衛(wèi)星大尺寸平面陣列sar天線自動化精測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種SAR天線自動化精測方法，通過激光雷達(dá)測量系統(tǒng)測量天線陣面的靶標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘擬合計(jì)算陣面平面度和平面法線的方向；利用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)測量衛(wèi)星基準(zhǔn)鏡和公共靶球點(diǎn)，以建立公共靶球點(diǎn)和衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系之間的關(guān)系；再利用激光雷達(dá)測量公共靶球點(diǎn)，以建立衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系和激光雷達(dá)測量坐標(biāo)系的關(guān)系，最終獲得衛(wèi)星坐標(biāo)系下天線陣面法線的方向；在天線多次展開試驗(yàn)中，利用雷達(dá)單點(diǎn)自動測量功能，自動完成展開后平面測量，評價展開平面度和指向的重復(fù)性。本發(fā)明可以完成對天線的平面度和指向精度的高精度、自動化測量，滿足30m內(nèi)平面點(diǎn)坐標(biāo)0.2mm和角度測量精度20″的精度要求，大大提高了測量效率。
【專利說明】衛(wèi)星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種衛(wèi)星大尺寸平面陣列SAR天線自動 化精測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著衛(wèi)星對天線的需求越來越廣，天線的尺寸越來越大，型面及安裝精度要求也 越來越高。SAR天線精測是該衛(wèi)星研制質(zhì)量控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安裝精度和SAR天線展 開構(gòu)形直接影響衛(wèi)星在軌成像質(zhì)量。SAR天線可以由多塊天線面板組合而成，總裝過程中需 要測量天線安裝到衛(wèi)星后展開狀態(tài)的整體平面度以及衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系下的陣面指向精度， 平面點(diǎn)坐標(biāo)測量精度要求0. 2mm，角度測量精度要求20 "。
[0003] 近年來，天線精測技術(shù)發(fā)展迅速，已從傳統(tǒng)的機(jī)械、光學(xué)和電的測量方法發(fā)展為應(yīng) 用成熟的商業(yè)化高精度工業(yè)測量系統(tǒng)。根據(jù)不同的精測項(xiàng)目和被測天線特點(diǎn)，使用不同測 量系統(tǒng)并設(shè)計(jì)特定的測量方法。目前，國內(nèi)外天線精測所用的儀器設(shè)備主要包括：經(jīng)緯儀測 量系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)、三坐標(biāo)測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、激光雷達(dá)掃描測量系統(tǒng)等。
[0004] 目前，國內(nèi)航天器總裝精測過程中，衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系及衛(wèi)星儀器設(shè)備坐標(biāo)系是以 安裝的立方鏡的坐標(biāo)系來表征。使用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鏡面法線及鏡面中心坐標(biāo)點(diǎn)的 測量。鏡面法線測量原理為自準(zhǔn)直測量原理，點(diǎn)坐標(biāo)測量原理為前方交會測量原理。
[0005] 經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)在測點(diǎn)時，需兩臺經(jīng)緯儀定標(biāo)測量，需要兩人人工瞄點(diǎn)，測量精度 低、速度慢。天線展開過程中需要進(jìn)行多次測量，耗費(fèi)時間和人力大。激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，其 測量范圍可達(dá)30m，對目標(biāo)的三維掃描測量，建立目標(biāo)的數(shù)學(xué)三維模型，掃描速度可達(dá)1000 點(diǎn)/秒，最高掃描精度達(dá)〇. 1_。通過激光雷達(dá)測量系統(tǒng)和經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)的聯(lián)合精測方 法，能實(shí)現(xiàn)天線的高精度、自動化測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種新的衛(wèi)星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法， 實(shí)現(xiàn)的天線陣列整體平面度、星體機(jī)械坐標(biāo)系下的陣面指向精度測量及多次展開試驗(yàn)的自 動化重復(fù)測量，旨在提高測量范圍、測量精度和自動化程度。
[0007] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0008] -種的衛(wèi)星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法，包括以下步驟：
[0009] (1)天線安裝到衛(wèi)星之前，在天線被測陣面上均勻粘貼回光反射標(biāo)志點(diǎn)，點(diǎn)的數(shù)量 足夠多以反映天線整體平面度；
[0010] (2)天線安裝到衛(wèi)星之后，在天線展開測量工位附近粘貼數(shù)量不少于4個的靶球 基座，避免基座位于同一直線或者同一平面上；其中一個祀球基座為公共祀球基座，每個革巴 球基座上都設(shè)置有靶球；
