提升大口徑反射面天線服役性能的未來(lái)研究趨勢(shì)

深空測(cè)控網(wǎng)在衛(wèi)星通信、載人航天、深空探測(cè)等人類空間活動(dòng)中具有重要地位，而大口徑反射面天線是深空測(cè)控網(wǎng)的重要組成。該類天線的主要特點(diǎn)是口徑極大，通常需要嚴(yán)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(dòng)，可分為兩大類：非全向可動(dòng)天線和全向可動(dòng)天線。中國(guó)貴州500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡是典型的非全向可動(dòng)天線，反射面面板只能在小角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，該天線的口徑超級(jí)大，主要用于低頻觀測(cè)。全向可動(dòng)天線的反射面可以在方位和俯仰兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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?jìng)鹘y(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(dòng)器的大口徑主動(dòng)主反射面天線，可通過(guò)促動(dòng)器來(lái)調(diào)整反射面的形面精度，其表面精度更高，因此，相對(duì)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(guó)100m綠岸射電望遠(yuǎn)鏡（greenbanktelescope,GBT），該天線主反射面由2004塊面板拼裝而成，共計(jì)安裝2209個(gè)促動(dòng)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(dá)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(duì)服役環(huán)境非常敏感，圖1給出了幾個(gè)典型的已公開(kāi)的大口徑亞毫米波天線，該類天線目前均處于概念設(shè)計(jì)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(dòng)反射面天線。IGN：西班牙國(guó)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(yuǎn)鏡；QTT：奇臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡；SRT：撒丁島射電望遠(yuǎn)鏡；TM：天馬；HHT：赫茲望遠(yuǎn)鏡；JCMT：麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡；MRT：西班牙毫米波射電望遠(yuǎn)鏡；SEST：瑞典ESO（歐洲南方天文臺(tái)）亞毫米波望遠(yuǎn)鏡；CCAT：康奈爾-加州理工阿塔卡馬望遠(yuǎn)鏡；AtLAST：阿塔卡馬大口徑亞毫米波望遠(yuǎn)鏡；PMO：紫金山天文臺(tái)；VLMT：甚大毫米波望遠(yuǎn)鏡；LST：大型亞毫米波望遠(yuǎn)鏡

因大口徑高精度反射面天線的結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境非常敏感，導(dǎo)致其高服役性能很難保障。天線臺(tái)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(dòng)沖擊等其他外部載荷是不可避免的，嚴(yán)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(qiáng)時(shí)，天線僅在低頻進(jìn)行觀測(cè)，故減小了天線高頻觀測(cè)任務(wù)的有效時(shí)長(zhǎng)。因此，未來(lái)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(guò)程中具有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離、更高的分辨率和穩(wěn)健性，進(jìn)而有效保障天線高頻觀測(cè)任務(wù)?；谙嚓P(guān)研究現(xiàn)狀，概括了九個(gè)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(jī)電耦合；（ii）狀態(tài)監(jiān)測(cè)；（iii）熱變形補(bǔ)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(cè)量方案；（ix）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。UAV：無(wú)人機(jī)；AI：人工智能一、機(jī)電耦合環(huán)境因素通過(guò)影響天線結(jié)構(gòu)部件來(lái)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(shí)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(jì)水平。文獻(xiàn)給出了天線結(jié)構(gòu)與電磁之間的機(jī)電耦合模型，并開(kāi)展了相應(yīng)的機(jī)電耦合分析，未來(lái)需進(jìn)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(jì)和服役性能提升提供理論支撐。二、狀態(tài)監(jiān)測(cè)高精度大尺度轉(zhuǎn)動(dòng)部件是大口徑反射面天線方位和俯仰精確驅(qū)動(dòng)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(dòng)部件的表面磨損是不可避免的，惡化了天線的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，將引起天線的指向誤差。同時(shí)，天線的服役性能依賴于結(jié)構(gòu)抵御環(huán)境擾動(dòng)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(lái)需要從以下兩個(gè)方向開(kāi)展研究：?研究天線轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)磨損演變機(jī)理和動(dòng)態(tài)載荷作用下輪軌接觸問(wèn)題，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析其對(duì)天線性能的影響和開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)部件壽命預(yù)測(cè)工作；?建立天線環(huán)境信息和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為服役性能提升提供數(shù)據(jù)支撐。三、熱變形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)熱梯度是影響天線服役性能的一個(gè)重要原因，因溫度場(chǎng)的時(shí)變特性，實(shí)現(xiàn)熱致電性能變化的實(shí)時(shí)補(bǔ)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(lái)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(lái)制造天線以減小熱變形。然而，對(duì)于大口徑天線而言其高昂的成本是不可接受的，因此，未來(lái)需要從以下兩個(gè)方向開(kāi)展研究：?研究低成本和輕量化的熱控系統(tǒng)，同時(shí)探索僅關(guān)鍵部件采用低熱膨脹系數(shù)復(fù)合材料時(shí)的熱保型設(shè)計(jì)方法，研究不同熱膨脹系數(shù)組合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題；?研究利用少量溫度傳感器實(shí)現(xiàn)天線溫度場(chǎng)的快速重構(gòu)，例如，可事先建立典型工況仿真溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用少量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正相應(yīng)仿真溫度，近似得到真實(shí)溫度場(chǎng)。