70m天線反射體與天線座的精確安裝

張潔鈺 賀新剛

摘 要：為實現(xiàn)70 m天線的高指向精度要求，本文從反射體與天線座的精確安裝出發(fā)，講述了其精確安裝及調(diào)整的過程。首先，設(shè)計定位銷工裝組合保證反射體軸線與天線座方位軸同軸，設(shè)計支撐工裝組合保證反射體吊裝至天線座時有穩(wěn)定的支撐面，進(jìn)而保證反射體能精確的與天線座對接;然后，在現(xiàn)場安裝時，利用激光跟蹤儀依次采集已裝好的反射體地面各連接面與定位銷的坐標(biāo)，依次在天線座上相應(yīng)的位置恢復(fù)各連接點，使兩者能相互匹配。最終，天線反射體在天線座上準(zhǔn)確完成了安裝，為以后更大口徑天線反射體的安裝提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞：70 m天線;反射體;天線座;激光跟蹤儀

中圖分類號：P111.44 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0038-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.007

Precise Installation of? 70-Meter Antenna Reflector and Antenna

Pedestal

ZHANG Jieyu1，2? ? HE Xingang1，2

（1.The 39th Research Institute of China Electronics Technology Corporation， Xi'an 710065，China;

2. Shaanxi Key Laboratory of Antenna and Control Technology， Xi'an 710065，China）

Abstract： In order to meet the requirements of high pointing accuracy of 70m antenna， this paper describes the process of accurate installation and adjustment of reflector and antenna base. Firstly， design the tooling combination of the locating pin to ensure that the axis of the reflector is coaxial with the azimuth axis of the antenna base， and design the supporting tooling combination to ensure that there is astable support surface when the reflector is hoisted to the antenna base， so as to ensure the accurate docking of the reflector with the antenna base; Then， during on-site installation， use the laser tracker to collect the coordinates of the installed reflector ground connection surfaces and positioning pins in turn， and restore the connection points in the corresponding positions on the antenna base in order to make them match each other. Finally， the antenna reflector is accurately installed on the antenna base， which provides a reference for the installation of larger aperture antenna reflector in the future.

Keywords：70-meterantenna; reflector; antennapedestal; lasertracker

0 引言

指向精度是衡量大口徑高頻率天線性能的重要指標(biāo)[1]，對于70 m天線，高72 m，重達(dá)2 700 t，結(jié)構(gòu)尺寸大、重量重、結(jié)構(gòu)變形難以控制，指向精度提高難度大[2][3]，其反射體與天線座的精確安裝是影響指向精度重要的一環(huán)，必須嚴(yán)格保證。

對于小口徑天線，提前在反射體與天線座對接處加工止口，通過止口精確安裝;對于中口徑天線，反射體安裝過程中轉(zhuǎn)動天線，利用磁力百分表進(jìn)行調(diào)整;對于大口徑天線，國外的輪軌式天線普遍采用“搭積木”的方式，定好定位基準(zhǔn)后逐件進(jìn)行安裝[4-6]。對于70 m輪軌式天線，采用傘形支撐結(jié)構(gòu)且反射體采用整體吊裝，對于國內(nèi)尚屬首例，如何保證其精確安裝，是現(xiàn)場必須解決的一個關(guān)鍵問題。筆者從70 m天線反射體與天線座的現(xiàn)場精確安裝出發(fā)，介紹了現(xiàn)場行之有效的裝配工藝和檢測方法。

1 結(jié)構(gòu)簡介

1.1 總體結(jié)構(gòu)

70 m天線由天線反射體與天線座兩大部分組成，天線反射體由中心體、背架、面板、副面撐調(diào)機構(gòu)等組成，天線座由俯仰架、座架、輪軌系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。安裝過程中，反射體先在地面拼裝成整體，再將天線反射體整體吊裝至天線座，反射體與天線座的安裝即中心體與俯仰架的安裝。

中心體與俯仰架的安裝關(guān)系如圖2所示，第1圈由俯仰架中央圓環(huán)和中心體16個中心筒進(jìn)行連接，吊裝過程中為主要的支撐點。

第4圈由俯仰架16根傘形支撐與中心體16個節(jié)點進(jìn)行連接，傘形支撐底部連接于俯仰架配重筒，頂面對接16個中心體節(jié)點底面，可對中心體形成穩(wěn)定的支撐。但由于安裝階段傘形支撐位置難以精確調(diào)整，調(diào)整不到位會影響反射體受力分布和主面精度，故選擇后期進(jìn)行安裝。因此需提前根據(jù)中心體與俯仰架的結(jié)構(gòu)特點在第2圈、第3圈處增加輔助支撐結(jié)構(gòu)，保證中心體可以穩(wěn)定支撐。