[0011] (3)天線展開后，在天線陣面中心正前方的合適位置架設(shè)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，使所 有陣面上的標(biāo)志點(diǎn)能在雷達(dá)的測量范圍內(nèi)，測量過程中激光雷達(dá)位置固定；
[0012] (4)利用激光雷達(dá)的單點(diǎn)手動測量功能，在激光雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系下，測量天線陣面 上粘貼的標(biāo)志點(diǎn)，并通過最小二乘擬合計(jì)算陣面平面度和平面法線的方向；
[0013] (5)架設(shè)3臺經(jīng)緯儀，對衛(wèi)星上表征衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的立方鏡進(jìn)行測量，并對公共 革巴球基座上的祀球進(jìn)行測量，獲取公共祀球中心點(diǎn)在衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的三維點(diǎn)坐標(biāo)；
[0014] (6)利用激光雷達(dá)的靶球測量功能來測量公共靶球基座上的靶球，獲取公共靶球 中心點(diǎn)在激光雷達(dá)坐標(biāo)系的三維點(diǎn)坐標(biāo)；
[0015] (7)通過公共靶球點(diǎn)轉(zhuǎn)換，建立激光雷達(dá)坐標(biāo)系和衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而獲 取衛(wèi)星坐標(biāo)系下天線陣面法線；
[0016] (8)在多次展開試驗(yàn)中，利用激光雷達(dá)的多點(diǎn)自動測量功能，測量天線陣面上粘貼 的標(biāo)志點(diǎn)，通過最小二乘擬合計(jì)算出陣面平面度和平面法線的方向。
[0017] 其中，反射標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量為120個以上，優(yōu)選150個以上，更優(yōu)選180個-200個。
[0018] 其中，天線被測陣面（天線陣面）為4塊SAR天線單板對稱依次設(shè)置在衛(wèi)星兩側(cè) 并展開后構(gòu)成的陣面。
[0019] 本發(fā)明解決了大尺寸平面陣列SAR天線的高精度、自動化測量技術(shù)難題，具有如 下的效果：
[0020] 突破了傳統(tǒng)上采用經(jīng)緯儀測靶標(biāo)點(diǎn)的限制，利用激光雷達(dá)測量天線陣面標(biāo)志點(diǎn)， 提高了點(diǎn)測量精度和效率，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度。通過激光雷達(dá)與經(jīng)緯儀的聯(lián)合測量， 獲取衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系下的天線陣面法線角度，提高了角度測量精度。在多次展開試驗(yàn)中，利 用激光雷達(dá)的多點(diǎn)自動測量功能，實(shí)現(xiàn)了自動化、快速測量。
[0021] 本發(fā)明的測量方法能夠滿足30m測量范圍內(nèi)天線陣面點(diǎn)坐標(biāo)0.2mm和角度測量精 度20"的精度要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的精測方法中SAR天線陣面粘貼回光反射標(biāo)志點(diǎn)的位置示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明的精測方法中單個回光反射標(biāo)志點(diǎn)的示意圖。
[0024] 圖3為大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法布局示意圖，其中，1為衛(wèi)星，2為 四塊天線面板組成的SAR天線陣面，3為電子經(jīng)緯儀，4為激光雷達(dá)，5為基座及靶球，6為立 方鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的測量過程進(jìn)行詳細(xì)說明，這些說明僅僅是示意性的，并 不旨在對本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。
[0026] 圖1為SAR天線陣面粘貼回光反射標(biāo)志點(diǎn)示意，圖中以黑點(diǎn)代表標(biāo)志點(diǎn)，在單塊天 線陣面2面板上，均勻粘貼了 192個標(biāo)志點(diǎn)。實(shí)際回光反射標(biāo)志點(diǎn)如圖2所示，外部為黑色 區(qū)域，內(nèi)部圓形為白色反光區(qū)域，內(nèi)部的反射亮度比外部高出數(shù)百倍，以方便雷達(dá)提取圓形 邊界，獲取標(biāo)志點(diǎn)中心。
[0027] 圖3為大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法布局示意圖，衛(wèi)星呈水平放置狀 態(tài)，4塊SAR天線單板（2-1，2-2, 2-3, 2-4)安裝在衛(wèi)星1上并依次完全展開。在星體周圍地 面上布設(shè)5個靶球及基座5,并用熱熔膠將基座粘在地面上。在天線陣面正前方架設(shè)三臺經(jīng) 緯儀及架設(shè)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。
[0028] 經(jīng)緯儀3-1和經(jīng)緯儀3-2分別與立方鏡6的兩相鄰的面準(zhǔn)直，測量鏡面法線方向， 經(jīng)緯儀3-3與經(jīng)緯儀3-1定標(biāo)，測量立方鏡中心點(diǎn)坐標(biāo)，立方鏡與衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的關(guān)系此 前已建立，因此，此時通過立方鏡的坐標(biāo)系即獲取了衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系。再利用經(jīng)緯儀3-1和 3-3對公共靶球基座上的靶球中心點(diǎn)進(jìn)行測量，獲取公共靶球中心點(diǎn)在衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的 三維點(diǎn)坐標(biāo)值。
