程五四，陳帝江，張祥祥，李贊澄

數(shù)字孿生在雷達(dá)天線陣面裝配中的應(yīng)用

程五四1,2，陳帝江1,2，張祥祥1,2，李贊澄1,2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.合肥市雷達(dá)機(jī)電裝備先進(jìn)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230088）

針對(duì)數(shù)字孿生與雷達(dá)天線陣面裝配調(diào)控需求，開(kāi)展雷達(dá)天線陣面數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機(jī)電耦合機(jī)理及算法實(shí)現(xiàn)、天線陣面變形仿真與電性能仿真預(yù)測(cè)等研究，搭建測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)字孿生模型庫(kù)，開(kāi)發(fā)基于數(shù)字孿生的天線陣面裝配調(diào)控系統(tǒng)。在雷達(dá)天線陣面裝配調(diào)控過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)天線陣面精度測(cè)量、變形仿真與電性能仿真可視化、天線陣面變形精度以及電性能指標(biāo)調(diào)控策略，達(dá)到對(duì)天線陣面裝配精度進(jìn)行全方位的測(cè)量、跟蹤、分析、預(yù)測(cè)和控制的目的。

雷達(dá)天線陣面；數(shù)字孿生；精度測(cè)量；變形仿真

雷達(dá)天線是雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度探測(cè)的核心組件，一般在野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行裝配交付，制造資源匱乏、裝配周期長(zhǎng)，且風(fēng)載、溫度等工況復(fù)雜。隨著天線口徑的增大，在天線裝配過(guò)程中的測(cè)量調(diào)控方面存在以下難題：

（1）天線陣面精度難以保證，對(duì)快速構(gòu)建數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)的需求迫切，且在測(cè)量精度、效率、自動(dòng)化程度、測(cè)量穩(wěn)定性、測(cè)量置信度等方面都提出了更高的要求；

（2）傳統(tǒng)測(cè)量調(diào)控模式存在“測(cè)”與“調(diào)”過(guò)程脫節(jié)，缺乏基于測(cè)量數(shù)據(jù)的智能化“測(cè)”與“調(diào)”快速仿真驗(yàn)證手段；

（3）陣面精度與電性能指標(biāo)耦合關(guān)系復(fù)雜，缺少對(duì)陣面精度與電性能之間耦合規(guī)律以及調(diào)控策略的研究，無(wú)法在“機(jī)械精度保證”與“電性能調(diào)控”之間快速尋找最優(yōu)解。

實(shí)現(xiàn)天線陣面精度指標(biāo)要求、在裝配過(guò)程中保持精度水平、滿足電性能指標(biāo)，是雷達(dá)天線總裝過(guò)程中的首要任務(wù)和亟需解決的難題。

數(shù)字孿生作為充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，在各個(gè)領(lǐng)域逐步開(kāi)展研究，但存在產(chǎn)品生命周期各階段的應(yīng)用不全面的問(wèn)題，當(dāng)前較多集中在產(chǎn)品運(yùn)維和健康管理等方面，在雷達(dá)天線精密測(cè)量調(diào)控方面未見(jiàn)相應(yīng)研究。傳統(tǒng)測(cè)量限制了測(cè)量的范圍，并存在無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)；數(shù)字孿生借助傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可推測(cè)無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)。結(jié)合數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)和人工智能分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)去的故障復(fù)現(xiàn)、對(duì)現(xiàn)在的狀態(tài)評(píng)估，及對(duì)未來(lái)的故障預(yù)測(cè)與診斷。傳統(tǒng)天線測(cè)量調(diào)控模式存在“測(cè)”與“調(diào)”過(guò)程脫節(jié)，大量的時(shí)間耗費(fèi)在測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算處理、調(diào)控策略制定等方面，缺乏基于采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、智能化“測(cè)”與“調(diào)”快速驗(yàn)證可視化仿真分析環(huán)境，數(shù)字孿生技術(shù)正好提供了有效的解決途徑，但孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的大型天線測(cè)量調(diào)控技術(shù)研究較少，缺少成熟的技術(shù)應(yīng)用框架和途徑。對(duì)于如何獲取陣面變形的特征參量、分析和預(yù)測(cè)天線精度水平，以及如何實(shí)現(xiàn)天線自檢測(cè)、自診斷、自校正、自修復(fù)，數(shù)字孿生提供了解決問(wèn)題的有效手段。

