CN104218301B - 3-upu二转一移型并联机构天线结构系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3‑UPU二转一移型并联机构天线结构系统，它由一个天线反射体和一个天线座构成，天线座是三个伺服电机或液压油缸分别驱动三个直线伸缩驱动装置，该三个直线伸缩驱动装置的上、下端均选用万向铰分别与上、下平台连接，上、下平台为等边三角形平行且位置一致，其两端的两个万向铰的转轴各自正交，且三个直线伸缩驱动装置分别连接于两等边三角形的顶角，连接下平台的3个万向铰转动轴构成“共面共点”，而连接上平台的3个万向铰转动轴构成“共点不共面”的几何特征，构成基于3‑UPU二转一移型并联机构天线结构系统。本发明解决了天线“过顶”连续跟踪的技术难题，实现半球空域连续跟踪。

Description

3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统

所属技术领域

本发明涉及一种基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统。用于航天遥感、卫星“三遥”技术(遥感、遥测、遥控技术)及卫星通信的天线结构系统。天线结构系统与伺服控制系统、馈源馈线系统(简称：天、伺、馈)组成天线系统，实现遥感、遥测和遥控信息获取和指令，实现卫星通信信息传递和处理。尤其是能够获取卫星、运载火箭等飞行器有效空域的遥测信号和数据，实现无过顶“盲区”的连续跟踪卫星运载火箭等飞行器，圆满解决天线半球工作空域内的连续跟踪，即在方位：0°～360°，俯仰：-90°＜俯仰角＜90°(假设天线垂直水平面朝天指向为俯仰角0°位置)工作空域的连续跟踪。本发明技术方案属于机电一体化技术领域。

背景技术

天线反射体部分一般有：主反射器面板、背架结构、中心体、平衡重结构，副反射器和调焦装置及其支撑结构或前馈支撑结构组成；天线座部分一般有：天线座支撑结构、驱动轴系及传动装置、馈线和线缆缠绕装置、数据检测传递装置和安全保护装置组成。天线反射体和天线座两个分系统构成天线结构系统。

目前，世界上公知的航天遥感、卫星“三遥”技术(遥感、遥测、遥控技术)所采用经典的俯仰-方位型(EL-AZ型)天线，俯仰-方位型天线在天线天顶位置存在着一个无法“过顶”连续跟踪的“盲锥”区域，盲锥区域的大小(即盲锥的锥顶角)取决于天线与飞行器的距离和飞行器水平飞行速度。对低轨遥感天线至今尚未圆满解决“过顶”连续跟踪的问题。先引入一个天线跟踪“盲锥区”的概念，经典的俯仰-方位型天线座在跟踪目标时，天线方位角速度：β＝V/(R*cosε)(式中：V为目标飞行的水平速度；R为天线到目标的直线距离；ε为天线仰角；β为天线方位角速度)，当目标从天线天顶附近通过时，仰角ε→90°，cosε→0，β→∞。但电机驱动功率是有限的，天线转动的角速度也是有限的，在一定的驱动功率下，天线只能跟踪某一仰角以下的目标，在俯仰-方位型天线天顶附近存在无法连续跟踪的“盲锥区”。

目前，工程实际中俯仰-方位型(EL-AZ型)天线在天线天顶位置存在着一个无法“过顶”连续跟踪的“盲锥”区域，无法采用经典的俯仰-方位型天线实现在天线天顶位置“过顶”连续跟踪。只能选择避开卫星运行轨道经过天线天顶跟踪盲区的位置建造卫星地面站天线。

传统经典的遥感遥测低轨卫星天线设计选用俯仰-方位型(EL-AZ型)天线座，其存在过顶“盲锥区”，俯仰-方位型天线无法在卫星过顶“盲锥区”空域连续跟踪卫星，实现信号不间断连续工作的需求。

发明内容

本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种并联机构天线结构系统，实现无过顶“盲区”的连续跟踪天线系统，圆满解决天线工作空域“过顶”连续跟踪，实现卫星信号和数据不间断连续工作的需求。由于求解并联机构的运动方程反解便捷容易，易于实现伺服控制。

为了达到上述目的，本发明的构思是：利用并联机构具有刚度大、精度高、速度快、承载能力大、结构简单、重量轻和控制便捷等独特优点，而且并联机构的运动方程反解求解便捷容易，易于实现伺服控制。应用于遥感遥测低轨卫星天线的设计，充分发挥了并联机构的特点。采用3-UPU型并联机构作为天线座，采用空间三套直线伸缩驱动装置联结上、下两个平台三套直线伸缩驱动装置(移动副)上端、下端分别通过万向铰(U)与上、下平台连接，连接下平台的3个万向铰(U)转动轴线构成“共面共点”几何特征，连接上平台的3个万向铰(U)转动轴线构成“共点不共面”几何特征，构成3-UPU二转一移型并联机构，实现3-UPU型并联机构天线座。上平台上面通过法兰接口与各种形式的天线反射体联结，下平台与地基固定，也可以与其他载体机架(如：车辆、舰船和飞行器等骨架)联结构成机动天线系统。

