本發(fā)明涉及射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，具體涉及一種fast望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)索網(wǎng)反射面對(duì)星跟蹤分析方法。

背景技術(shù)：

1、fast的口徑達(dá)到了500米，是迄今為止世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度和分辨率遠(yuǎn)高于此前的任何射電望遠(yuǎn)鏡。如附圖1、圖2、圖3、圖4和附圖5所示，其反射面結(jié)構(gòu)由主索網(wǎng)、下拉索和周邊支撐結(jié)構(gòu)、背架結(jié)構(gòu)以及反射面板共同組成，主索網(wǎng)四周固定在支撐結(jié)構(gòu)上，在主索節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置下拉索，在下拉索下端設(shè)置促動(dòng)器，如附圖6所示，通過(guò)調(diào)節(jié)促動(dòng)器的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)反射面成形和變位。背架結(jié)構(gòu)通過(guò)角點(diǎn)與主索節(jié)點(diǎn)連接，反射面板鋪設(shè)在背架結(jié)構(gòu)上，如附圖7所示，fast在運(yùn)行過(guò)程中，照射范圍內(nèi)的索網(wǎng)反射面需要跟隨被觀測(cè)天體進(jìn)行變位調(diào)整到指定的工作拋物面，使天體發(fā)出的平行電磁波經(jīng)過(guò)反射面反射后聚焦于一點(diǎn)。

2、索網(wǎng)反射面的變位過(guò)程可分為對(duì)星和跟蹤兩個(gè)過(guò)程。對(duì)星過(guò)程為調(diào)節(jié)照射范圍內(nèi)的促動(dòng)器長(zhǎng)度，使得照射范圍內(nèi)的主索節(jié)點(diǎn)從基準(zhǔn)球面調(diào)整到指定拋物面位置，照射范圍外的主索節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定天體的觀測(cè)。跟蹤過(guò)程為跟隨天體的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)地將照射范圍內(nèi)的主索節(jié)點(diǎn)調(diào)整到指定拋物面位置，將照射范圍外的主索節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到基準(zhǔn)狀態(tài)。跟蹤過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度非常緩慢，工作拋物面在反射面上的移動(dòng)速度約為21.8mm/s，因此可將跟蹤過(guò)程看作一系列連續(xù)的對(duì)星過(guò)程。

3、fast索網(wǎng)反射面系統(tǒng)中主索和下拉索的數(shù)量眾多，反射面需要根據(jù)觀測(cè)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)變位調(diào)控，是一種復(fù)雜的大變形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，目前主要非線(xiàn)性有限元法尋找反射器的形式，進(jìn)而將望遠(yuǎn)鏡調(diào)整到相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)fast索網(wǎng)反射面的實(shí)時(shí)變位調(diào)控和精確跟蹤觀測(cè)。采用傳統(tǒng)非線(xiàn)性有限元方法在進(jìn)行反射面找形過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)剛度矩陣奇異以及迭代不收斂等問(wèn)題，影響到反射面精度。因此，為了保證fast在對(duì)各種方位天體進(jìn)行觀測(cè)時(shí)均具有可靠的反射面精度，亟需建立一種高效合理的主動(dòng)反射面對(duì)星跟蹤分析方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種fast望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)索網(wǎng)反射面對(duì)星跟蹤分析方法，以解決目前fast具有復(fù)雜的大變形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)有限元分析法進(jìn)行尋蹤時(shí)難以保障反射面精度的問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種fast望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)索網(wǎng)反射面對(duì)星跟蹤分析方法，包括以下步驟：

3、步驟1：建立fast索網(wǎng)反射面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力松弛法數(shù)值模型；

4、步驟2：設(shè)置主索節(jié)點(diǎn)到工作拋物面的距離預(yù)設(shè)閾值，動(dòng)力松弛法數(shù)值模型的迭代步長(zhǎng)h、虛擬阻尼、以及迭代收斂條件；

5、步驟3：識(shí)別獲取望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面的照射范圍內(nèi)的主索節(jié)點(diǎn)；

6、步驟4：計(jì)算主索點(diǎn)到工作拋物面的徑向距離；

7、步驟5：沿著徑向給照射范圍內(nèi)所有下拉索的下端點(diǎn)施加由基準(zhǔn)球面指向工作拋物面的強(qiáng)迫位移，位移大小為下拉索上端的主索節(jié)點(diǎn)到工作拋物面的距離；

8、步驟6：對(duì)索網(wǎng)反射面結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿(mǎn)足收斂條件，得到平衡態(tài)模型；所述迭代收斂條件包括粒子最大殘余力小于預(yù)設(shè)殘余力值；

9、步驟7：在平衡態(tài)模型的基礎(chǔ)上重復(fù)步驟3~步驟6，直至照射范圍內(nèi)平衡態(tài)模型所有主索節(jié)點(diǎn)到工作拋物面的距離小于設(shè)定的主索節(jié)點(diǎn)到工作拋物面的距離預(yù)設(shè)閾值，并計(jì)算促動(dòng)器需要調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度，完成主動(dòng)反射面的對(duì)星分析；

10、步驟8：重復(fù)步驟3~步驟7，對(duì)望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面跟蹤分析。

