度要求，解决了大型阵列长期运行中定期频繁标校难题，对大尺度阵列天线桁架的设计具有一定的参考意义。关键词:全空域跟踪;空间天线桁架;高精度;阵列标校;有限元分析中图分类号:TP3914文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文 章 编 号:10033106(2023)01016807esearch on Design and Calibration Technology of Spatial EllipsoidAntenna Truss Based on Global TrackLIU Jia
4、nquan，ZHOU Shuzhong，WU Haizhou，ZHAO Xiaoyang，LI Yang，GUO Xiangfeng(The 54th esearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)Abstract:In order to meet the measurement and control requirements of a specific satellite project，and to further improve theintegrated measurement and control capabilities
5、 and coverage of measurement and control network，a new spatial ellipsoidal antennatruss structure and calibration method is proposed，which meets the requirements of global track，large span，and high precision Basedon the large-span spatial truss theory and the results of finite element analysis，an an
6、tenna truss scheme of single-layer space ellipsoidreticulated shell is adopted，and effective distribution of the bearing capacity of the antenna truss is realized by optimizing theparameters such as the section of the rod，the form of the grid，the span and the height In view of the above method，the s
7、paceellipsoid truss structure and the connection form are reasonably designed and processed in the factory Through on-site calibration andsystem joint examination，the results show that the spatial ellipsoid antenna truss meets the system design requirements in terms of G/Tvalue，first sidelobe，differ
8、ential beam zero depth，position accuracy and high rigidity The method solves the problem of regular andfrequent calibration of large array antenna，and provides certain reference for the design of large-scale array antenna trussKeywords:global track;spatial antenna truss;high accuracy;antenna array c
9、alibration;finite element analysis收稿日期:20220509基金项目:国家部委基金资助项目Foundation Item:Project Funded by National Ministries and Commissionsof China0引言随着商民用航天的高速发展，卫星数量井喷式增长，为满足未来大型星座、成千上万颗卫星测控需求，提出建设全空域多波束测控系统。传统抛物面天线一般采用 A-E-T 机械结构，在目标过顶前将天线倾斜轴预制到一个指定角度，克服了跟踪盲区，实现了过顶跟踪1。区别于传统的抛物面天线，球面相控阵天线由于不包含驱动旋转的机械结构，一般
10、采用波束滑动扫描方式实现天线的波束跟踪2。在地基多目标测控方面，美国在航天测控领域提出了一种网格球形相控阵天线系统方案，为美国空军提供了全空域、多目标卫星测控34。国内学工程与应用2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期169者对全空域测控系统建设进行了一系列研究58，主要突破包括天线、波束形成、标校和跟踪等多个关键技术，其中半椭球空间天线桁架技术为全空域测控提供了一个重要的研究方向。本文设计了一款全空域、多目标、等效口径 x m 的天线桁架，通过大跨度天线桁架保型设计技术、阵列天线多级调整及转站标校技术以及测试数据批量化处理方法，解决了天线桁架大尺度、高精度、可装拆的技术难题，实现
11、了测控系统的高精度、过顶跟踪，为后续工程实践提供了一种有效的设计思路与标校方法。1大跨度、全空域天线桁架高精度设计11主要性能指标要求全空域天线桁架的主要性能指标如下:阵列天线位置精度:3 mm。抗震等级:经历 9 级烈度以下地震不产生永久性形变。天线桁架主要几何参数:直径125 m;高度80 m;质量40 t。阵列天线电性能。第一旁瓣:14 dB;差波速零深(同和波束比):35 dB。12空间椭球型天线桁架设计在覆盖全空域和一定增益的条件下，采用球面阵天线可减少阵元和 T/组件数量，降低系统成本。本文提出了基于单层空间椭球面网壳的天线桁架网壳结构，通过优化杆件截面、网架形式、跨度和高度等参数
12、实现对天线桁架承载力的有效分配，具有强度高、刚度大和动态特性好等优点，显著增强了球形天线的动态特性，改善系统低仰角时的增益。空间椭球天线桁架实物如图 1 所示。图 1空间椭球天线桁架实物Fig1Picture of spatial ellipsoid antenna truss天线桁架由阵列天线、球形骨架、调整机构和基础预埋件构成，上百个天线子阵自下而上共 14 环，如图 2 所示。图 2天线桁架整体结构示意Fig2Schematic diagram of the overall ellipsoidantenna truss structure天线桁架是阵列天线的载体，是整个天线的主要受力体和
13、结构支撑，采用空间椭球桁架构型。天线桁架的阵列天线结构外形是一个准球面，高度方向的半轴大于水平方向的半轴，椭球的半长轴为 72 m(Z 轴方向)，半短轴为 64 m(X 和 Y 轴方向)，椭球方程如下:x2642+y2642+z2722=1。(1)2计算仿真结果与分析21静载分析采用商用 PATAN 软件建立了大阵天线结构(含阵列天线)的有限元模型，并对其整体的刚度、强度进行了计算。天线结构仅在重力作用下，结构整体位移云图如图 3 所示，图 4 和图 5 分别展示了自重状态下结构整体杆应力分布以及面应力分布。图 3大阵天线结构静载整体位移云图Fig3Static displacement cl
14、oud image of theellipsoid antenna structure图 4大阵天线结构静载整体杆应力分布云图Fig4Static rod stress distribution cloud image of theellipsoid antenna structure工程与应用1702023 adio Engineering Vol.53 No.1图 5大阵天线结构静载整体面应力分布云图Fig5Static surface stress distribution cloud image of theellipsoid antenna structure22抗震分析采用商用 P
15、ATAN 软件建立了大阵天线结构(含阵列天线)的有限元模型，并对其整体的刚度、强度进行了计算。采用时程分析方法进行结构抗震性能验证，设计要求结构能够承受 9 级地震时不破坏。时程分析法是一种动力分析法，在实际使用过程中能够更加真实地反映待分析结构的地震反应，所以也经常用来校对反应谱分析的结果。时程分析法采用运动微分方程进行逐步积分求解，能够得到待分析结构上各质点的位移、速度和加速度随时间的变化，从而得出待分析结构中各关键构件在地震持续时间内的动力响应911。时程分析法采用直接积分对结构动力方程求解12，基本原理如下:M U+C U+KU=M Ug，(2)式中，M，C，K 分别为结构质量、阻尼矩
16、阵和刚度矩阵;U，U，U 分别为质点加速度、速度和位移矩阵;Ug为地面运动加速度系列。时程分析法得到的往往是数值分析法得到的结果，比较常用的方法有线性加速法、龙格库塔(unge-Kutta)法、中心差分法和振型叠加法等1314。时程分析法可模拟结构在整个地震持续时间内各时刻的地震响应，可在抗震设计时进行优化设计和补充验算15;可处理各种非线性问题，但其计算量大。地震响应计算值较大依赖于地震波时程曲线的选取16，地震波采用中国天津(1976 年)地震竖向记录17，一般而言，人工地震波的反应谱曲线与设计反应谱吻合良好18。根据 建筑抗震设计规范19，对某一典型的实际地震波进行调整，最终计算时采用如图 6 所示的地震波曲线，分析时间历程取 20 s。经过分析，天线与骨架连接螺栓最大应力随时间变化曲线如图 7 所示。图 6地震波曲线Fig6Seismic wave curve图 7连接螺栓最大柱应力的时间历程曲线Fig7Time course curve of connection screwmaximum stress由图 7 可知，t=69 s 时连接螺栓的最大杆应力为 2941 MPa，