本发明的3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统的有效工作范围(天线俯仰角度的范围)由上、下平台尺寸(上、下平台等边三角形外接圆半径比)、移动副杆长和万向铰(U)的最大转角决定。三个直线伸缩驱动装置(P)的结构和尺寸一致，呈相隔120°对称布置；每一直线伸缩驱动装置连接的万向铰(U)的两个转轴轴线相互正交；连接下平台等边三角形角点的3个万向铰(U)转轴轴线均平行于下平台平面，且汇交于上、下平台中心连线上一点，构成该3根转轴轴线共面且汇交两平台中心线上一点的几何关系(共面共点)；连接上平台等边三角形角点的3个万向铰(U)转轴轴线汇交于上、下平台中心连线上一点(共点不共面)，该空间的几何构成决定本发明3-UPU型并联机构具有二转一移(2个转动、1个移动)3个自由度的空间并联机构。

通过对3-UPU型并联机构的空间机构分析、构型综合和理论推导，合理选取三套直线驱动装置的杆长、伸缩长度、空间角度和上、下平台尺寸以及万向铰(U)最大转角，实现天线工作空域达到方位：0°～360°，俯仰：-90°＜俯仰角＜90°，假设天线朝天指向为俯仰为0°位置的工作空域内运动位置无奇异位形问题，实现航天遥感、遥测和遥控天线在工作空域连续跟踪的天线结构系统。该发明与相应的馈源系统和伺服控制系统构成的天线系统，实现卫星、运载火箭等飞行器有效空域的遥测信号和数据，圆满解决过顶跟踪“盲区”问题，实现工作空域无跟踪盲区的一种二转一移型(2个转动，1个移动)3个自由度的天线系统。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，由一个天线反射体(5)联结一个天线座(6)构成，其特征在于：所述天线座(6)包括：上平台(11)、下平台(14)和三个相同的支链，上平台Δabc和下平台ΔABC均为等边三角形，上、下两等边三角形位置一致，且相互平行安装，所述每个支链包括：一个伺服电机(13)及其驱动的直线伸缩驱动装置(12)，该直线伸缩驱动装置(12)的上端与上平台(11)下端通过万向铰U相连，其下端与下平台(14)上端也通过万向铰U相连，3个支链的结构和尺寸均相同，呈相隔120°对称布置，三个支链与上平台下端连接的万向铰中心构成等边三角形Δdef，与下平台上端连接的万向铰中心构成等边三角形ΔDEF，每一支链与直线伸缩驱动装置(12)两端相连的两个万向铰U的两个转轴轴线相互正交，连接ΔDEF角点的3个万向铰U的转轴轴线均平行于ΔDEF平面，且汇交于Δdef和ΔDEF两等边三角形中心连线上一点O，构成该3根转轴轴线共面的几何关系，即连接下平台的3个万向铰U的轴线构成“共面共点”几何特征，连接Δdef角点的3个万向铰U的转轴轴线汇交于Δdef和ΔDEF两等边三角形中心连线上一点o，即连接上平台的3个万向铰(U)的轴线构成“共点不共面”几何特征，该天线座的空间几何构成决定该天线座具有二转一移3个自由度的空间并联机构。

上述的基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，经分析和计算，获得一组机构结构参数和空间几何关系，使得该基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统能够实现天线工作空域达到方位：0°～360°，俯仰：-90°＜俯仰角＜90°的工作空域(假设天线垂直水平面朝天指向为俯仰角0°位置)，可实现有效工作空域内无盲区连续跟踪的天线结构系统。

上述的三个直线伸缩驱动装置(12)的上端通过万向铰U与所述上平台11下底面的一个凸块铰连，其下端分别通过另一个万向铰U与所述下平台(14)上表面相应的一个凸块连接。

上述的上平台与天线反射体固定连接，所述的下平台与地基机架或天线载体机架连接。

上述的天线反射体的结构是：一个中心体外围有背架结构，背架结构上表面铺设主反射器面板，中心体通过一个支撑结构安装副反射器。

本发明的有益效果是：可以圆满地解决经典的俯仰-方位型(EL-AZ型)天线在天线过天顶“盲锥区”空域连续跟踪卫星问题，实现航天遥感、卫星遥感遥测信号和卫星通信信号和信息不间断连续工作的需求。而且同样口径、技术指标的天线，本发明天线结构系统的重量明显低于经典的俯仰-方位型(EL-AZ型)天线重量，尤其在大口径天线时更加明显，仅为俯仰-方位型(EL-AZ型)天线重量的40％～60％，大大节省了生产成本。

