70m天线反射体与天线座的精确安装

张洁钰 贺新刚

摘 要：为实现70 m天线的高指向精度要求，本文从反射体与天线座的精确安装出发，讲述了其精确安装及调整的过程。首先，设计定位销工装组合保证反射体轴线与天线座方位轴同轴，设计支撑工装组合保证反射体吊装至天线座时有稳定的支撑面，进而保证反射体能精确的与天线座对接;然后，在现场安装时，利用激光跟踪仪依次采集已装好的反射体地面各连接面与定位销的坐标，依次在天线座上相应的位置恢复各连接点，使两者能相互匹配。最终，天线反射体在天线座上准确完成了安装，为以后更大口径天线反射体的安装提供了借鉴意义。

关键词：70 m天线;反射体;天线座;激光跟踪仪

中图分类号：P111.44     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）9-0038-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.007

Precise Installation of  70-Meter Antenna Reflector and Antenna

Pedestal

ZHANG Jieyu1，2    HE Xingang1，2

（1.The 39th Research Institute of China Electronics Technology Corporation， Xi'an 710065，China;

2. Shaanxi Key Laboratory of Antenna and Control Technology， Xi'an 710065，China）

Abstract： In order to meet the requirements of high pointing accuracy of 70m antenna， this paper describes the process of accurate installation and adjustment of reflector and antenna base. Firstly， design the tooling combination of the locating pin to ensure that the axis of the reflector is coaxial with the azimuth axis of the antenna base， and design the supporting tooling combination to ensure that there is astable support surface when the reflector is hoisted to the antenna base， so as to ensure the accurate docking of the reflector with the antenna base; Then， during on-site installation， use the laser tracker to collect the coordinates of the installed reflector ground connection surfaces and positioning pins in turn， and restore the connection points in the corresponding positions on the antenna base in order to make them match each other. Finally， the antenna reflector is accurately installed on the antenna base， which provides a reference for the installation of larger aperture antenna reflector in the future.

Keywords：70-meterantenna; reflector; antennapedestal; lasertracker

0 引言

指向精度是衡量大口径高频率天线性能的重要指標[1]，对于70 m天线，高72 m，重达2 700 t，结构尺寸大、重量重、结构变形难以控制，指向精度提高难度大[2][3]，其反射体与天线座的精确安装是影响指向精度重要的一环，必须严格保证。

对于小口径天线，提前在反射体与天线座对接处加工止口，通过止口精确安装;对于中口径天线，反射体安装过程中转动天线，利用磁力百分表进行调整;对于大口径天线，国外的轮轨式天线普遍采用“搭积木”的方式，定好定位基准后逐件进行安装[4-6]。对于70 m轮轨式天线，采用伞形支撑结构且反射体采用整体吊装，对于国内尚属首例，如何保证其精确安装，是现场必须解决的一个关键问题。笔者从70 m天线反射体与天线座的现场精确安装出发，介绍了现场行之有效的装配工艺和检测方法。

1 结构简介

1.1 总体结构

70 m天线由天线反射体与天线座两大部分组成，天线反射体由中心体、背架、面板、副面撑调机构等组成，天线座由俯仰架、座架、轮轨系统等组成，结构如图1所示。安装过程中，反射体先在地面拼装成整体，再将天线反射体整体吊装至天线座，反射体与天线座的安装即中心体与俯仰架的安装。

中心体与俯仰架的安装关系如图2所示，第1圈由俯仰架中央圆环和中心体16个中心筒进行连接，吊装过程中为主要的支撑点。

第4圈由俯仰架16根伞形支撑与中心体16个节点进行连接，伞形支撑底部连接于俯仰架配重筒，顶面对接16个中心体节点底面，可对中心体形成稳定的支撑。但由于安装阶段伞形支撑位置难以精确调整，调整不到位会影响反射体受力分布和主面精度，故选择后期进行安装。因此需提前根据中心体与俯仰架的结构特点在第2圈、第3圈处增加辅助支撑结构，保证中心体可以稳定支撑。

1.2 工装结构

1.2.1 定位销工装组合。反射体吊装至天线座时需保证反射体轴线与天线座的方位轴同轴，且在圆周方向上使反射体俯仰方向的上下左右与天线座的前后左右准确定位，基于此，设计了定位销工装组合，共4组。定位销工装组合设计时的间距应尽可能大，且便于调整，综合考虑将定位销工装组合布置在跨距近25 m的“十”字方向上。

定位销工装组合由定位销、定位销座组成，如图3所示。考虑到反射体的定位精度、允许的偏差以及仪器所采集的精度，设计时定位销与定位销座直径方向上留有3 mm间隙。

1.2.2 支撑工装组合。为保证中心体可以稳定支撑，根据安装关系及空间位置，在俯仰架“十”字、外框梁与中心体第3圈位置处可增加辅助支撑结构，设计了支撑工装组合，共12组，如图4所示。此处两者的强度经分析均满足支撑。