綜上，開(kāi)展雷達(dá)天線陣面數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機(jī)電耦合機(jī)理及算法實(shí)現(xiàn)、天線陣面變形仿真與電性能仿真預(yù)測(cè)等研究，搭建測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)字孿生模型庫(kù)，開(kāi)發(fā)基于數(shù)字孿生的天線陣面裝配調(diào)控系統(tǒng)，為雷達(dá)天線的裝配精度測(cè)量、變形仿真和電性能仿真預(yù)測(cè)、調(diào)控策略的制定提供指導(dǎo)，對(duì)于提升天線裝配測(cè)量調(diào)控能力、縮短裝配測(cè)量調(diào)控周期、提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標(biāo)具有重要意義。

1 所用技術(shù)

1.1 測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)已在建筑、船舶、航空航天等領(lǐng)域開(kāi)展研究，但大部分研究集中在室內(nèi)外較佳測(cè)量環(huán)境下的靜態(tài)裝配精度控制方面，對(duì)于以電性能為主要指標(biāo)的天線裝配精度控制研究不足，尤其對(duì)大口徑天線在不同的風(fēng)載、溫度、酸鹽霧等復(fù)雜環(huán)境下，多測(cè)量系統(tǒng)組合的測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建方法研究較少。與其他武器裝備“成品出廠”的交付模式不同，大型雷達(dá)最后的制造過(guò)程是在現(xiàn)場(chǎng)野外實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，采用“搭積木”的方式，固定架設(shè)于崇山峻嶺、險(xiǎn)灘戈壁中，資源匱乏，制造周期長(zhǎng)，且風(fēng)載、溫度等工況復(fù)雜、天線總裝精度難以保證，對(duì)數(shù)字化測(cè)量要求更高，快速構(gòu)建數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)的需求迫切。

不同的測(cè)量設(shè)備不同數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)格式等不一樣。以基于模型的統(tǒng)一測(cè)量數(shù)據(jù)集表示與互操作為基礎(chǔ)，首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程的協(xié)同，主要包括測(cè)量系統(tǒng)的建模、仿真與布局優(yōu)化，測(cè)量過(guò)程規(guī)劃、仿真與優(yōu)化。其次，應(yīng)實(shí)現(xiàn)多測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)融合。多種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí)，共同構(gòu)建的數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)將產(chǎn)生多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，且在不穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)量時(shí)，易產(chǎn)生壞點(diǎn)、無(wú)效的數(shù)據(jù)。需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理和精簡(jiǎn)[1]。開(kāi)展測(cè)量數(shù)據(jù)采集、裝配精度評(píng)估，變形監(jiān)控、形成數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建系統(tǒng)功能模塊。針對(duì)測(cè)量精度要求，開(kāi)展組合測(cè)量方案、全局測(cè)量控制網(wǎng)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云處理、數(shù)據(jù)拼接、測(cè)量標(biāo)定、測(cè)量點(diǎn)設(shè)置等技術(shù)難題的研究，實(shí)現(xiàn)大型天線陣面變形在線檢測(cè)，裝配精度評(píng)估、變形監(jiān)控和補(bǔ)償調(diào)控，其技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

數(shù)字孿生是將物理空間中的物理實(shí)體通過(guò)同步虛實(shí)映射在信息空間進(jìn)行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執(zhí)行能力的虛擬模型[2]，對(duì)于質(zhì)量問(wèn)題追溯、孿生監(jiān)控和預(yù)測(cè)優(yōu)化有著重要的作用。

