基于工件坐標系的航天器產品總裝精度測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及總裝精度測量領域,具體涉及航天產品總裝精度測量方法。
【背景技術】
[0002] 總裝精測技術是保證航天器總體裝配精度的有力手段,總裝精度測量是航天器總 體裝配過程中不可缺少的重要環節。
[0003] 航天器大多結構復雜,所以其裝配順序都是先進行分系統的部組件裝配,然后再 進行總體裝配。總體裝配精度測量的目的就是采用一定的測試方法作為技術手段,檢測部 組件理論軸線的直線性、幾何外形面的同軸性、分系統相對星體的相對位置關系,以及太陽 敏感器、陀螺儀、姿控發動機、慣組等部件的安裝方位等參數是否滿足總體設計要求。總裝 精測的數據還可以為以后的飛行測試和新型號航天器的研制的開發提供寶貴的科學依據。
[0004] 傳統總裝精測中常利用經煒儀系統,經煒儀測量系統是一種由多個精度很高的電 子經煒儀所構成的測量系統,其中任意的兩臺電子經煒儀通過相應的定標處理可建立并定 義測量坐標系。如圖5所示。
[0005] 將兩臺電子經煒儀調整到可以同時瞄準被檢測點,該情況下,每臺經煒儀即可得 到相應的豎直角和水平角,點P的坐標便可以計算得到,如式(2-1)所示。
[0006] (2-1)
[0007] 定標時,利用已知長度為L的基準尺,(€^1,臥1,€^1,邱1)表示第一臺經煒儀瞄準 基準尺兩端兩個目標點的水平角和俯仰角,(42,從2,仙2,邱),表示第二臺經煒儀瞄準基 準尺兩端兩個目標點的水平角和俯仰角,求得基線長b為:
[0008] α-2)
[0009]為了避免冗余信息,提高測量的精度,對上式進行改進可得:
[0010]
(2-3)
[0011] 國內衛星精測多采用經煒儀測量系統。經煒儀測量系統應用在航天器總裝中,主 要采用的是立方鏡測量方法,借助高精度經煒儀光電自準直技術,來確定被檢測儀器和設 備的安裝位置和姿態。在某些特殊的項目中,只能使用經煒儀的光電自準直和立方鏡法線 轉換的方法來測量,比如航天相機光軸的測量。不過經煒儀布站位置和瞄點誤差有時會大 于0.2_。再加上只能靠人眼去確定法線位置,所以該方法只適合靜態測量。
[0012] 立方鏡是目前為止衛星精測中不可缺少的部件,適合于衛星精測的測量儀器,只 有經煒儀。立方鏡作為坐標轉換器,也是針對經煒儀量身定制的。用立方鏡作為精測的部 件,源于早期的衛星設計。衛星上的各載荷,如照相機、導航儀等,都有各自的立方鏡坐標 系,以便在安裝時,方便測量。立方鏡(Cube)是一個很重要的輔助測量工具,貫穿衛星總裝 精密測量的始終。它是經過精密加工,平面度極高的立方體,各面之間的垂直度可達±3〃, 其表面中心處刻有十字刻線,精度達微米級,在進行有位置度測量時供電子經煒儀瞄準。
[0013] 綜上可得,經煒儀測量系統有如下特點:測量方位精度高,測量坐標點精度低;測 量效率低,難度大;立方鏡加工難,大量產品中只能挑選出少數合格品;立方鏡隨衛星上天, 占有載荷重量。
【發明內容】
[0014] 本發明是為了解決現有的經煒儀測量系統測量效率低、難度大的問題以及立方鏡 加工難,合格品率較低且立方鏡隨衛星上天占有載荷重量的問題。
[0015] 基于工件坐標系的航天器產品總裝精度測量方法,包括以下步驟:
[0016] 步驟1、公共坐標系的建立:
