数字工程 | 西电李团结教授团队：基于数字孪生技术的网状天线实验样机

Experimental prototype of mesh antenna based on digital twin technology

Xifan Xu ¹, Tuanjie Li ^{1 2}, Xiang Xu ¹

1 School of Mechano-Electronic Engineering, Xidian University, Xi'an, 710071, China

2 Hangzhou Institute of Technology, Xidian University, Hangzhou, 311231, China

Abstract

The ring mesh antenna plays an important role in the field of aerospace communication owing to its excellent performance characteristics, but faces the challenge of decreasing profile accuracy due to environmental and structural failures during in-orbit operation. Digital twin, a promising technology, can effectively monitor and adjust the antenna surface accuracy. In other words, by creating a digital model of the physical entity, real-time monitoring and adjustment can be made to maintain the electrical performance of the antenna. In this paper, a digital twin system for an experimental prototype of a ring mesh antenna is proposed. Firstly, we introduce the preliminaries of digital twin technology. Secondly, we propose a system framework based on a five-dimensional digital twin model. Then, a digitization software and a visualization interface are developed. Finally, according to efficiency analysis and simulation results, the feasibility of the system was verified. We demonstrate its effectiveness in terms of real-time monitoring and automatic mesh adjustment functions, and significantly improve the efficiency of the adjustment process. It provides a reference with significant value for the application of digital twin technology in the field of aerospace communication, which significantly advances the development of this field.

Keywords

Digital twin technology, Ring mesh antenna, Real-time monitoring, Data visualization

Fig. 4. Five-dimensional DT model of mesh antenna experimental prototype

Fig. 7. Main data line of DT system

Fig. 10. DT display interface

Fig. 12. Diagram of Physical Entity of antenna

摘要

环形网状天线凭借其卓越的性能特性，在航空航天通信领域发挥着重要作用，但在轨运行过程中却面临着因结构误差和空间环境变化导致的形面精度下降的挑战。数字孪生作为一项前景广阔的技术，能够有效监测并调整天线表面精度。换言之，通过为物理实体创建数字模型，可实现实时监测与调整，从而保持天线的电磁性能。

本文针对环形网状天线实验样机，提出了一种数字孪生系统。首先，介绍了数字孪生技术的基础知识。其次，基于五维数字孪生模型，提出了一个系统框架。随后，开发了数字化软件和可视化界面。最后，根据效率分析和仿真结果，验证了该系统的可行性。本系统在实时监测和自动网面调整功能方面展现出显著成效，大幅提升了调整过程的效率。这为数字孪生技术在航空航天通信领域的应用提供了具有重要价值的参考，极大地推动了该领域的发展。

数字孪生技术；环形网状天线；实时监控；数据可视化

研究背景：

1. 环形网状天线的重要性： 环形网状天线在航天通信领域因其卓越的性能特点而扮演着重要角色，但在轨运行期间由于结构误差和空间环境变化导致的形面精度下降是其面临的挑战。

2. 数字孪生技术的应用： 数字孪生技术能够有效监控和调整天线形面精度，通过创建物理实体的数字模型，实现对天线的实时监控和调整，以维持其电磁性能。

研究方法：

1. 数字孪生系统框架： 提出了基于五维数字孪生模型的环形网状天线实验样机的数字孪生系统框架，包括物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接交互和应用服务五个模块。

2. 系统实现：开发了数字化软件和可视化界面，通过效率分析和模拟结果验证了系统的可行性，并展示了其在实时监控和自动网面调整功能方面的有效性。

实验设计：

1. 实验步骤：包括构建数字孪生系统、粘贴摄影测量靶点、安装调整装置、构建软件和可视化界面、对齐数字实体和物理实体、执行自动调整等步骤。

2. 实验验证： 通过实验验证了数字孪生技术在环形网状天线实验样机中的应用，实现了天线网面调整过程的自动化和网面全状态的实时监控。

结果分析：

1. 调整过程的影响： 实验结果表明，调整过程对调整索的张力有显著影响，表面精度是评估网状性能的关键参数。

2. 表面精度的变化：经过一系列调整后，形面精度的均方根（RMS）从3.6933毫米降低到1.0663毫米，调整后的网状形面误差云图与调整前相比有明显改善。

3. 系统验证： 实验验证了所提出的数字孪生系统能够有效实现实时监控和自动网面调整功能，证明了数字孪生技术在航天通信天线领域的工程应用价值。

研究结论：

本文提出的数字孪生系统为环形网状天线实验样机提供了新的技术方案，实现了天线网面调整过程的自动化和实时监控，显著提高了调整效率。该系统在航天通信天线领域具有显著的工程应用价值，为通信设备的实时监控和调整提供了新的途径，推动了通信设备的数字化和信息化进程。

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自2022年起，在西安电子科技大学攻读机械工程硕士学位。参加多项科技竞赛并获得两次国家级奖项，六次省部级奖项。发表学术论文一篇，授权专利一项。研究方向包括网状天线智能调整，数字孪生技术。

二级教授，博士生导师，陕西省科技创新领军人才，陕西省教学名师，教育部高校教学指导委员会机械基础课程教学指导分委员会委员，国家科学技术奖评审专家，我国登月工程“结构优化专家组”成员，教育部学位与研究生教育评估专家，教育部工程认证协会专家。获国家级教学成果奖二等奖1项，省级教学成果特等奖1项、二等奖2项。获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项、省部级二等奖3项。共发表论文200余篇（近五年35篇），2020-2024年连续5年入围全球前2%顶尖科学家榜单 (职业生涯、单年度)。研究成果已应用于我国多个重大工程，例如天通一号01星、二代中继卫星首发星可展开天线及C919飞机等。研究方向包括空间可展开结构、智能机器人、电子装备设计与工艺。

通讯作者，邮箱：

tjli@mail.xidian.edu.cn

2018年毕业于西安电子科技大学机械设计制造及其自动化专业，获学士学位；自2021起，在西安电子科技大学攻读机械工程博士学位。研究方向包括空间可展开天线结构设计、网状天线机电耦合设计和数字孪生理论。