雷達(dá)天線陣面裝配過(guò)程中，數(shù)字孿生模型包括虛擬世界和物理世界的雷達(dá)天線陣面數(shù)字化描述，涵蓋幾何、物理、故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)、專家知識(shí)等多維信息的數(shù)字孿生模型。虛擬世界是在計(jì)算機(jī)世界中建立雷達(dá)天線陣面的三維模型，包括幾何模型、物理模型、規(guī)則模型以及行為模型。物理世界是對(duì)雷達(dá)天線陣面裝配精度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和傳輸?；诶走_(dá)天線陣面機(jī)械精度/電性能指標(biāo)參數(shù)的機(jī)電磁耦合理論，通過(guò)工程知識(shí)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)混合建模，定義數(shù)據(jù)處理、運(yùn)動(dòng)映射及接口，獲得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型。利用建立的耦合模型，通過(guò)數(shù)值仿真分析獲得天線陣面裝配精度對(duì)天線電性能的影響機(jī)理，通過(guò)分析饋電誤差和結(jié)構(gòu)誤差產(chǎn)生的天線口面幅相分布誤差和陣元陣中方向圖，建立耦合模型[3]，如圖2所示。依據(jù)天線測(cè)量精度仿真分析結(jié)果，對(duì)精度進(jìn)行補(bǔ)償控制。

圖1 測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建路線

圖2 機(jī)電磁耦合建模

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

理想的雷達(dá)天線數(shù)字孿生模型中的測(cè)量調(diào)控?cái)?shù)據(jù)分析應(yīng)以高質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為了有效集成測(cè)量調(diào)控?cái)?shù)據(jù)資源、拓展數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用、

構(gòu)建完備的雷達(dá)天線數(shù)字孿生模型，需要對(duì)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的預(yù)處理、傳遞、存儲(chǔ)進(jìn)行研究。對(duì)測(cè)量及采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理操作，保證為數(shù)據(jù)分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。雷達(dá)天線陣面裝配過(guò)程中構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。

測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)天線裝配過(guò)程的統(tǒng)一管理和統(tǒng)計(jì)，包括日期、地點(diǎn)、裝配精度等。從激光跟蹤儀、全站儀、攝影測(cè)量等測(cè)量場(chǎng)設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)信息融合傳輸和數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，其主要作用是通過(guò)對(duì)物理空間終端的數(shù)據(jù)獲取和保存，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際天線變形狀況的同步映射和監(jiān)控。測(cè)量數(shù)據(jù)的采集是根據(jù)設(shè)定的采集頻率，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，并附時(shí)間戳，以便實(shí)現(xiàn)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的追溯和管理。

仿真數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括雷達(dá)天線陣面結(jié)構(gòu)、零部件組成、調(diào)平機(jī)構(gòu)分布、基本技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)、變形閾值等；仿真及調(diào)控?cái)?shù)據(jù)包括機(jī)電磁耦合仿真算法知識(shí)庫(kù)，電性能指標(biāo)如增益、副瓣等，根據(jù)天線陣面實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，模擬不同裝配精度下天線陣面變形仿真，以及變形量對(duì)電性能指標(biāo)影響程度，為制定相應(yīng)的調(diào)控策略提供支撐。

1.4 變形仿真與電性能仿真預(yù)測(cè)

為保證天線電性能指標(biāo)，對(duì)天線陣面的安裝精度具有較高的要求，安裝精度直接影響天線的電性能實(shí)現(xiàn)情況。

首先需要研究結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)與電磁場(chǎng)之間的場(chǎng)耦合關(guān)系[4]，并結(jié)合典型復(fù)雜工作環(huán)境因素的分析，建立其耦合理論模型。在建立耦合理論模型的基礎(chǔ)上，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)電性能的影響機(jī)理。在裝配過(guò)程中對(duì)陣面安裝精度與電性能指標(biāo)要求之間尋求最優(yōu)解，一方面提高陣面的安裝精度和效率，另一方面滿足電性能指標(biāo)的調(diào)整優(yōu)化，并給出機(jī)械調(diào)整和電性能調(diào)整的不同策略。