工装分两种，两者的顶面高度一致。在“十”字方向可借用产品结构利用支撑墩进行支撑，分4组，如图5（a）所示;外框梁位置需在梁上设计固定装置，再在其上安装支撑立柱，可增加8组，如图5（b）所示。

1.3 对接关系

综上所述，反射体安装时，具体对接关系如下：①中心体第1圈16个中心筒对接俯仰架中央圆环;②中心体第3圈12个节点对接俯仰架支撑工装组合，其中包括4个对接“十”字方向支撑墩、8个对接外框梁支撑立柱;③中心体第3圈4组定位销对接俯仰架定位销座;④中心体第4圈16个节点对接俯仰架伞形支撑。

2 反射体数据采集

激光跟踪仪具有高精度、高效率、实时跟踪测量、操作简便等特点，可以对空间的目标进行跟踪并实时测量其三维坐标，其单点的采集精度可以达到0.01 mm[7-8]。因此，为满足反射体与天线座的高精度安装要求，采用激光跟踪仪进行测量。

采集数据时需按统一方式对所采集的点进行编号，其中采集方向为逆时针，并一一对应。

2.1 反射体坐标系的建立

反射体的安装基准在中心体上法兰，需将上法兰的坐标系平移至底面。

将激光跟踪仪置于中心筒底部，靶球放置于中心体上法兰，采集多点坐标并拟合平面得到圆心，再将靶球移至地面，通过激光跟踪仪监测挪动靶球，将该拟合圆心引到地面作为地面仪器中心。同理，将上法兰原有的方向点引至地面作为方向点。将激光跟踪仪架设在地面仪器中心，建立坐标系：Z轴垂直于大地，X轴指向方向点。

2.2 定位销数据采集

定位销与定位销座无需准确的位置要求，只需根据定位销的位置去匹配定位销座即可。

定位销为圆柱结构，其坐标无法直接测量，可通过间接测量定位销的定位孔来代替。靶球放置于弯角件中心孔位置处，利用激光跟踪仪采集中心体定位销各点坐标[F定（xi，yi）]，[F定（xi，yi）]将4组数据记录于表1中。

2.3 支撑工装数据采集

2.3.1 第1圈中心筒。中心体中心筒由16个立柱法兰组成，将靶球放置于立柱法兰底面中心，利用激光跟踪仪采集中心体第1圈中心筒各点高度[F筒（zi）]，将16组数据记录于表2中。

2.3.2 第3圈节点。中心体第3圈共计16个节点，对接关系中需12个，需对12个节点进行编号，再进行数据采集。利用激光跟踪仪采集中心体第3圈节点各点高度[F撑（zi）]，将12组数据记录于表3中。

2.3.3 第4圈节点数据采集。中心体第4圈节点法兰呈椭圆形，靶球放置于节点法兰底面中心，利用激光跟踪仪采集中心体第4圈节点各点坐标[F伞（xi，yi）]，将16组数据记录于表4中。

3 天线座数据恢复

3.1 天线座坐标系的建立

激光跟踪仪置于俯仰架“十”字，将座架二层已有的中心引到俯仰架中心作为高空仪器中心。将激光跟踪仪架设在高空仪器中心，建立坐标系：Z轴垂直于大地，X轴指向天线座后方。

3.2 定位销座恢复

定位销座的坐标无法直接测量，通过间接测量定位销座堵盖的坐标来代替。初放定位销座于俯仰架，将定位销座堵盖卡进定位销座，靶球放置于定位销座堵盖中心孔位置处，利用激光跟踪仪采集俯仰架定位销座各点坐标[Z定（xi，yi）]，根据2.2中已采集的中心体定位销各点坐标[F定（xi，yi）]，调整定位销座的位置，并将最终的4组数据记录于表1中。4个定位销座组成菱形，根据坐标分别计算中心体与俯仰架上两条对角边与四条棱边的长度并做比较。

对于25 m的跨距，根据钢铁的线膨胀系数可得在温度变化1 ℃时，跨距变化0.3 mm，若温度变化10 ℃跨距则变化3 mm，已超出定位精度。而大量的数据采集难以在同时间段完成，且两者不在同一位置，一个在地面一个在空中，很难做到统一，数据的采集需待环境温度稳定时在最短时间内尽快完成。