[0029] 利用激光雷達(dá)4的單點(diǎn)手動測量功能，在激光雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系下，測量天線陣面 上粘貼的標(biāo)志點(diǎn)，獲取其在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)坐標(biāo)值。將測量點(diǎn)通過最小二乘 擬合，計(jì)算出最小二乘擬合平面，找到距離該平面的最大和最小值，二者之差即為陣面平面 度，而該擬合平面的法線即為陣面法線。利用激光雷達(dá)4的靶球測量功能來測量公共靶球 基座上的靶球，獲取公共靶球中心點(diǎn)在激光雷達(dá)坐標(biāo)系的三維點(diǎn)坐標(biāo)。通過公共靶球點(diǎn)轉(zhuǎn) 換，建立激光雷達(dá)坐標(biāo)系和衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而獲取衛(wèi)星坐標(biāo)系下的天線陣面2 法線方向。
[0030] 在多次展開試驗(yàn)中，因每塊天線面板上的點(diǎn)之前的關(guān)系基本保持不變，只有每塊 天線面板整體的位移，因此利用激光雷達(dá)的多點(diǎn)自動測量功能，測量天線陣面上粘貼的標(biāo) 志點(diǎn)，以提高測量效率。在每次展開試驗(yàn)中，手動測量每塊天線面板上的4個或4個以上不 在同一直線上的標(biāo)志點(diǎn)，再選取初測的對應(yīng)點(diǎn)，即可利用激光雷達(dá)4的多點(diǎn)自動測量功能， 自動計(jì)算出所測點(diǎn)的理論位置，并進(jìn)行自動測量，四塊天線面板的測量方法一致。每次展開 試驗(yàn)均可采用該方法測量所有標(biāo)志點(diǎn)，測完點(diǎn)后的數(shù)據(jù)處理方法同前。
[0031] 盡管上文對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，但應(yīng)該指明的是， 我們可以對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權(quán) 利要求所記載的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種衛(wèi)星大尺寸平面陣列SAR天線的自動化精測方法，包括以下步驟： (1) 天線安裝到衛(wèi)星之前，在天線被測陣面上均勻粘貼回光反射標(biāo)志點(diǎn)，點(diǎn)的數(shù)量足夠 多以反映天線整體平面度； (2) 天線安裝到衛(wèi)星之后，在天線展開測量工位附近粘貼數(shù)量不少于4個的靶球基座， 避免基座位于同一直線或者同一平面上；其中一個祀球基座為公共祀球基座，每個祀球基 座上都設(shè)置有靶球； (3) 天線展開后，在天線陣面中心正前方的合適位置架設(shè)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，使所有陣 面上的標(biāo)志點(diǎn)能在雷達(dá)的測量范圍內(nèi)，測量過程中激光雷達(dá)位置固定； (4) 利用激光雷達(dá)的單點(diǎn)手動測量功能，在激光雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系下，測量天線陣面上粘 貼的標(biāo)志點(diǎn)，并通過最小二乘擬合計(jì)算陣面平面度和平面法線的方向； (5) 架設(shè)3臺經(jīng)緯儀，對衛(wèi)星上表征衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的立方鏡進(jìn)行測量，并對公共靶球 基座上的靶球進(jìn)行測量，獲取公共靶球中心點(diǎn)在衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的三維點(diǎn)坐標(biāo)； (6) 利用激光雷達(dá)的靶球測量功能來測量公共靶球基座上的靶球，獲取公共靶球中心 點(diǎn)在激光雷達(dá)坐標(biāo)系的三維點(diǎn)坐標(biāo)； (7) 通過公共靶球點(diǎn)轉(zhuǎn)換，建立激光雷達(dá)坐標(biāo)系和衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而獲取衛(wèi) 星坐標(biāo)系下天線陣面法線； (8) 在多次展開試驗(yàn)中，利用激光雷達(dá)的多點(diǎn)自動測量功能，測量天線陣面上粘貼的標(biāo) 志點(diǎn)，通過最小二乘擬合計(jì)算出陣面平面度和平面法線的方向。
2. 如權(quán)利要求1所述的自動化精測方法，其中，反射標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量為120個以上。
3. 如權(quán)利要求2所述的自動化精測方法，其中，反射標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量為150個以上。
4. 如權(quán)利要求3所述的自動化精測方法，其中，反射標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量為180個-200個。
5. 如權(quán)利要求3-4所述的自動化精測方法，其中，天線被測陣面為4塊SAR天線單板對 稱依次設(shè)置在衛(wèi)星兩側(cè)并展開后構(gòu)成的陣面。
【文檔編號】G01B21/00GK104089594SQ201410360762
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】陶力, 劉笑, 易旺民, 張彬, 徐奕柳, 趙書萍, 郭潔瑛, 王偉, 鄭鵬, 阮國偉, 張?zhí)齑? 劉浩淼, 唐賴穎 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所