在滿足陣面精度的要求下，多數(shù)采用電性能調(diào)整“軟補(bǔ)償”的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線電性能的調(diào)控。將天線變形仿真、電性能仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行可交互式展示，主要包括天線陣面精度變形誤差云圖、天線電性能計(jì)算，并繪制功率方向圖，查看實(shí)際方向圖的參數(shù)，包括增益損失、最大副瓣電平、波束指向、副瓣電平抬升以及波束偏差[5]。通過(guò)設(shè)置不同調(diào)控策略，對(duì)陣面結(jié)構(gòu)精度誤差影響下天線電性能指標(biāo)變化情況進(jìn)行分析、對(duì)比，評(píng)估天線電性能的惡化程度，如在方向圖上疊加不同調(diào)控策略的天線主瓣、副瓣電平的參數(shù)變化趨勢(shì)。

變形仿真及調(diào)控策略流程如圖3所示。

圖3 變形仿真及調(diào)控策略流程

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字孿生的天線陣面精度測(cè)量調(diào)控系統(tǒng)由天線陣面數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天線陣面調(diào)控平臺(tái)組成。天線陣面數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)及分析軟件，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天線虛擬調(diào)控平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)天線變形仿真可視化平臺(tái)、電性能仿真預(yù)測(cè)及調(diào)控策略研究等模塊。遵循天線陣面數(shù)據(jù)采集、清洗、融合、仿真、反饋、調(diào)試、再采集的循環(huán)過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)采集天線陣面數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)清洗、融合形成數(shù)字孿生模型，基于機(jī)電磁耦合機(jī)理、數(shù)據(jù)分析和挖掘，對(duì)陣面變形和電性能指標(biāo)進(jìn)行仿真，提出以電性能為調(diào)控目標(biāo)的機(jī)電融合調(diào)控策略，指導(dǎo)天線裝配過(guò)程中對(duì)陣面精度和電性能的不斷優(yōu)化調(diào)試。將實(shí)時(shí)陣面精度數(shù)據(jù)、歷史測(cè)量信息與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的天線精度動(dòng)態(tài)評(píng)估模型。根據(jù)歷史制造數(shù)據(jù)以及專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行訓(xùn)練、對(duì)比與評(píng)估，并依據(jù)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的偏差情況，對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行更新，以維持評(píng)估模型的有效性以及預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，孿生仿真、智能預(yù)警等提供可操作的功能模塊，天線裝配精度狀態(tài)與陣面位姿信息能夠被實(shí)時(shí)獲取與評(píng)估，為以電性能關(guān)鍵性能指標(biāo)為主的天線精度預(yù)測(cè)與調(diào)控決策提供全面的實(shí)時(shí)信息支撐。

2.1 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊

測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析模塊針對(duì)天線陣面裝配精度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得陣面平面度等精度指標(biāo)。包括以下內(nèi)容：

（1）數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的搭建

針對(duì)天線陣面特性，研究采用何種測(cè)量方式和數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，構(gòu)建數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)系統(tǒng)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，為測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建、基準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)、天線陣面裝配等提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多類型測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定、基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修正和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)求解等，參數(shù)設(shè)置包括單位、環(huán)境參數(shù)、靜態(tài)測(cè)量參數(shù)、連續(xù)測(cè)量參數(shù)、坐標(biāo)系類型、搜索參數(shù)、測(cè)量方式等。建立與數(shù)字化測(cè)量設(shè)備、測(cè)量數(shù)據(jù)處理和分析模塊之間的通信連接，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的傳遞，發(fā)送天線陣面測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息至測(cè)量數(shù)據(jù)處理和分析模塊。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和分析

實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字化測(cè)量設(shè)備采集的異構(gòu)多源數(shù)據(jù)處理和分析，主要包括與測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接和數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的快速計(jì)算和擬合分析，得到平面度、公差值等指標(biāo)。按照天線陣面調(diào)控平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)規(guī)范和格式，將測(cè)量數(shù)據(jù)保存至測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，以便天線陣面調(diào)控平臺(tái)實(shí)時(shí)讀取。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天線陣面調(diào)控平臺(tái)

