提升大口徑反射面天線服役性能的未來研究趨勢

深空測控網(wǎng)在衛(wèi)星通信、載人航天、深空探測等人類空間活動中具有重要地位，而大口徑反射面天線是深空測控網(wǎng)的重要組成。該類天線的主要特點是口徑極大，通常需要嚴格的表面精度以保障高增益和高指向精度等電性能要求。根據(jù)反射面天線是否全向可動，可分為兩大類：非全向可動天線和全向可動天線。中國貴州500m口徑球面射電望遠鏡是典型的非全向可動天線，反射面面板只能在小角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，該天線的口徑超級大，主要用于低頻觀測。全向可動天線的反射面可以在方位和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動，根據(jù)天線口徑和最高工作頻率，將其劃分為四種類型，如圖1所示。第一類天線指傳統(tǒng)的大口徑反射面天線，因表面精度較低，只能工作在較低的工作頻段。第二類天線指面板安裝有促動器的大口徑主動主反射面天線，可通過促動器來調(diào)整反射面的形面精度，其表面精度更高，因此，相對反射面不可調(diào)的第一類天線而言，其可工作的頻段更高。例如，美國100m綠岸射電望遠鏡（greenbanktelescope,GBT），該天線主反射面由2004塊面板拼裝而成，共計安裝2209個促動器。第三類天線指口徑較小、精度更高的亞毫米波天線，例如，阿塔卡瑪大型毫米波天線陣（Atacamalargemillimeterarray,ALMA）的組成單元——12m口徑天線，其表面精度高達0.01mm。第四類天線指口徑較大的亞毫米波天線，該類天線的口徑大且精度要求高，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)對服役環(huán)境非常敏感，圖1給出了幾個典型的已公開的大口徑亞毫米波天線，該類天線目前均處于概念設(shè)計階段。圖1根據(jù)口徑和最高工作頻率劃分的四類全向可動反射面天線。IGN：西班牙國家地理研究所；MY：密云；JMS：佳木斯；KM：昆明；LMT：墨西哥大型毫米波望遠鏡；QTT：奇臺射電望遠鏡；SRT：撒丁島射電望遠鏡；TM：天馬；HHT：赫茲望遠鏡；JCMT：麥克斯韋望遠鏡；MRT：西班牙毫米波射電望遠鏡；SEST：瑞典ESO（歐洲南方天文臺）亞毫米波望遠鏡；CCAT：康奈爾-加州理工阿塔卡馬望遠鏡；AtLAST：阿塔卡馬大口徑亞毫米波望遠鏡；PMO：紫金山天文臺；VLMT：甚大毫米波望遠鏡；LST：大型亞毫米波望遠鏡

因大口徑高精度反射面天線的結(jié)構(gòu)對環(huán)境非常敏感，導(dǎo)致其高服役性能很難保障。天線臺址通常位于戈壁或高山區(qū)域，除了自身重力之外，像風(fēng)荷、溫度、慣性、振動沖擊等其他外部載荷是不可避免的，嚴重降低了天線的服役性能。工程中當(dāng)天線溫度梯度較大或者風(fēng)荷較強時，天線僅在低頻進行觀測，故減小了天線高頻觀測任務(wù)的有效時長。因此，未來大口徑高精度反射面天線相關(guān)研究應(yīng)聚焦在天線服役性能提升方面，使天線在服役過程中具有更遠的探測距離、更高的分辨率和穩(wěn)健性，進而有效保障天線高頻觀測任務(wù)?；谙嚓P(guān)研究現(xiàn)狀，概括了九個提升天線服役性能的關(guān)鍵研究方向，如圖2所示。圖2提升天線服役性能的關(guān)鍵研究方向。（i）機電耦合；（ii）狀態(tài)監(jiān)測；（iii）熱變形補償；（iv）風(fēng)擾控制；（v）多系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控；（vi）誤差影響分析；（vii）人工智能應(yīng)用；（viii）新的測量方案；（ix）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計。UAV：無人機；AI：人工智能一、機電耦合環(huán)境因素通過影響天線結(jié)構(gòu)部件來影響天線的電性能，天線結(jié)構(gòu)和電性能之間具有相互影響和相互制約關(guān)系，因此，天線好的電性能的實現(xiàn)依賴于考慮環(huán)境因素作用下的多學(xué)科綜合設(shè)計水平。文獻給出了天線結(jié)構(gòu)與電磁之間的機電耦合模型，并開展了相應(yīng)的機電耦合分析，未來需進一步探索天線服役環(huán)境與其結(jié)構(gòu)和電磁之間的耦合關(guān)系，從而為考慮環(huán)境因素的多學(xué)科集成設(shè)計和服役性能提升提供理論支撐。