1.2 工裝結(jié)構(gòu)

1.2.1 定位銷工裝組合。反射體吊裝至天線座時需保證反射體軸線與天線座的方位軸同軸，且在圓周方向上使反射體俯仰方向的上下左右與天線座的前后左右準(zhǔn)確定位，基于此，設(shè)計了定位銷工裝組合，共4組。定位銷工裝組合設(shè)計時的間距應(yīng)盡可能大，且便于調(diào)整，綜合考慮將定位銷工裝組合布置在跨距近25 m的“十”字方向上。

定位銷工裝組合由定位銷、定位銷座組成，如圖3所示?？紤]到反射體的定位精度、允許的偏差以及儀器所采集的精度，設(shè)計時定位銷與定位銷座直徑方向上留有3 mm間隙。

1.2.2 支撐工裝組合。為保證中心體可以穩(wěn)定支撐，根據(jù)安裝關(guān)系及空間位置，在俯仰架“十”字、外框梁與中心體第3圈位置處可增加輔助支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計了支撐工裝組合，共12組，如圖4所示。此處兩者的強度經(jīng)分析均滿足支撐。

工裝分兩種，兩者的頂面高度一致。在“十”字方向可借用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)利用支撐墩進(jìn)行支撐，分4組，如圖5（a）所示;外框梁位置需在梁上設(shè)計固定裝置，再在其上安裝支撐立柱，可增加8組，如圖5（b）所示。

1.3 對接關(guān)系

綜上所述，反射體安裝時，具體對接關(guān)系如下：①中心體第1圈16個中心筒對接俯仰架中央圓環(huán);②中心體第3圈12個節(jié)點對接俯仰架支撐工裝組合，其中包括4個對接“十”字方向支撐墩、8個對接外框梁支撐立柱;③中心體第3圈4組定位銷對接俯仰架定位銷座;④中心體第4圈16個節(jié)點對接俯仰架傘形支撐。

2 反射體數(shù)據(jù)采集

激光跟蹤儀具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、操作簡便等特點，可以對空間的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時測量其三維坐標(biāo)，其單點的采集精度可以達(dá)到0.01 mm[7-8]。因此，為滿足反射體與天線座的高精度安裝要求，采用激光跟蹤儀進(jìn)行測量。

采集數(shù)據(jù)時需按統(tǒng)一方式對所采集的點進(jìn)行編號，其中采集方向為逆時針，并一一對應(yīng)。

2.1 反射體坐標(biāo)系的建立

反射體的安裝基準(zhǔn)在中心體上法蘭，需將上法蘭的坐標(biāo)系平移至底面。

將激光跟蹤儀置于中心筒底部，靶球放置于中心體上法蘭，采集多點坐標(biāo)并擬合平面得到圓心，再將靶球移至地面，通過激光跟蹤儀監(jiān)測挪動靶球，將該擬合圓心引到地面作為地面儀器中心。同理，將上法蘭原有的方向點引至地面作為方向點。將激光跟蹤儀架設(shè)在地面儀器中心，建立坐標(biāo)系：Z軸垂直于大地，X軸指向方向點。

2.2 定位銷數(shù)據(jù)采集

定位銷與定位銷座無需準(zhǔn)確的位置要求，只需根據(jù)定位銷的位置去匹配定位銷座即可。

定位銷為圓柱結(jié)構(gòu)，其坐標(biāo)無法直接測量，可通過間接測量定位銷的定位孔來代替。靶球放置于彎角件中心孔位置處，利用激光跟蹤儀采集中心體定位銷各點坐標(biāo)[F定（xi，yi）]，[F定（xi，yi）]將4組數(shù)據(jù)記錄于表1中。

2.3 支撐工裝數(shù)據(jù)采集

2.3.1 第1圈中心筒。中心體中心筒由16個立柱法蘭組成，將靶球放置于立柱法蘭底面中心，利用激光跟蹤儀采集中心體第1圈中心筒各點高度[F筒（zi）]，將16組數(shù)據(jù)記錄于表2中。

