柯昌文，薛兆璇，郭會(huì)哲，蘇可可

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著通信衛(wèi)星高通量[1]時(shí)代來臨，對(duì)天線技術(shù)要求越來越嚴(yán)格，地面用戶對(duì)寬帶互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的增加，包括航空、航海、高鐵以及沙漠、荒山等地面基站信號(hào)覆蓋不到的地方，用戶的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要也逐漸增加?；诖?，高通量衛(wèi)星天線呼之欲出。高通量衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]以及波束指向誤差要求極高，直接關(guān)系到衛(wèi)星有效載荷的性能,目前對(duì)于高精度高通量星載天線，國內(nèi)主要在饋源陣以及多反射面重疊等方面開展了相關(guān)工作。多波束饋源陣的種類同樣復(fù)雜多樣，但是目前主要集中在以下3大類：?jiǎn)慰趶絾勿佋?、單口徑多饋源和多口徑單饋源。原有饋源屬于單喇叭或者兩三個(gè)單喇叭與支撐塔組合，裝配方法步驟明確，結(jié)構(gòu)單一，校準(zhǔn)方法也比較簡(jiǎn)單。原有校準(zhǔn)方法是將饋源口面基準(zhǔn)點(diǎn)借助經(jīng)緯儀校準(zhǔn)[3]至理論位置，操作空間比較充足，可調(diào)環(huán)節(jié)較多，但原有饋源裝配校準(zhǔn)方法已逐漸滿足不了現(xiàn)有多波束裝配校準(zhǔn)的研制需求。

文章以某多波束饋源陣為研究對(duì)象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種適用于該饋源喇叭組件與支撐塔集成總裝和校準(zhǔn)測(cè)試的方法，系統(tǒng)的將饋源裝配和校準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)

某已發(fā)射通信衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_(dá)到50 Gbps，單波束容量可達(dá)1 Gbps以上；采用90個(gè)用戶波束，實(shí)現(xiàn)可視范圍下全球覆蓋；饋源陣列密集，收發(fā)共用通道180路；外包絡(luò)919 mm×946 mm×857 mm；有效載荷重量是普通東四衛(wèi)星的1.5倍。根據(jù)用戶要求細(xì)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將用戶要求分解至4個(gè)饋源塔共計(jì)90 個(gè)波束喇叭上。饋源裝配校準(zhǔn)精度要求轉(zhuǎn)角小于0.03°，位移小于0.3 mm，在軌指向精度要求0.08°以內(nèi)。現(xiàn)以該衛(wèi)星東天線北饋源陣(如圖1所示)介紹產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

多波束天線由于其單饋源數(shù)量較多，設(shè)計(jì)時(shí)采用金屬板定位，金屬安裝板采用五軸設(shè)備加工，每一個(gè)單饋源安裝孔均采用五軸數(shù)控統(tǒng)一加工，保證加工過程中所有的連接孔均在同一基準(zhǔn)，所有安裝孔和饋源之間采用高精度軸孔配合，精準(zhǔn)定位每個(gè)喇叭波束，各單喇叭安裝孔在同一基準(zhǔn)一次加工成型，所有單饋源的精度均由金屬板加工保證。金屬板和支撐組件設(shè)置接口及校準(zhǔn)關(guān)系，裝配時(shí)只需要將安裝板和支撐組件之間的幾何關(guān)系校準(zhǔn)測(cè)試滿足要求即可。單饋源較長，固定端選擇在單饋源兩端，在單饋源兩端設(shè)置接口安裝，便于裝配。

2 饋源裝配校準(zhǔn)工藝技術(shù)

多波束饋源陣研制流程較長，工序工步較為復(fù)雜，裝配難度大。由于饋源口徑小，數(shù)量眾多，幾乎無操作空間進(jìn)行調(diào)整，為此在裝配過程中需要推出有效及科學(xué)的裝配方法。其裝配特點(diǎn)為：裝配時(shí)采用三維模型為指導(dǎo)，工裝定位輔助，采用文件分解分步裝配，裝配工藝指導(dǎo)路線流程圖如圖2所示。饋源喇叭組件裝配由中心向四周開展，主要裝配校準(zhǔn)技術(shù)如下：

1)產(chǎn)品實(shí)物裝配前在三維模型上進(jìn)行模擬裝配，通過仿真研究選擇最佳的裝配路線，并按照裝配順序進(jìn)行裝配，以免出現(xiàn)裝配誤區(qū)，造成返工。

2)根據(jù)產(chǎn)品研制技術(shù)流程選取合理的校準(zhǔn)方法，合理策劃各試驗(yàn)場(chǎng)地之間校準(zhǔn)方案，使用攝影測(cè)量校準(zhǔn)提高工作效率，所有裝配校準(zhǔn)、場(chǎng)地校準(zhǔn)均在饋源坐標(biāo)系下進(jìn)行。

現(xiàn)重點(diǎn)介紹饋源安裝板校準(zhǔn)[4]過程，其主要校準(zhǔn)過程分為經(jīng)緯儀[5]進(jìn)行安裝板校準(zhǔn)和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移[6]，攝影測(cè)量[7]復(fù)測(cè)接口以及場(chǎng)地校準(zhǔn)[8]。