通過(guò)數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，在數(shù)字孿生空間中擬合真實(shí)的天線陣面精度變化情況，與天線陣面設(shè)計(jì)理論值進(jìn)行比對(duì)，得到全部陣面中需調(diào)整的區(qū)位，并基于測(cè)量比對(duì)結(jié)果和耦合規(guī)律，制定機(jī)械和電性能調(diào)控策略。信息空間與物理空間的交互和共融是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題[6]。數(shù)字孿生本質(zhì)上是物理對(duì)象的仿真模型，該模型可通過(guò)接收來(lái)自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)演化，從而與物理對(duì)象在全生命周期保持一致[7]，在仿真運(yùn)行過(guò)程中融合實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)[8]。融合數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)、天線骨架、安裝調(diào)整基座、天線陣面模塊、吊裝設(shè)備等，構(gòu)建反映天線陣面實(shí)際裝配與測(cè)量行為的數(shù)字孿生模型，獲取天線陣面精度測(cè)量數(shù)據(jù)和安裝基座位置數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)和呈現(xiàn)，全方位展示天線陣面總裝工藝過(guò)程，滿足變形測(cè)量、預(yù)測(cè)仿真和測(cè)量調(diào)控等需求，融合多誤差源進(jìn)行裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，推動(dòng)裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)跟蹤控制發(fā)展[9]。構(gòu)建以電性能為目標(biāo)、機(jī)電磁耦合的數(shù)字孿生模型，形成數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線陣面變形、電性能指標(biāo)的仿真結(jié)果展示，包括以下內(nèi)容：

（1）面向機(jī)械/電性能的機(jī)電磁耦合算法開(kāi)發(fā)

研究服役載荷引起的天線陣面結(jié)構(gòu)變形對(duì)天線電性能的耦合關(guān)系，建立溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和電磁場(chǎng)之間的多物理場(chǎng)耦合模型；根據(jù)工程中已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、制造誤差和服役載荷知識(shí)（包括人工經(jīng)驗(yàn)、制造公差范圍、實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)），基于概率區(qū)間的知識(shí)描述方法；結(jié)合場(chǎng)耦合理論模型和知識(shí)描述，建立集成知識(shí)的天線陣面機(jī)電磁耦合模型。利用耦合模型的數(shù)值分析，揭示陣面結(jié)構(gòu)因素（包括陣面結(jié)構(gòu)變形、陣面溫度以及裝配誤差等）對(duì)電性能影響的機(jī)理，以及仿真算法開(kāi)發(fā)。

（2）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天線陣面變形仿真

構(gòu)建基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，兼容多種測(cè)量設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)對(duì)物理終端的數(shù)據(jù)覆蓋，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)完成對(duì)實(shí)體空間的鏡像，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型更新，完成虛實(shí)映射[10]，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字空間內(nèi)對(duì)天線陣面形位的監(jiān)控、在線比對(duì)、分析評(píng)估、策略生成等功能。實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)、超過(guò)結(jié)構(gòu)變形閾值警告等功能，以及云圖、報(bào)表等可視化顯示形式等。實(shí)現(xiàn)電性能仿真結(jié)果的可視化，包括方向圖、參數(shù)性能指標(biāo)等參數(shù)的可視化顯示。