2.3.2 第3圈節(jié)點。中心體第3圈共計16個節(jié)點，對接關(guān)系中需12個，需對12個節(jié)點進(jìn)行編號，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用激光跟蹤儀采集中心體第3圈節(jié)點各點高度[F撐（zi）]，將12組數(shù)據(jù)記錄于表3中。

2.3.3 第4圈節(jié)點數(shù)據(jù)采集。中心體第4圈節(jié)點法蘭呈橢圓形，靶球放置于節(jié)點法蘭底面中心，利用激光跟蹤儀采集中心體第4圈節(jié)點各點坐標(biāo)[F傘（xi，yi）]，將16組數(shù)據(jù)記錄于表4中。

3 天線座數(shù)據(jù)恢復(fù)

3.1 天線座坐標(biāo)系的建立

激光跟蹤儀置于俯仰架“十”字，將座架二層已有的中心引到俯仰架中心作為高空儀器中心。將激光跟蹤儀架設(shè)在高空儀器中心，建立坐標(biāo)系：Z軸垂直于大地，X軸指向天線座后方。

3.2 定位銷座恢復(fù)

定位銷座的坐標(biāo)無法直接測量，通過間接測量定位銷座堵蓋的坐標(biāo)來代替。初放定位銷座于俯仰架，將定位銷座堵蓋卡進(jìn)定位銷座，靶球放置于定位銷座堵蓋中心孔位置處，利用激光跟蹤儀采集俯仰架定位銷座各點坐標(biāo)[Z定（xi，yi）]，根據(jù)2.2中已采集的中心體定位銷各點坐標(biāo)[F定（xi，yi）]，調(diào)整定位銷座的位置，并將最終的4組數(shù)據(jù)記錄于表1中。4個定位銷座組成菱形，根據(jù)坐標(biāo)分別計算中心體與俯仰架上兩條對角邊與四條棱邊的長度并做比較。

對于25 m的跨距，根據(jù)鋼鐵的線膨脹系數(shù)可得在溫度變化1 ℃時，跨距變化0.3 mm，若溫度變化10 ℃跨距則變化3 mm，已超出定位精度。而大量的數(shù)據(jù)采集難以在同時間段完成，且兩者不在同一位置，一個在地面一個在空中，很難做到統(tǒng)一，數(shù)據(jù)的采集需待環(huán)境溫度穩(wěn)定時在最短時間內(nèi)盡快完成。

該數(shù)據(jù)需經(jīng)多次反復(fù)測量，吊裝前再復(fù)核，確保吊裝時定位銷能準(zhǔn)確落入定位銷座。

3.3 支撐工裝組合數(shù)據(jù)采集

3.3.1 中央圓環(huán)。中央圓環(huán)為鉚焊件，頂面存在高度差，需采集中央圓環(huán)上與中心筒立柱法蘭對應(yīng)點處的高度。根據(jù)中心筒立柱法蘭分布圓直徑及數(shù)目，計算中心筒各點坐標(biāo)[F筒（xi，yi）]。靶球放置在中央圓環(huán)頂面，根據(jù)對應(yīng)坐標(biāo)調(diào)整靶球的位置，利用激光跟蹤儀采集對應(yīng)各點高度[Z筒（zi）]，將16組數(shù)據(jù)記錄在表2中。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算各點高差，加工對應(yīng)高差的墊板，在反射體吊裝之前固定在中央圓環(huán)頂面，保證接觸面的水平。

3.3.2 支撐工裝組合。根據(jù)中心體第3圈節(jié)點分布圓直徑及數(shù)目，計算出支撐各點坐標(biāo)[F撐（xi，yi）]。靶球放置在支撐墩、支撐立柱相應(yīng)的坐標(biāo)點，采集支撐工裝組合各點高度[Z撐（zi）]，將12組數(shù)據(jù)記錄在表3中。待數(shù)據(jù)采集完，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算各點高差，加工對應(yīng)高差的墊板，在反射體吊裝之前墊在支撐墩、支撐立柱頂面，以保證支撐受力均勻，防止變形，影響反射體精度。

