大型星载可展开平面SAR天线形面精度在轨实时调整研究

陈雨欣

Chen Yuxin

西安交通大学 机械工程

1.设计目的

星载平面SAR天线在深空探测、反导预警和对地观测中发挥着至关重要的作用，是我国高分辨率对地观测系统的战略利器。大型星载SAR天线在轨服役电性能直接取决于形面精度，对于天线在轨形面精度而言，其由地面的杆系装调误差与空间热变形误差耦合作用而成。然而，现有工程中大多仅以地面调整保障大型星载平面SAR天线形面精度，无法实现在轨主动调控，导致其形面精度在轨波动较大。因此，如何实现考虑空间热变形与装调误差的多源误差耦合影响下，在轨形面精度主动预测与实时调控，是大型星载平面SAR天线形面精度控制中亟须解决的工程难题，也是大型星载平面SAR天线口径与性能进一步提升的瓶颈所在。为此，从在轨主动调控出发，考虑空间热与杆系误差耦合影响，实现形面精度精准实时预测与主动优化调整，提高形面精度与天线口径级别，为我国大型及超大型航天机构/结构在轨精度保障提供方法借鉴。

2.基本原理及方法

星载SAR天线形面精度主要受到这两方面的影响：（1）由于装配制造工艺不足，天线结构中存在几何尺寸、材料参数、间隙等不确定性问题所导致的形面装调误差。（2）由于高真空、强辐射、巨大温差等恶劣空间热环境，卫星在轨运行期间形面冷热交变产生不均匀的温度分布所导致的热变形。

空间热误差与杆系装调误差耦合作用于星载SAR天线形面精度，然而传统星载SAR天线依靠反复试凑装调，存在调整周期长、忽略多源误差耦合影响等问题。且目前控制方法均为被动措施，无法主动应对和调整在轨运行形面精度。星载SAR天线是多环闭链复杂杆系结构，本课题从传统几何传递误差模型向多源误差耦合模型突破，从SAR天线在轨实时温度场与天线杆系装调误差两方面研究其对天线面板形面精度的关系；并进行热力耦合进一步明确温度变化、装调误差对天线形面精度的影响规律，建立各误差要素与形面精度之间的快速预测模型；研究天线在轨实时调整的优化策略，对形面精度进行优化设计，通过利用作动器调整杆系误差以实现平面SAR天线形面精度的主动控制、优化调整，最后设计双目视觉快速测量系统进行试验对比验证。

3.主要设计过程或试验过程

1）太空环境下的形面精度仿真模型建立

开展了考虑热环境的大型平面SAR天线形面精度仿真分析。以实际SAR卫星结构为基础，对卫星天线关键部位进行等效转化，构建了简化的卫星天线有限元分析模型。在此基础上，分析了SAR天线在轨温度场，建立基于温度等效的天线杆长误差模型，构建了考虑热变形与尺寸误差的SAR天线热力耦合变形场分析模型。最后，利用最小二乘法拟合建立起误差源与天线形面精度之间的映射关系，为后续快速预测模型构建与在轨实时优化调整奠定理论模型基础。

2）大型平面SAR天线形面精度快速预测模型建立

研究了大型平面SAR天线形面精度快速预测模型的构建。基于正交试验探究了天线杆系各个支撑杆杆长误差对天线形面精度的影响程度，明确了温度变化与装调误差对天线形面精度的影响规律。提出了一种基于序列采样的自迭代高保真动态Kriging模型，实现大型平面SAR天线形面精度快速预测、准确预测，为在轨形面精度优化实时调整提供支撑。

3）大型平面SAR天线形面精度在轨实时优化调整与验证

建立以形面精度为目标函数、以杆系误差调整量为约束条件的优化调整模型——首先调用隐函数（即快速预测代理模型）快速求解对应杆系误差和温度场条件下的形面精度，再调用优化算法求解输出使得形面精度最优的杆系调整量。通过杆系调整实现随着SAR天线在轨运行任意位置的形面精度“预测—优化—调整—再预测—再优化”。搭建基于双目视觉的测量系统，根据三角测量原理实现天线阵面靶标点快速测量与平面度误差高效求解，通过对比分析验证了理论模型正确性与形面精度优化可行性。设计数字化装调软件为天线形面形面精度快速装调提供科学有效的工具。

4.结论

（1）建立了考虑热误差与杆系误差的多源误差耦合模型，建立起误差源与天线形面精度之间的映射关系。

（2）提出并构建了一种基于序列采样的自迭代优化Kriging代理模型，实现形面精度的高保真预测，且计算时间实时级别，为在轨形面精度优化实时调整提供支撑。

（3）构建了以形面精度为目标函数、以杆系误差调整量为约束条件的优化调整模型，经优化后天线形面精度可提高 50%以上。

（4）设计数字化装调软件并应用于实际工程中，大幅提高装调效率与装调质量，降低天线形面精度在轨波动。

（5）发明专利：一种大型平面SAR天线形面精度在轨实时主动调整方法及系统。

（6）软件著作权：星载SAR天线可展开机构装配性能分析与优化。

5.创新点

本课题的研究成果与方法框架可为大型星载SAR天线正向精度评估与反向优化调整提供技术支撑，实现形面精度在轨主动调控，大幅提高形面精度与天线在轨电性能，为在轨运行SAR卫星轨道姿态控制和形面主动调整提供相关的理论依据，并将为其他大型及超大型航天机构/结构在轨精度保障提供方法借鉴。

（1）解决了多源误差耦合形面精度的问题。同时考虑在轨温度场与杆系装调误差，既能保证天线几何精度又能保证天线可靠与稳定服役。

（2）构建了一种计算时间实时级别的形面精度“预测—优化—调整—再预测—再优化”模型。经优化调整后，大幅提高大口径天线在轨形面精度与在轨电性能，提升天线口径级别，满足我国战略工程需要。

（3）提高了现有地面形面装调效率与装调质量。设计数字化装调软件，为天线形面精度快速装调提供科学有效工具，为提高星载SAR天线装调效率、改善形面质量奠定基础。

（4）支撑未来技术发展及应用领域。为在轨形面精度主动控制提供了理论参考，将应用于全球最大口径级别天线形面调整，为航天 805 所及国内现有天线调控技术提供参考。

6.设计图或作品实物图

平面SAR天线模型如图 1、图 2 所示。

高校指导教师：洪 军，赵强强；企业指导教师：陈飞飞 u7VNGJg3g3M3ymBQGU6tzvK5gVHJ4QUsgM8+HA7dz0xmI9rHu04IGdwhHxgolgwm