CN109800505B - 一种星载sar天线空间可展支撑结构装配精度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法，首先进行空间可展支撑结构等效转换，建立可展支撑结构几何精度预测模型，然后建立人工神经网络误差补偿模型，再建立组合预测模型，实现可展支撑结构杆件精准定量装调；本发明能够定量计算天线面板的偏摆角度偏差与位移偏差，为保障星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度，实现杆长精准调整提供了坚实的理论支撑。本发明中的装配精度预测方法不仅便于快速计算，还考虑了影响星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度的全误差源，所预测结果更加准确。

Description

一种星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法

技术领域

本发明涉及一种利用结构等效转换对空间可展支撑结构进行装配精度建模，并结合人工神经网络对影响该结构装配精度的非线性参数进行误差补偿的综合预测方法，包括空间可展支撑结构几何装配精度模型、人工神经网络补偿模型以及精度预测组合算法。

背景技术

由于运载火箭容积限制以及航天领域对空间天线性能要求的提高，大口径、高精度的空间可展机构一直是空间技术的研究热点。对于卫星天线来说，其装配精度很大程度上直接决定着工作性能。在实际工程中，由于受到杆件加工误差、杆件柔性、铰链安装位置误差、铰链间隙等影响，空间可展机构装配精度往往达不到设计要求。为此，工程人员经常在地面装配过程中对其支撑杆件进行尺寸调整。然而，由于不清楚误差源与装配精度之间的关系，航天企业目前采用“测量—调整—测量”的纯经验“盲调”模式。因此，从提高装配精度和实现定量装调的角度出发，一套行之有效的装配精度分析方法对于保障空间可展机构装配质量和提高卫星天线服役性能显得尤为重要。

目前国内关于这方面的技术与文献少之又少，针对空间可展支撑结构的装配误差模型更是鲜有耳闻，尚无成熟的方法分析该结构的装配精度，更缺少可用的技术指导该结构的装调。为此提出一种适合于星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法，从而解决由“盲调”所引起的装调周期冗长的工程顽疾。

发明内容

本发明的目的在于克服现有在星载SAR天线空间可展支撑结构装调过程中存在的由“盲调”所导致的装配周期过长的现状，提供一种能够实现在地面装配过程中精准预测天线面板装配精度的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法，具体步骤如下：

进行空间可展支撑结构等效转换——建立可展支撑结构几何精度预测模型——建立人工神经网络误差补偿模型——建立组合预测模型，实现可展支撑结构杆件精准定量装调；

具体步骤如下：

1.将空间可展支撑结构划分成两部分，进行结构等效转化，消除超静定结构中的过约束；

2.基于空间闭环矢量方程建立不含星体连接杆的装配误差模型，在此基础上叠加双杆件连接误差，得到含星体连接杆的几何装配精度模型；

3.构建特定的输入输出数据集，建立人工神经网络误差补偿模型；

4.确定所设计可展支撑结构的杆件参数、天线面板参数、铰链参数和装调参数，利用精度预测组合算法，计算天线面板的装配误差，实现可展支撑结构杆件精准装调。

所述的结构等效转换方法，将空间可展支撑结构划分成两部分，包括由外撑杆、中撑杆、内撑杆及天线面板所组成的不含星体连接杆的支撑结构，由星体连接杆与虚拟杆件，其简要表征不含星体连接杆的支撑结构，所组成的双杆件连接结构。

所述的可展支撑结构几何装配精度模型由并联结构模型与双杆件连接误差模型的线性叠加得到。

不含星体连接杆的装配误差模型不含星体连接杆的装配误差模型按6-SPS结构处理，其中S表示球铰副、P表示移动副，基于空间闭环矢量方程得到不含星体连接杆的支撑结构装配误差的正解方程。

星体连接杆与简要表征不含星体连接杆的支撑结构的虚拟杆件，所组成的结构按双杆件连接模型处理，基于摄动法计算误差传递矩阵，进而获得双杆件连接的装配误差模型。

所述的人工神经网络的误差补偿模型，以杆长误差和铰链安装位置误差为输入变量，以装配误差实际测量值与几何装配误差数学模型预测值的差值做输出变量。

所述的精度预测组合算法，依据实际工程中的杆长误差与铰链安装位置误差，先利用几何装配精度模型计算出装配误差ΔP，然后在此基础上运用训练好的人工神经网络得到装配误差的补偿值ΔP’，最后将二者加和ΔP+ΔP’得到最终更为准确的精度预测值。

