高通量衛(wèi)星高精度多波束饋源陣裝配校準技術(shù) ①

柯昌文，薛兆璇，郭會哲，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]時代來臨，對天線技術(shù)要求越來越嚴格，地面用戶對寬帶互聯(lián)網(wǎng)應用需求的增加，包括航空、航海、高鐵以及沙漠、荒山等地面基站信號覆蓋不到的地方，用戶的互聯(lián)網(wǎng)應用需要也逐漸增加?；诖?，高通量衛(wèi)星天線呼之欲出。高通量衛(wèi)星系統(tǒng)對天線結(jié)構(gòu)設計[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雜多樣，但是目前主要集中在以下3大類：單口徑單饋源、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，校準方法也比較簡單。原有校準方法是將饋源口面基準點借助經(jīng)緯儀校準[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方法已逐漸滿足不了現(xiàn)有多波束裝配校準的研制需求。

文章以某多波束饋源陣為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點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測試的方法，系統(tǒng)的將饋源裝配和校準測試方法進行總結(jié)歸納。

1 產(chǎn)品設計特點

某已發(fā)射通信衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_到50 Gbps，單波束容量可達1 Gbps以上；采用90個用戶波束，實現(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)用戶要求細化產(chǎn)品設計，將用戶要求分解至4個饋源塔共計90 個波束喇叭上。饋源裝配校準精度要求轉(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)?，F(xiàn)以該衛(wèi)星東天線北饋源陣(如圖1所示)介紹產(chǎn)品設計特點。

多波束天線由于其單饋源數(shù)量較多，設計時采用金屬板定位，金屬安裝板采用五軸設備加工，每一個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，所有安裝孔和饋源之間采用高精度軸孔配合，精準定位每個喇叭波束，各單喇叭安裝孔在同一基準一次加工成型，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置接口及校準關(guān)系，裝配時只需要將安裝板和支撐組件之間的幾何關(guān)系校準測試滿足要求即可。單饋源較長，固定端選擇在單饋源兩端，在單饋源兩端設置接口安裝，便于裝配。

2 饋源裝配校準工藝技術(shù)

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

1)產(chǎn)品實物裝配前在三維模型上進行模擬裝配，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方法，合理策劃各試驗場地之間校準方案，使用攝影測量校準提高工作效率，所有裝配校準、場地校準均在饋源坐標系下進行。

現(xiàn)重點介紹饋源安裝板校準[4]過程，其主要校準過程分為經(jīng)緯儀[5]進行安裝板校準和基準轉(zhuǎn)移[6]，攝影測量[7]復測接口以及場地校準[8]。

1)饋源安裝板校準原理

饋源安裝板校準主要是將饋源安裝位置通過測量手段，加上工裝輔助，使得饋源安裝板調(diào)整到理論位置，校準經(jīng)緯儀建站如圖3所示，圖中T1～T4代表4臺經(jīng)緯儀，使用T3和T4測量底面安裝孔，T1和T2測量饋源安裝板上校準孔，使用底面安裝孔建立饋源坐標系，測量安裝板在饋源坐標系下的實際位置，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)緯儀測量饋源安裝板在理論坐標系下位置，通過基準變換[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為饋源安裝板實際位置與理論位置的夾角，Dx、Dy、Dz為饋源安裝板實際位置與理論位置的位移(理論坐標系為饋源坐標系)，通過測量軟件特定算法[9]得到如式(2)、式(3)數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

其次根據(jù)第一步測試結(jié)果，對安裝板進行位置調(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)緯儀再次測量，判斷安裝板是否滿足理論要求，若不滿足則繼續(xù)進行調(diào)整，多次調(diào)整達到理論要求位置。

2)基準轉(zhuǎn)移

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

圖4 基準轉(zhuǎn)移示意圖

圖5 坐標系轉(zhuǎn)換示意圖

(4)

式(4)中(x1，y1，z1)為目標空間坐標點，(x0，y0，z0)為P點在基準坐標系下坐標值。將兩個空間坐標系進行繞軸旋轉(zhuǎn)，使得兩坐標系重合得到式(5)。

(5)

式(5)中(x1，y1，z1)為目標空間坐標點，(x0，y0，z0)為P點在基準坐標系下坐標值。

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

表1 坐標軸夾角對照表

3 結(jié)論

文章重點介紹了使用經(jīng)緯儀和攝影測量相結(jié)合進行饋源陣校準的方法以及坐標和基準轉(zhuǎn)換的原理，通過本文可看出使用基準轉(zhuǎn)移和坐標轉(zhuǎn)換可提高校準的效率，能夠節(jié)約人力及儀器設備資源，利用攝影測量校準較經(jīng)緯儀測量能夠減少人為測試誤差，可大大提高準確率，校準效率提高約60%。經(jīng)過電性能測試驗證饋源裝配結(jié)果完全滿足設計要求，并且測試結(jié)果遠超設計預期水平，饋源校準結(jié)果以及工作時間對比結(jié)果如表2所列,通過校準結(jié)果對比，側(cè)面反映了此套校準方法完全滿足且適應于當前多波束饋源陣研制需求。

表2 經(jīng)緯儀測量和攝影測量兩種方法對比表

對高通量高精度多波束饋源陣裝配校準過程的工藝進行改進，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精度，并為后續(xù)多波束饋源陣裝配校準技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。方法雖然顯著提高了裝配校準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到最優(yōu)效果。后期可借用VR裝配法進行饋源裝配，從而達到裝配的一次性成功。