四、風(fēng)擾控制風(fēng)擾動(dòng)是引起天線指向誤差的重要環(huán)境因素，因風(fēng)擾動(dòng)的瞬態(tài)時(shí)變特性，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后通過(guò)伺服系統(tǒng)開(kāi)展風(fēng)擾控制時(shí)的風(fēng)場(chǎng)信息早已改變，即實(shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)。工程中實(shí)現(xiàn)風(fēng)擾動(dòng)引起指向誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償是極其困難的，建議未來(lái)從以下兩個(gè)方向開(kāi)展研究：?探索天線臺(tái)址風(fēng)場(chǎng)主動(dòng)調(diào)控方法，可能的方法是根據(jù)天線臺(tái)址地形建立風(fēng)場(chǎng)仿真模型，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)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(dá)天線時(shí)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(dá)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(yuǎn)的關(guān)鍵位置的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建天線遠(yuǎn)區(qū)到近區(qū)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)到達(dá)天線附近時(shí)的狀態(tài)，從而為伺服系統(tǒng)調(diào)整量的計(jì)算和響應(yīng)提供足夠的時(shí)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(dòng)主反射面、副面六桿機(jī)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(guò)調(diào)整反射面面板、副面位姿、方位俯仰來(lái)改善天線的電性能，第四種相控陣饋源技術(shù)可有效擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)，極大提高其巡天效率，通過(guò)調(diào)整陣元激勵(lì)的幅度和相位，可以有效減小結(jié)構(gòu)變形對(duì)電性能的影響。實(shí)際上，不同調(diào)整子系統(tǒng)對(duì)天線服役性能的影響是相互耦合的，未來(lái)應(yīng)深入分析各個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)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(kāi)展多系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控。六、誤差影響分析很多文獻(xiàn)已經(jīng)通過(guò)概率和區(qū)間等分析方法研究了天線結(jié)構(gòu)誤差對(duì)其電性能的影響，但是很少有文獻(xiàn)研究天線服役性能補(bǔ)償過(guò)程中的誤差對(duì)電性能調(diào)控效果的影響，如狀態(tài)監(jiān)測(cè)誤差、溫度重構(gòu)誤差、風(fēng)場(chǎng)測(cè)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(huì)降低服役性能的補(bǔ)償效果。隨著相關(guān)補(bǔ)償方法研究的深入，亟需開(kāi)展服役性能補(bǔ)償過(guò)程中各類誤差對(duì)補(bǔ)償效果的影響研究，以實(shí)現(xiàn)服役性能補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)健性。七、人工智能應(yīng)用在天線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和性能補(bǔ)償過(guò)程中將會(huì)積累大量多類型數(shù)據(jù)，如風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、振動(dòng)數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、多系統(tǒng)調(diào)控?cái)?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(shí)現(xiàn)大口徑反射面天線服役過(guò)程中的電性能自適應(yīng)智能補(bǔ)償，未來(lái)需要開(kāi)展深入的研究?？赡艿膽?yīng)用有溫度和風(fēng)場(chǎng)的智能預(yù)測(cè)、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(cè)量方案現(xiàn)有面形測(cè)量方法應(yīng)用在反射面天線結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)補(bǔ)償方面仍存在一定不足，例如，激光測(cè)量和攝影測(cè)量方法，其測(cè)量過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，且需要人工參與，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量和補(bǔ)償；例如，相位恢復(fù)全息測(cè)量方法，其測(cè)量過(guò)程中需要主動(dòng)離焦或者主動(dòng)面板變形，在天線執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中難以開(kāi)展測(cè)量。工程中目前尚未完全實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境載荷作用下反射面變形的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，因此，有必要探索新的測(cè)量方案，滿足服役性能補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性或者快速性要求。研究了不同的測(cè)量方案，例如，將測(cè)量?jī)x器放置于副反射面背面邊沿位置來(lái)測(cè)量主反射面的變形，利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)主反射面變形的快速測(cè)量，利用安裝在面板上的邊沿傳感器測(cè)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(jì)開(kāi)展天線創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打破現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，使得天線結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)不敏感，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，對(duì)于未來(lái)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(kāi)報(bào)道了一些新的天線結(jié)構(gòu)概念方案，通過(guò)設(shè)計(jì)穹頂罩子來(lái)減小風(fēng)荷對(duì)天線的影響，通過(guò)類似“搖椅”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)減小天線的重力變形，同時(shí)，可采用碳纖維背架結(jié)構(gòu)并配置閉環(huán)主動(dòng)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(duì)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(lái)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(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文基于現(xiàn)有的研究，圍繞