本发明设计能够定量计算天线面板的偏摆角度偏差与位移偏差，为保障星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度，实现杆长精准调整提供了坚实的理论支撑。同时，本发明中的几何装配精度预测的数学模型不只适用于星载SAR天线空间可展支撑结构，对于其他航天领域的可展天线机构装配同样具有指导作用。此外，本发明中的装配精度预测方法不仅便于快速计算，还考虑了影响星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度的全误差源，所预测结果更加准确。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的流程；

图2是本发明的星载SAR天线空间可展支撑结构；

1是90°锁定铰链；2是内板；3是180°锁定铰链；4是外板；5是外撑杆；6是中撑杆；7是内撑杆；8是星体连接杆；

图3是本发明的可展支撑结构等效转化模型；

9是不含星体连接杆的支撑结构；10是虚拟杆件；11是双杆件连接结构；

图4是本发明的不含星体连接杆的支撑结构；

图5是本发明的双杆件连接结构；

图6是本发明的系数矩阵部分表达式计算原理图；

图7是本发明的人工神经网络模型；

图8是本发明的几何装配精度预测算法。

具体实施方式

本发明一种星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法，具体包括以下步骤：

(1)根据可展支撑结构实际工况，将载荷仓与内外天线面板视为刚体，进行结构等效转换，消除过约束；

(2)建立不含星体连接杆的支撑结构误差模型；

(3)计算双杆件连接装配位置误差，利用线性叠加获得含星体连接杆的支撑结构几何装配精度模型；

(4)根据同一构型的历史装调数据，创建以各支撑杆件长度误差、铰链安装位置误差为输入变量、以装配误差实测值与几何装配精度模型预测值的差值为输出变量的数据集。

(5)确定人工神经网络的结构与参数，训练并测试以得到满足要求的人工神经网络补偿模型；

(6)根据实际装配情况，确定装调参数，结合几何装配精度模型与人工神经网络补偿模型，计算天线面板装配精度，实现可展支撑结构杆件精准定量装调，保障装配精度与展开可靠性。

参照图1，本发明的实施步骤为：进行空间可展支撑结构等效转换——建立可展支撑结构几何精度模型——建立人工神经网络误差补偿模型——建立全误差源作用下的组合预测模型，实现可展支撑结构杆件精准定量装调。

具体实施方式如下：

(1)进行空间可展支撑结构等效转换

图2是星载SAR天线空间可展机构的展开构型，其主要由天线内板、天线外板、支撑杆件、90°锁定铰链和180°锁定铰链组成。天线内板通过两个90°锁定铰链与星体连接，天线外板通过两个180°锁定铰链与天线内板连接，天线内外板依靠支撑杆件增强与星体的连接刚度。根据自由度理论，空间可展机构的展开构型属于典型超静定结构。在不考虑变形的前提下，进行结构等效转换以消除过约束，且将空间可展机构分为图3所示的两部分。其中，第一部分由外撑杆、中撑杆、内撑杆及天线面板组成的不含星体连接杆的支撑结构；第二部分由星体连接杆与虚拟杆件(连接撑杆交汇中心O与90°锁定铰链几何对称中心B的假想杆件，其简要表征不含星体连接杆的支撑结构)组成的双杆件连接结构。

(2)建立不含星体连接杆的支撑结构误差模型

针对第一部分不含星体连接杆的支撑结构，将其视作6-SPS(S-球铰副，P-移动副)结构。如图4所示，在六杆交汇中心的位置O建立局部坐标系O₁-x₁-y₁-z₁，其x₁轴正向沿天线面板长度方向并远离星体，y₁轴正向沿天线面板宽度方向且竖直向下，z₁轴正向由右手法则确定。此外，在天线面板的几何中心A建立局部坐标系O₂-x₂-y₂-z₂，该坐标系与坐标系O₁-x₁-y₁-z₁平行。基于空间闭环矢量方程并微分，得到：

ΔL＝J_vΔV+J_bΔB (1)

式中，ΔL＝[Δl₁,Δl₂,Δl₃,Δl₄,Δl₅,Δl₆]^T，分别对应六杆的长度误差；ΔB＝[Δa₁,Δa₂,Δa₃,Δa₄,Δa₅,Δa₆]^T，分别为六个铰链的安装位置误差，有Δa_i＝[Δx_i,Δy_i,Δz_i]；ΔV＝[Δr,Δθ]^T,Δr、Δθ分别为天线板相对于坐标系O₁-x₁-y₁-z₁的位置误差、姿态误差；J_v、J_b为ΔV、ΔB相应的系数矩阵，其具体表达式如下：