附图说明

图1：是本发明的3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统的结构框图。

图2：是本发明的3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统的结构示意图。

图3：是图2所示3-UPU二转一移型天线俯仰角为E的姿态示意图(假设天线垂直水平面朝天指向为俯仰角0°位置)。

图4：是本发明3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统的天线反射体的示意图。

图5：是图4的俯视图。

图6：是本发明3-UPU二转一移型并联机构天线结构系统的天线座的结构示意图。

图7：是图6的剖视图(俯视)。

图8：是图6的剖视图(仰视)。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

在图1示出本发明天线系统(1)是由天线结构系统(2)与相应的馈源系统(3)、伺服控制系统(4)及其相应配套的电子设备共同组成，实现自动跟踪卫星和飞行器，完成卫星或飞行器信号和数据传递、分析和处理。

参见图2和图3，本并联机构天线结构系统由天线反射体(5)和天线座(6)组成。

参见图4和图5，本天线结构系统天线反射体(5)由副反射器(前馈无副反射器，仅后馈型式有副反射器)及其支撑结构(7)、主反射器面板(8)、背架结构(9)和中心体(10)组成。

参见图6、图7和图8，本天线结构系统的天线座(6)由上平台(11)、三套直线伸缩驱动装置(12)及其伺服电机(13)、下平台(14)和地基机架(15)组成。伺服控制系统根据跟踪要求指令伺服电机(13)驱动空间三套直线伸缩驱动装置(12)，以驱动上平台(11)实现天线反射体指向所需跟踪的卫星或飞行器，由馈源系统实现信号、信息交换或接收。

上述的直线伸缩驱动装置(12)及其伺服电机(13)可以是螺旋传动(如：丝杠螺母传动机构)，其螺母由伺服电机直接驱动或者通过传动装置驱动其旋转，从而使螺杆直线移动；也可以是伺服电机直接驱动或者通过传动装置驱动一个油泵提供动力油，由动力油驱动油缸使活塞杆作直线移动。

Claims (5)

1.一种基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，由一个天线反射体(5)联结一个天线座(6)构成，其特征在于：所述天线座(6)包括：上平台(11)、下平台(14)和三个相同的支链，上平台和下平台分别为等边三角形△abc、等边三角形△ABC，上、下两等边三角形位置一致，且相互平行安装，所述每个支链包括：一个伺服电机(13)及其驱动的直线伸缩驱动装置(12)，该直线伸缩驱动装置(12)的上端与上平台(11)下端通过万向铰U相连，其下端与下平台(14)上端也通过万向铰U相连，3个支链的结构和尺寸均相同，呈相隔120°对称布置，三个支链与上平台下端连接的万向铰中心构成等边三角形△def，与下平台上端连接的万向铰中心构成等边三角形△DEF，每一支链与直线伸缩驱动装置(12)两端相连的两个万向铰U的两个转轴轴线相互正交，连接△DEF角点的3个万向铰U的转轴轴线均平行于△DEF平面，且汇交于△def和△DEF两等边三角形中心连线上一点O，构成3个万向铰U的转轴轴线共面的几何关系，即连接下平台的3个万向铰U的轴线构成“共面共点”几何特征，连接△def角点的3个万向铰U的转轴轴线汇交于△def和△DEF两等边三角形中心连线上一点o，即连接上平台的3个万向铰(U)的轴线构成“共点不共面”几何特征，该天线座的空间几何构成决定该天线座具有二转一移3个自由度的空间并联机构。

2.根据权利要求1所述的基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，其特征在于：经分析和计算，获得一组机构结构参数和空间几何关系，使得该天线结构系统能够实现天线工作空域达到方位：0°～360°，俯仰：-90°＜俯仰角＜90°的工作空域，可实现工作空域内无盲区连续跟踪的天线结构系统，其中，将天线垂直水平面朝天指向定义为俯仰角0°位置。

3.根据权利要求1所述的基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，其特征在于：三个直线伸缩驱动装置(12)的上端通过万向铰U与所述上平台11下底面的一个凸块铰连，其下端分别通过另一个万向铰U与所述下平台(14)上表面相应的一个凸块连接。

4.根据权利要求1所述的基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，其特征在于：所述上平台(11)与天线反射体(5)固定连接，所述下平台(14)与地基机架(15)或天线载体机架连接。

5.根据权利要求1所述的基于3-UPU二转一移型并联机构的天线结构系统，其特征在于：所述天线反射体(5)的结构是：一个中心体(10)外围有背架结构(9)，背架结构(9)上表面铺设主反射器面板(8)，中心体(10)通过一个支撑结构安装副反射器(7)。