该数据需经多次反复测量，吊装前再复核，确保吊装时定位销能准确落入定位销座。

3.3 支撑工装组合数据采集

3.3.1 中央圆环。中央圆环为铆焊件，顶面存在高度差，需采集中央圓环上与中心筒立柱法兰对应点处的高度。根据中心筒立柱法兰分布圆直径及数目，计算中心筒各点坐标[F筒（xi，yi）]。靶球放置在中央圆环顶面，根据对应坐标调整靶球的位置，利用激光跟踪仪采集对应各点高度[Z筒（zi）]，将16组数据记录在表2中。根据采集的数据计算各点高差，加工对应高差的垫板，在反射体吊装之前固定在中央圆环顶面，保证接触面的水平。

3.3.2 支撑工装组合。根据中心体第3圈节点分布圆直径及数目，计算出支撑各点坐标[F撑（xi，yi）]。靶球放置在支撑墩、支撑立柱相应的坐标点，采集支撑工装组合各点高度[Z撑（zi）]，将12组数据记录在表3中。待数据采集完，根据采集的数据计算各点高差，加工对应高差的垫板，在反射体吊装之前垫在支撑墩、支撑立柱顶面，以保证支撑受力均匀，防止变形，影响反射体精度。

3.4 伞形支撑的安装

3.4.1 伞形支撑数据采集。伞形支撑由16根19 m长圆管组成，是整个天线的安装难点。若选择在反射体吊装后装入，则无法吊装;若提前装入，则需降低高度，为便于调整设计成可伸缩式，避免与反射体提前“接触”和受力不均。

由于伞形支撑在空中，具体姿态无法调整，因此设计了套管堵盖，中心孔位置处放置靶球可以实时数据监测;同时设计了专用八字调整工装，连接到外框梁上，一方面用来调整伞形支撑具体姿态，另一方面用来固定伞形支撑，如图6所示。

根据中心体第4圈节点分布圆直径及数目，计算第4圈节点各点坐标[F伞（xi，yi，zi）]，靶球放置在套管堵盖中心孔，利用激光跟踪仪采集俯仰架伞型支撑各点坐标[Z伞（xi，yi，zi）]，由于吊装至一个低于理论位置50 mm的平面，所以先将理论值[F伞（xi，yi，zi）]转化成实测理论值[Z伞（xi，yi，zi）]，才能用来指导实测值[Z伞（xi，yi，zi）]。

首先，计算高差[ΔZi]，调整[Z伞（zi）]使[ΔZi]尽量保持在-50 mm左右。高差[ΔZi]见式（1）。

[ΔZi=Z伞zi−F伞zi]     （1）

其次，已知[Z]变化1对应[x]和[y]变化系数[kx]和[ky]，将理论值变为实测理论值，具体如式（2）。

[F伞́xi，yi=F伞xi+kx×ΔZi，yi+ky×ΔZi]

（2）

最后，计算[Z伞xi，yi−F伞́（xi，yi）]用来指导伞形支撑位置调整，并将最终的16组数据记录在表4中。

3.4.2 伞形支撑安装。待反射体吊装到位后，利用伸缩式的伞形支撑将各管升至中心体节点并与之对接，铆焊，伞形支撑完成安装。待伞形支撑安装后可以对反射体形成稳定的支撑结构，再将各支撑工装组合与定位销工装组合等辅助结构进行拆除，避免对整个天线形成额外负载。

4 结语

70 m反射体吊装时既要保证高空作业的安全，又要保证反射体与天线座的精確安装，笔者设计了定位和支撑工装。通过采集定位销坐标，并在俯仰架恢复定位销座位置，保证了对接时的定位;通过采集中心筒立柱法兰高度，并在俯仰架上采集中央圆环顶面高度，计算高差增加垫板，保证了对接时的第1圈支撑;通过采集中心体第3圈节点高度，并在俯仰架上采集支撑工装组合高度，计算高差增加垫板，保证了对接时的第3圈支撑;通过采集中心体第4圈节点坐标，并在俯仰架恢复伞型支撑位置，保证了对接时的第4圈支撑，最终顺利完成反射体的精确安装。

参考文献：

[1] GAWRONSKI W . Control and pointing challenges of antennas and telescopes[C]// American Control Conference. IEEE， 2005.

[2] 郭可敬，王博通，贺新刚.70 m天线反射体的安装与测量[J].电子机械工程，2021，37（2）：41-44.

[3] 贺新刚，张鲜波.大型天线的场地设计与吊装[J].电子机械工程，2020，36（2）：9-13.

[4] GAWRONSKI W . Modeling and Control of Antennas and Telescopes[M]. Springer US， 2008.

[5] 杜彪，伍洋，张一凡，等.大口径反射面天线技术综述[J].无线电通信技术，2016，42（1）：8.

[6] 吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[7] 陈亚峰.某轮轨天线座滚轮组的设计及测量[J].电子机械工程，2017，33（3）：12-15.

[8] 张春富，张军，唐文彦，等.激光跟踪仪在大尺寸工件几何参数测量中的应用[J].工具技术，2002，36（5）：3.