連培園,王從思,薛松,王艷,嚴粵飛,許謙,段寶巖,王娜,段玉虎,伍洋

aSchool of Electromechanical Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China

bSchool of Information and Control Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China

cXinjiang Astronomical Observatory,Chinese Academy of Science,Urumqi 830011,China

dChina Electronics Technology Group Corporation No.39 Research Institute,Xi’an 710065,China

eChina Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute,Shijiazhuang 050081,China

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[1]。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[2-3]。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500 m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，其中，天線的詳細信息可以參考文獻[4]，這里不再詳細給出。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100 m綠岸射電望遠鏡（green bank telescope,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（Atacama large millimeter array,ALMA）的組成單元——12 m口徑天線，其表面精度高達0.01 mm。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計階段[5]。

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。工程中當天線溫度梯度較大或者風荷較強時，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?；谙嚓P(guān)研究現(xiàn)狀，概況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）人工智能應用；（viii）新的測量方案；（ix）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計。UAV：無人機；AI：人工智能。

（1）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科綜合設計水平。文獻[6]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)境因素的多學科集成設計和服役性能提升提供理論支撐。

（2）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。

（3）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)的碳纖維復合材料來制造天線以減小熱變形[7]。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)復合材料時的熱保型設計方法，研究不同熱膨脹系數(shù)組合材料的結(jié)構(gòu)設計問題[5,8]；

·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)修正相應仿真溫度，近似得到真實溫度場[9]。

（4）風擾控制。風擾動是引起天線指向誤差的重要環(huán)境因素，因風擾動的瞬態(tài)時變特性，導致經(jīng)過一系列計算后通過伺服系統(tǒng)開展風擾控制時的風場信息早已改變，即實時性難以實現(xiàn)。工程中實現(xiàn)風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場仿真模型，根據(jù)風場分布特征人為布設并優(yōu)化防風帶或者風能設備，以減小風到達天線時的能量或者直接改變風的方向[10]；

·研究天線伺服系統(tǒng)抗風擾控制策略，以達到風擾下穩(wěn)定指向的目的，可能的方法是利用距離天線較遠的關(guān)鍵位置的風場測量數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建天線遠區(qū)到近區(qū)的風場預測模型，預測風場到達天線附近時的狀態(tài)，從而為伺服系統(tǒng)調(diào)整量的計算和響應提供足夠的時間[11]。

（5）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[12]。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。

（6）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[6-7,13]，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。

（7）人工智能應用。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)，如風場數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、應變數(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智能補償，未來需要開展深入的研究?？赡艿膽糜袦囟群惋L場的智能預測、副面位置和姿態(tài)的智能自適應調(diào)控、各調(diào)整子系統(tǒng)調(diào)整量的權(quán)重自適應分配等，為大口徑反射面天線的智能化提供技術(shù)支撐。

（8）新的測量方案?，F(xiàn)有面形測量方法應用在反射面天線結(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)行任務過程中難以開展測量。工程中目前尚未完全實現(xiàn)復雜環(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。文獻[14]和[15]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。

（9）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計。開展天線創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計，打破現(xiàn)有的傳統(tǒng)設計框架，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。文獻[5]公開報道了一些新的天線結(jié)構(gòu)概念方案，通過設計穹頂罩子來減小風荷對天線的影響，通過類似“搖椅”的結(jié)構(gòu)設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，由于復雜環(huán)境因素對天線電性能的影響不可避免，導致天線服役性能的提升空間越來越小。因此，研究復雜環(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，圍繞提升天線服役性能目標，概況了九個關(guān)鍵的研究方向，希望讀者能夠借此在未來研究過程中激發(fā)新的研究思想。隨著我國嫦娥工程、天問工程、射電天文觀測等進一步實施，深空測控網(wǎng)將面臨著更遙遠的通信距離和更高的深空導航精度等新的挑戰(zhàn)，對大口徑天線的性能要求將會越來越高。因此，亟需開展上述九個方向的研究工作，為改善現(xiàn)有天線的服役性能和建造未來大口徑高精度天線提供技術(shù)支撐，將有效提升我國深空測控網(wǎng)的通信能力。

致謝

我們感謝所有相關(guān)研究人員在大型反射天線方面的工作。本研究由國家自然科學基金項目（51805399,51975447,52005377）、陜西高校青年創(chuàng)新團隊項目（201926）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（JB210404,JB210403）資助。