二、狀態(tài)監(jiān)測高精度大尺度轉(zhuǎn)動部件是大口徑反射面天線方位和俯仰精確驅(qū)動的關(guān)鍵，因天線的低速重載條件和惡劣服役環(huán)境，轉(zhuǎn)動部件的表面磨損是不可避免的，惡化了天線的轉(zhuǎn)動精度，將引起天線的指向誤差。同時，天線的服役性能依賴于結(jié)構(gòu)抵御環(huán)境擾動的穩(wěn)健性，天線環(huán)境和結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化將導(dǎo)致天線服役性能的改變。因此，未來需要從以下兩個方向開展研究：?研究天線轉(zhuǎn)動系統(tǒng)磨損演變機理和動態(tài)載荷作用下輪軌接觸問題，通過轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測實時分析其對天線性能的影響和開展轉(zhuǎn)動部件壽命預(yù)測工作；?建立天線環(huán)境信息和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，為服役性能提升提供數(shù)據(jù)支撐。三、熱變形補償結(jié)構(gòu)熱梯度是影響天線服役性能的一個重要原因，因溫度場的時變特性，實現(xiàn)熱致電性能變化的實時補償具有一定挑戰(zhàn)性。目前，工程中利用隔熱材料將天線包裹起來或者配置天線罩且內(nèi)部安裝熱控設(shè)備，從而保障天線結(jié)構(gòu)溫度的均勻性，或者直接采用低熱膨脹系數(shù)的碳纖維復(fù)合材料來制造天線以減小熱變形。然而，對于大口徑天線而言其高昂的成本是不可接受的，因此，未來需要從以下兩個方向開展研究：?研究低成本和輕量化的熱控系統(tǒng)，同時探索僅關(guān)鍵部件采用低熱膨脹系數(shù)復(fù)合材料時的熱保型設(shè)計方法，研究不同熱膨脹系數(shù)組合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題；?研究利用少量溫度傳感器實現(xiàn)天線溫度場的快速重構(gòu)，例如，可事先建立典型工況仿真溫度場數(shù)據(jù)庫，用少量實測數(shù)據(jù)修正相應(yīng)仿真溫度，近似得到真實溫度場。四、風(fēng)擾控制風(fēng)擾動是引起天線指向誤差的重要環(huán)境因素，因風(fēng)擾動的瞬態(tài)時變特性，導(dǎo)致經(jīng)過一系列計算后通過伺服系統(tǒng)開展風(fēng)擾控制時的風(fēng)場信息早已改變，即實時性難以實現(xiàn)。工程中實現(xiàn)風(fēng)擾動引起指向誤差的實時補償是極其困難的，建議未來從以下兩個方向開展研究：?探索天線臺址風(fēng)場主動調(diào)控方法，可能的方法是根據(jù)天線臺址地形建立風(fēng)場仿真模型，根據(jù)風(fēng)場分布特征人為布設(shè)并優(yōu)化防風(fēng)帶或者風(fēng)能設(shè)備，以減小風(fēng)到達天線時的能量或者直接改變風(fēng)的方向；?研究天線伺服系統(tǒng)抗風(fēng)擾控制策略，以達到風(fēng)擾下穩(wěn)定指向的目的，可能的方法是利用距離天線較遠的關(guān)鍵位置的風(fēng)場測量數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建天線遠區(qū)到近區(qū)的風(fēng)場預(yù)測模型，預(yù)測風(fēng)場到達天線附近時的狀態(tài)，從而為伺服系統(tǒng)調(diào)整量的計算和響應(yīng)提供足夠的時間。五、多系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控大口徑反射面天線的調(diào)整子系統(tǒng)通常包含主動主反射面、副面六桿機構(gòu)、伺服系統(tǒng)和相控陣饋源（僅指以相控陣天線作為饋源的反射面天線）。前三種調(diào)整子系統(tǒng)是通過調(diào)整反射面面板、副面位姿、方位俯仰來改善天線的電性能，第四種相控陣饋源技術(shù)可有效擴大射電望遠鏡的視場，極大提高其巡天效率，通過調(diào)整陣元激勵的幅度和相位，可以有效減小結(jié)構(gòu)變形對電性能的影響。