1)饋源安裝板校準(zhǔn)原理

饋源安裝板校準(zhǔn)主要是將饋源安裝位置通過測(cè)量手段，加上工裝輔助，使得饋源安裝板調(diào)整到理論位置，校準(zhǔn)經(jīng)緯儀建站如圖3所示，圖中T1～T4代表4臺(tái)經(jīng)緯儀，使用T3和T4測(cè)量底面安裝孔，T1和T2測(cè)量饋源安裝板上校準(zhǔn)孔，使用底面安裝孔建立饋源坐標(biāo)系，測(cè)量安裝板在饋源坐標(biāo)系下的實(shí)際位置，并通過調(diào)整將饋源安裝板調(diào)整至理論位置。

首先使用經(jīng)緯儀測(cè)量饋源安裝板在理論坐標(biāo)系下位置，通過基準(zhǔn)變換[9]得到一組饋源安裝板與理論位置的關(guān)系：

(1)

其中Rx、Ry、Rz為饋源安裝板實(shí)際位置與理論位置的夾角，Dx、Dy、Dz為饋源安裝板實(shí)際位置與理論位置的位移(理論坐標(biāo)系為饋源坐標(biāo)系)，通過測(cè)量軟件特定算法[9]得到如式(2)、式(3)數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

其次根據(jù)第一步測(cè)試結(jié)果，對(duì)安裝板進(jìn)行位置調(diào)整，調(diào)整方式包括增減調(diào)整墊片以及銼修安裝孔的方式。調(diào)整完畢后使用經(jīng)緯儀再次測(cè)量，判斷安裝板是否滿足理論要求，若不滿足則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，多次調(diào)整達(dá)到理論要求位置。

2)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移

基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移示意圖如圖4、圖5所示。所謂的基準(zhǔn)是指為了描述空間位置的點(diǎn)、線、面而選用的參考特征；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換原理就是利用公共點(diǎn)在兩套坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)相似變化原理[9]進(jìn)行平移旋轉(zhuǎn)，從而將理論基準(zhǔn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移至標(biāo)定點(diǎn)上[10]。后續(xù)校準(zhǔn)使用攝影測(cè)量，不再使用經(jīng)緯儀，節(jié)約人員及儀器設(shè)備等資源的成本。

圖4 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移示意圖

圖5 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

(4)

式(4)中(x1，y1，z1)為目標(biāo)空間坐標(biāo)點(diǎn)，(x0，y0，z0)為P點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下坐標(biāo)值。將兩個(gè)空間坐標(biāo)系進(jìn)行繞軸旋轉(zhuǎn)，使得兩坐標(biāo)系重合得到式(5)。

(5)

式(5)中(x1，y1，z1)為目標(biāo)空間坐標(biāo)點(diǎn)，(x0，y0，z0)為P點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下坐標(biāo)值。

α，β，γ為基準(zhǔn)坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間夾角，具體夾角含義如表1所列(α1/β1/γ1分別是X1軸與坐標(biāo)O-XYZ三軸夾角；α2/β2/γ2分別是Y1軸與坐標(biāo)O-XYZ三軸夾角；α3/β3/γ3分別是Z1軸與坐標(biāo)O-XYZ三軸夾角。

表1 坐標(biāo)軸夾角對(duì)照表

3 結(jié)論

文章重點(diǎn)介紹了使用經(jīng)緯儀和攝影測(cè)量相結(jié)合進(jìn)行饋源陣校準(zhǔn)的方法以及坐標(biāo)和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的原理，通過本文可看出使用基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可提高校準(zhǔn)的效率，能夠節(jié)約人力及儀器設(shè)備資源，利用攝影測(cè)量校準(zhǔn)較經(jīng)緯儀測(cè)量能夠減少人為測(cè)試誤差，可大大提高準(zhǔn)確率，校準(zhǔn)效率提高約60%。經(jīng)過電性能測(cè)試驗(yàn)證饋源裝配結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)期水平，饋源校準(zhǔn)結(jié)果以及工作時(shí)間對(duì)比結(jié)果如表2所列,通過校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比，側(cè)面反映了此套校準(zhǔn)方法完全滿足且適應(yīng)于當(dāng)前多波束饋源陣研制需求。

表2 經(jīng)緯儀測(cè)量和攝影測(cè)量?jī)煞N方法對(duì)比表

對(duì)高通量高精度多波束饋源陣裝配校準(zhǔn)過程的工藝進(jìn)行改進(jìn)，不僅顯著提高了高通量高精度多波束饋源陣的裝配精度以及校準(zhǔn)精度，并為后續(xù)多波束饋源陣裝配校準(zhǔn)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。方法雖然顯著提高了裝配校準(zhǔn)效率取得了階段性成果，但依然存在不足，比如工裝定位、產(chǎn)品加工精度以及裝配順序都不能夠達(dá)到最優(yōu)效果。后期可借用VR裝配法進(jìn)行饋源裝配，從而達(dá)到裝配的一次性成功。