从而，由公式(2)可得到不含星体连接杆的支撑结构装配误差的正解方程：

ΔV＝[J_v ^-1 J_v ^-1J_b][Δl ΔB]^T (3)

(3)建立双杆件连接误差模型

如图5所示，全局坐标系O_g-x-y-z的原点为两个90°锁定铰链理论安装位置的几何对称中心B，x轴正向沿天线面板长度方向并远离星体，y轴正向沿天线面板宽度方向且竖直向下，z轴正向根据右手法则确定。在全局坐标系O_g-x-y-z中，局部坐标系O₁-x₁-y₁-z₁坐标原点O(O₁)受星体连接杆影响，其名义位置与实际位置之间的装配误差为：

ΔO＝μ₁Δl+μ₂ΔB+μ₃ΔC (4)

式中，ΔO表示O点位置误差；Δl＝[Δl₀₂,Δl₀]^T，Δl₀₂、Δl₀分别为BO、CO的杆长误差；ΔB＝[Δz_B,Δx_B]^T，Δz_B、Δx_B分别表示B在全局坐标系下沿z轴、x轴的位置误差；与ΔB类似，ΔC＝[Δz_C,Δx_C]^T表示铰链C处的位置误差；μ₁、μ₂、μ₃分别为相应误差系数矩阵，通过构造与图6类似的原理结构图，求解如下：

式中，α、β、γ为名义尺寸下各铰接点所组成三角形的内角；ε为BC连线与Z轴负方向的夹角。

(4)建立含星体连接杆的装配误差模型

注意到ΔO只在x-z平面，不影响绕x方向和z方向的转动偏差，而所引起空间可展机构绕y轴的转动偏差为：

ξy＝||ΔO||/l₀₂ (6)

式中，||ΔO||表示误差矢量ΔO的范数。

利用线性叠加，综合公式(3)和(6)，从而得到考虑所有杆长误差与铰链安装位置误差的空间可展机构几何装配精度模型：

ΔP＝ΔV+[0 0 0 0 ξy 0]^T (7)

式中:ΔP＝[T_x,T_y,T_z,R_x,R_y,R_z]^T,其为空间可展机构在全局坐标系下的位姿误差。

(5)建立人工神经网络误差补偿模型

对于可展支撑结构，其天线面板的装配精度主要受杆长误差与铰链安装位置误差的影响，但也和铰链间隙、杆件柔性等因素相关。因此，以上述建立的可展支撑结构几何装配精度模型为重要参考，使用人工神经网络进行误差补偿。根据同一构型的历史装调数据，以杆长误差和铰链安装位置误差误差为输入变量，以天线面板的实际位姿误差与基于几何装配精度模型计算的位姿误差的差值为输出变量，训练并测试如图7所示的人工神经网络，获得满足要求的输入与输出之间的映射关系，即完成人工神经网络误差补偿模型的构建。

(6)建立精度预测组合算法

如图8所示，确定所设计可展支撑结构的杆件参数、天线面板参数、铰链参数和装调参数，结合步骤(4)所建立的几何装配精度模型与步骤(5)所训练的人工神经网络补偿模型，二者线性叠加，实现天线面板的精度预测。

Claims (1)

1.一种星载SAR天线空间可展支撑结构装配精度预测方法，其特征在于，按如下步骤进行：进行空间可展支撑结构等效转换——建立可展支撑结构几何精度预测模型——建立BP神经网络输出结果误差补偿模型——建立组合预测模型，实现可展支撑结构杆件精准定量装调；

具体步骤如下：

(1)将空间可展支撑结构划分成两部分，进行空间可展支撑结构等效转换，消除超静定结构中的过约束；

(2)基于空间闭环矢量方程建立不含星体连接杆的装配误差模型，在此基础上叠加双杆件连接误差，得到含星体连接杆的几何装配精度模型；

(3)构建特定的输入输出数据集，建立BP神经网络输出结果误差补偿模型；所述的BP神经网络输出结果误差补偿模型，以杆长误差和铰链安装位置误差为输入变量，以装配误差实际测量值与几何装配精度模型预测值的差值做输出变量；

(4)确定所设计可展支撑结构的杆件参数、天线面板参数、铰链参数和装调参数，利用精度预测组合算法，计算天线面板的装配误差，实现可展支撑结构杆件精准装调，所述的精度预测组合算法，依据实际工程中的杆长误差与铰链安装位置误差，先利用几何装配精度模型计算出装配误差ΔP，然后运用训练好的BP神经网络得到装配误差ΔP的输出结果补偿值ΔP’，最后将二者加和ΔP+ΔP’得到最终更为准确的精度预测值。

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