實際上，不同調(diào)整子系統(tǒng)對天線服役性能的影響是相互耦合的，未來應(yīng)深入分析各個子系統(tǒng)獨立運行時的調(diào)控能力，建立不同調(diào)整子系統(tǒng)之間的耦合模型，尋找一種最優(yōu)的權(quán)重分配方案，以開展多系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控。六、誤差影響分析很多文獻已經(jīng)通過概率和區(qū)間等分析方法研究了天線結(jié)構(gòu)誤差對其電性能的影響，但是很少有文獻研究天線服役性能補償過程中的誤差對電性能調(diào)控效果的影響，如狀態(tài)監(jiān)測誤差、溫度重構(gòu)誤差、風(fēng)場測量誤差、有限元建模誤差、調(diào)整子系統(tǒng)調(diào)控誤差等，上述誤差均會降低服役性能的補償效果。隨著相關(guān)補償方法研究的深入，亟需開展服役性能補償過程中各類誤差對補償效果的影響研究，以實現(xiàn)服役性能補償?shù)姆€(wěn)健性。七、人工智能應(yīng)用在天線狀態(tài)監(jiān)測和性能補償過程中將會積累大量多類型數(shù)據(jù)，如風(fēng)場數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、多系統(tǒng)調(diào)控數(shù)據(jù)等。如何引入人工智能方法，充分利用累積的大量歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大口徑反射面天線服役過程中的電性能自適應(yīng)智能補償，未來需要開展深入的研究?？赡艿膽?yīng)用有溫度和風(fēng)場的智能預(yù)測、副面位置和姿態(tài)的智能自適應(yīng)調(diào)控、各調(diào)整子系統(tǒng)調(diào)整量的權(quán)重自適應(yīng)分配等，為大口徑反射面天線的智能化提供技術(shù)支撐。八、新的測量方案現(xiàn)有面形測量方法應(yīng)用在反射面天線結(jié)構(gòu)變形實時補償方面仍存在一定不足，例如，激光測量和攝影測量方法，其測量過程復(fù)雜耗時，且需要人工參與，難以實現(xiàn)在線實時測量和補償；例如，相位恢復(fù)全息測量方法，其測量過程中需要主動離焦或者主動面板變形，在天線執(zhí)行任務(wù)過程中難以開展測量。工程中目前尚未完全實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境載荷作用下反射面變形的實時補償，因此，有必要探索新的測量方案，滿足服役性能補償?shù)膶崟r性或者快速性要求。研究了不同的測量方案，例如，將測量儀器放置于副反射面背面邊沿位置來測量主反射面的變形，利用無人機實現(xiàn)主反射面變形的快速測量，利用安裝在面板上的邊沿傳感器測量相鄰面板之間的偏轉(zhuǎn)角度等。九、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計開展天線創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，打破現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)計框架，使得天線結(jié)構(gòu)對環(huán)境擾動不敏感，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，對于未來更大口徑、更高精度、更高頻段的反射面天線的發(fā)展至關(guān)重要。公開報道了一些新的天線結(jié)構(gòu)概念方案，通過設(shè)計穹頂罩子來減小風(fēng)荷對天線的影響，通過類似“搖椅”的結(jié)構(gòu)設(shè)計來減小天線的重力變形，同時，可采用碳纖維背架結(jié)構(gòu)并配置閉環(huán)主動反射面系統(tǒng)和傾角傳感系統(tǒng)等。隨著大口徑反射面天線朝著更大口徑、更高頻率、更高增益、更高指向精度的方向發(fā)展，由于復(fù)雜環(huán)境因素對天線電性能的影響不可避免，導(dǎo)致天線服役性能的提升空間越來越小。因此，研究復(fù)雜環(huán)境下如何確保天線出色和穩(wěn)健的服役性能，已成為該領(lǐng)域重要的研究方向，給該領(lǐng)域的研究人員帶來了機遇和挑戰(zhàn)。本文基于現(xiàn)有的研究，圍繞