（3）陣面精度影響下的電性能仿真預(yù)測(cè)及調(diào)控策略制定

根據(jù)天線陣面裝配過(guò)程中的陣面變形測(cè)量、評(píng)估、分析結(jié)果，耦合電磁調(diào)整規(guī)律，制定陣面六自由度的機(jī)械形位補(bǔ)償調(diào)控策略，可以有效改變陣面形貌。而對(duì)于難以通過(guò)機(jī)械形位改變進(jìn)行調(diào)控的陣面區(qū)域，可以采用電性能補(bǔ)償?shù)姆椒?。通過(guò)研究區(qū)域形位變形和電性能補(bǔ)償之間的映射關(guān)系，基于測(cè)量分析結(jié)果反向推導(dǎo)電性能補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“軟”補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)基于仿真結(jié)果的調(diào)控策略制定等功能，包括對(duì)結(jié)構(gòu)變形的調(diào)整以及電性能參數(shù)補(bǔ)償兩種方式，并有補(bǔ)償前后調(diào)控結(jié)果的仿真展示。

3 結(jié)論

通過(guò)雷達(dá)天線陣面數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)構(gòu)建、天線陣面數(shù)字孿生模型構(gòu)建、天線陣面變形仿真與電性能仿真預(yù)測(cè)等技術(shù)研究，并開(kāi)發(fā)基于數(shù)字孿生的天線裝配調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)天線裝配調(diào)控過(guò)程中，對(duì)天線陣面進(jìn)行變形測(cè)量與仿真、電性能仿真預(yù)測(cè)、天線陣面變形精度以及電性能指標(biāo)調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線裝配過(guò)程進(jìn)行全方位的測(cè)量、跟蹤、分析、預(yù)測(cè)和控制，對(duì)于提升天線裝配測(cè)量調(diào)控能力、縮短裝配測(cè)量調(diào)控周期、提高天線陣面精度裝配質(zhì)量和電性能指標(biāo)具有重要意義。

[1]田永占. 工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相控陣天線姿態(tài)的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理[D]. 阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[2]楊斌，張根保，庾輝，等. 基于數(shù)字孿生的機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)性能調(diào)控方法[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（6）：1591-1599.

[3]孫軼. 面向機(jī)電熱耦合的陣列天線電性能快速評(píng)價(jià)軟件工具研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2015.

[4]周云宵. 面向機(jī)電耦合的有源相控陣天線電性能計(jì)算、補(bǔ)償和集成設(shè)計(jì)軟件[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[5]余濤. 面向結(jié)構(gòu)誤差的有源相控陣天線電性能補(bǔ)償方法[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[6]羅少康，滕文琪. 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2021，48（3）：53-58.

[7]陶飛，劉蔚然，張萌，等. 數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：5-22.

[8]王鵬，楊妹，祝建成，等. 面向數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模與仿真方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2020，42（12）：2779-2786.

[9]肖慶東，張學(xué)睿，郭飛燕，等. 飛機(jī)裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 航空制造技術(shù)，2021，64（20）：22-35.

[10]張入元，武殿梁，黃順舟. 基于數(shù)字孿生的總裝對(duì)接在線監(jiān)控技術(shù)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2021（11）：109-113.

Application of Digital Twin in Radar Antenna Array Assembly

CHENG Wusi1,2，CHEN Dijiang1,2，ZHANG Xiangxiang1,2，LI Zancheng1,2

(1.NO.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China; 2. Hefei Research Center of Advanced Design Engineering Technology for Radar Mechanical and Electrical Equipment, Hefei 230088, China)

For digital twin front assembly with radar antenna control demand, carry out radar antenna array to build the digital measurement fields, antenna array digital twin model building, mechanical and electrical coupling mechanism and algorithm implementation and simulation of deformation of antenna array surface and electric performance simulation prediction research, structures, measuring twin model database and digital library, the development is based on the number of twin assembly control system of antenna array, In the process of radar antenna array assembly regulation, the antenna array accuracy measurement, deformation simulation and electrical performance simulation visualization, antenna array deformation accuracy and electrical performance index regulation strategy are realized, and the antenna array assembly accuracy is fully measured, tracked, analyzed, predicted and controlled.

radar antenna array；digital twin；precision measurement；deformation simulation

TP391；TN95

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.002

1006-0316 (2022) 07-0008-06

2021-12-03

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（JCKY2020210C005）

程五四（1985－），男，安徽桐城人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、數(shù)字化工廠，E-mail：chengwusi@163.com。