11、優(yōu)選的，所述步驟1具體包括：

12、步驟11：獲取索網(wǎng)反射面結(jié)構(gòu)布置信息、索網(wǎng)預(yù)應(yīng)力、主索材料特性、下拉索材料特性、背架質(zhì)量和面板質(zhì)量；

13、步驟12：將索網(wǎng)反射面結(jié)構(gòu)離散為若干有質(zhì)量的粒子和無(wú)質(zhì)量的索單元，索網(wǎng)、背架和反射面板的質(zhì)量均集中到粒子上；粒子i的質(zhì)量表示為：

14、，其中，、、分別表示索網(wǎng)、背架、反射面板分配給質(zhì)點(diǎn)i的質(zhì)量；

15、步驟13：將結(jié)構(gòu)自重分布到每個(gè)粒子上，粒子外力pi表示為：

16、，式中，g為重力加速度；

17、步驟14：將預(yù)應(yīng)力等出效應(yīng)施加給索單元，單元應(yīng)變表示為：

18、，式中，、分別表示單元j的初應(yīng)力和彈性模量；

19、步驟15：設(shè)置下拉索下端節(jié)點(diǎn)和主索網(wǎng)四周節(jié)點(diǎn)為固定點(diǎn)。

20、優(yōu)選的，所述索網(wǎng)反射面結(jié)構(gòu)布置信息包括拓?fù)潢P(guān)系和邊界條件。

21、優(yōu)選的，所述材料特性包括彈性模量、密度和截面積。

22、優(yōu)選的，所述步驟3具體包括：

23、步驟31：根據(jù)被觀測(cè)天體方位角，計(jì)算照射方向向量：

24、，式中，p、q分別表示照射方向與x、z軸的夾角；

25、步驟32：計(jì)算主索節(jié)點(diǎn)i到方向向量的距離，識(shí)別照射范圍內(nèi)主索節(jié)點(diǎn)：

26、

27、式中，、、分別表示節(jié)點(diǎn)i的空間位置坐標(biāo)，小于等于預(yù)設(shè)距離值時(shí)，節(jié)點(diǎn)i在工作拋物面內(nèi)。

28、優(yōu)選的，所述迭代收斂條件包括粒子殘余力小于預(yù)設(shè)殘余力值，所述步驟4具體包括：

29、步驟41：計(jì)算fast望遠(yuǎn)鏡工作拋物面方程：

30、，式中，、、分別表示工作拋物面對(duì)應(yīng)局部坐標(biāo)系下的空間位置；

31、步驟42：計(jì)算照射范圍內(nèi)所有主索節(jié)點(diǎn)到工作拋物面的徑向距離：

32、，式中，、、分別表示基準(zhǔn)球面上主索節(jié)點(diǎn)i到球心的距離、工作拋物面上主索節(jié)點(diǎn)i到球心的距離。

33、優(yōu)選的，所述步驟6具體包括：

34、步驟61：通過(guò)差分原理計(jì)算粒子位移，根據(jù)時(shí)刻的粒子位置,粒子外力,粒子內(nèi)力計(jì)算時(shí)刻的粒子位置,表示為：

35、，式中，，；

36、步驟62：根據(jù)單元長(zhǎng)度變化計(jì)算粒子內(nèi)力：

37、

38、式中，為與粒子i相連的索單元數(shù)量，為單元在時(shí)刻的內(nèi)力，、為第單元j的彈性模量和截面積，、為單元j在、時(shí)刻的長(zhǎng)度；

39、步驟63：將粒子外力和內(nèi)力疊加得到粒子的殘余力：

40、；

41、步驟64：判斷粒子的殘余力是否滿(mǎn)足收斂條件，若粒子殘余力滿(mǎn)足收斂條件，則獲得平衡靜態(tài)模型；否則，更新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、應(yīng)力和外力，并返回步驟1。

42、應(yīng)當(dāng)指出，本技術(shù)中的粒子是對(duì)于動(dòng)力松弛法數(shù)值模型（如計(jì)算位移、內(nèi)力、殘余力）中的叫法，而節(jié)點(diǎn)是在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的物理模型（計(jì)算徑向距離、促動(dòng)器長(zhǎng)度）中的叫法。粒子和節(jié)點(diǎn)實(shí)際上的對(duì)同一物體（索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）的不同表示方法。

43、本方案優(yōu)點(diǎn)：

44、1.本發(fā)明首次提出了fast望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面的對(duì)星和跟蹤過(guò)程中主索節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)變位原則；

45、2.本發(fā)明對(duì)對(duì)星和跟蹤的數(shù)值模擬過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)給照射范圍內(nèi)下拉索下端節(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)迫位移來(lái)模擬索網(wǎng)變位時(shí)的促動(dòng)器長(zhǎng)度變化，獲得更為準(zhǔn)確的促動(dòng)器需要調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度；

46、3.本發(fā)明創(chuàng)新地采用了動(dòng)力松弛法法進(jìn)行對(duì)星和跟蹤分析，將靜態(tài)問(wèn)題動(dòng)態(tài)化，通過(guò)迭代逐步調(diào)整粒子位移，能夠直接、有效地處理大尺度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形問(wèn)題，無(wú)需對(duì)剛度矩陣進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，極大地簡(jiǎn)化了非線(xiàn)性分析的復(fù)雜性，避免了傳統(tǒng)有限元在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析時(shí)存在的剛度矩陣奇異、迭代不收斂問(wèn)題。