3.4 傘形支撐的安裝

3.4.1 傘形支撐數(shù)據(jù)采集。傘形支撐由16根19 m長圓管組成，是整個天線的安裝難點。若選擇在反射體吊裝后裝入，則無法吊裝;若提前裝入，則需降低高度，為便于調(diào)整設(shè)計成可伸縮式，避免與反射體提前“接觸”和受力不均。

由于傘形支撐在空中，具體姿態(tài)無法調(diào)整，因此設(shè)計了套管堵蓋，中心孔位置處放置靶球可以實時數(shù)據(jù)監(jiān)測;同時設(shè)計了專用八字調(diào)整工裝，連接到外框梁上，一方面用來調(diào)整傘形支撐具體姿態(tài)，另一方面用來固定傘形支撐，如圖6所示。

根據(jù)中心體第4圈節(jié)點分布圓直徑及數(shù)目，計算第4圈節(jié)點各點坐標(biāo)[F傘（xi，yi，zi）]，靶球放置在套管堵蓋中心孔，利用激光跟蹤儀采集俯仰架傘型支撐各點坐標(biāo)[Z傘（xi，yi，zi）]，由于吊裝至一個低于理論位置50 mm的平面，所以先將理論值[F傘（xi，yi，zi）]轉(zhuǎn)化成實測理論值[Z傘（xi，yi，zi）]，才能用來指導(dǎo)實測值[Z傘（xi，yi，zi）]。

首先，計算高差[ΔZi]，調(diào)整[Z傘（zi）]使[ΔZi]盡量保持在-50 mm左右。高差[ΔZi]見式（1）。

[ΔZi=Z傘zi?F傘zi]? ? ?（1）

其次，已知[Z]變化1對應(yīng)[x]和[y]變化系數(shù)[kx]和[ky]，將理論值變?yōu)閷崪y理論值，具體如式（2）。

[F傘?xi，yi=F傘xi+kx×ΔZi，yi+ky×ΔZi]

（2）

最后，計算[Z傘xi，yi?F傘?（xi，yi）]用來指導(dǎo)傘形支撐位置調(diào)整，并將最終的16組數(shù)據(jù)記錄在表4中。

3.4.2 傘形支撐安裝。待反射體吊裝到位后，利用伸縮式的傘形支撐將各管升至中心體節(jié)點并與之對接，鉚焊，傘形支撐完成安裝。待傘形支撐安裝后可以對反射體形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，再將各支撐工裝組合與定位銷工裝組合等輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，避免對整個天線形成額外負(fù)載。

4 結(jié)語

70 m反射體吊裝時既要保證高空作業(yè)的安全，又要保證反射體與天線座的精確安裝，筆者設(shè)計了定位和支撐工裝。通過采集定位銷坐標(biāo)，并在俯仰架恢復(fù)定位銷座位置，保證了對接時的定位;通過采集中心筒立柱法蘭高度，并在俯仰架上采集中央圓環(huán)頂面高度，計算高差增加墊板，保證了對接時的第1圈支撐;通過采集中心體第3圈節(jié)點高度，并在俯仰架上采集支撐工裝組合高度，計算高差增加墊板，保證了對接時的第3圈支撐;通過采集中心體第4圈節(jié)點坐標(biāo)，并在俯仰架恢復(fù)傘型支撐位置，保證了對接時的第4圈支撐，最終順利完成反射體的精確安裝。

參考文獻(xiàn)：

[1] GAWRONSKI W . Control and pointing challenges of antennas and telescopes[C]// American Control Conference. IEEE， 2005.

[2] 郭可敬，王博通，賀新剛.70 m天線反射體的安裝與測量[J].電子機械工程，2021，37（2）：41-44.

[3] 賀新剛，張鮮波.大型天線的場地設(shè)計與吊裝[J].電子機械工程，2020，36（2）：9-13.

[4] GAWRONSKI W . Modeling and Control of Antennas and Telescopes[M]. Springer US， 2008.

[5] 杜彪，伍洋，張一凡，等.大口徑反射面天線技術(shù)綜述[J].無線電通信技術(shù)，2016，42（1）：8.

[6] 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[7] 陳亞峰.某輪軌天線座滾輪組的設(shè)計及測量[J].電子機械工程，2017，33（3）：12-15.

[8] 張春富，張軍，唐文彥，等.激光跟蹤儀在大尺寸工件幾何參數(shù)測量中的應(yīng)用[J].工具技術(shù)，2002，36（5）：3.