[0017] 針對需要檢測部組件安裝精度的航天器主體,在航天器主體表面選取若干個公共 基準點,在航天器主體目前所處位置的參照物平面上選取若干個公共基準點,并在所有的 公共基準點中的4-6公共基準點上設置光學反射器,即靶球;
[0018] 分別在AdPA2位置設置激光跟蹤儀a#Pa2;通過激光跟蹤儀和靶球的配合,調節激 光跟蹤儀 &1獲得公共基準點在激光跟蹤儀&1坐標系下的坐標數據;再利用激光跟蹤儀&2采 集相同的公共基準點,獲得相同公共基準點在激光跟蹤儀 &2坐標系下的坐標數據;
[0019] 將兩臺激光跟蹤儀分別采集得到的兩組公共基準點坐標一一對應,通過Spatial Analyzer軟件進行最佳擬合,即令同一個公共基準點的兩個三維坐標點盡量重合,完成公 共坐標系的建立;在軟件界面上,公共坐標系的坐標和兩臺激光跟蹤儀的位置能夠真實映 射出他們在實際空間中的位置;建立公共坐標系時選取共基準點的示意圖如圖1所示;
[0020] 步驟2、對公共坐標系下的某些公共基準點進行相應空間幾何處理,建立基準坐標 系:
[0021]利用激光跟蹤儀&1和&2采集航天器主體底面圓周上多個點,在基準坐標系下擬合 這些點獲得最小二乘平面,以該面的法線方向作為基準坐標系的X軸方向;利用激光跟蹤儀 &1和 &2采集航天器主體上安裝孔中的6-8個孔的軸線,軸線與底面圓周相交成6-8個標定基 準點,擬合這6-8個標定基準點獲得空間圓,將該圓的圓心作為基準坐標系的原點0;令6-8 個標定基準點中有1個標定基準點為基準坐標系的Y軸(或Z軸)上的點,根據右手定則,獲得 Z軸(或Y軸);
[0022]步驟3、檢測部組件的裝配精度:
[0023] 多次在待檢測部組件表面設置多個靶球,并通過激光跟蹤儀a#Pa2和靶球配合,將 測量得到的點組合進行最小二乘面擬合,通過與基準坐標系的比較計算,得到部組件的裝 配精度;
[0024] 步驟4、針對其他待檢測部組件,移動利用激光跟蹤儀&1和&2,執行步驟1-3,完成其 他待檢測部組件的安裝精度測量。
[0025] 步驟3所述的檢測部組件的裝配精度的具體過程如下:
[0026] 多次在待檢測部組件表面設置多個靶球,將激光跟蹤儀的測量模式設置為穩定點 掃描模式,并通過激光跟蹤儀a#Pa2和靶球配合,對待檢測部組件進行掃描;
[0027] (1)如圖3(a)和(b)所示,如果待檢測部組件為方體,將測量得到的點組合,利用 Spatial Analyzer軟件進行最小二乘面擬合,得到平面的法線,計算出法線與基準坐標系 對應坐標軸的夾角,從而判斷待檢測部組件的安裝精度;
[0028] (2)如果待檢測部組件為圓柱體或者椎體(如具有喉徑的噴管等),不但要檢測待 檢測部組件的平面安裝精度,還要檢測待檢測部組件的軸線安裝精度。
[0029]本發明具有以下有益效果:
[0030] 本發明針對傳統的經煒儀測量系統,提出基于激光跟蹤儀對航天器產品總裝精度 進行測量,從而避免了使用立方鏡,也就避免了遇到立方鏡加工難、合格品較少的瓶頸。本 發明不需要立方鏡隨衛星上天,減少了衛星的占有載荷重量。而且由于本發明不需要使用 立方鏡也不需要立方鏡隨衛星上天可以大量節省測量成本和衛星發射成本。
[0031] 本發明突破了利用傳統的經煒儀測量系統的慣性思維模式,提出了基于激光跟蹤 儀對航天器產品總裝精度進行測量,并通過大量的仿真試驗證明了 :(1)利用激光跟蹤儀測 量兩平面夾角時,當激光跟蹤儀與被測目標距離3m,被測平面面積至少為60mm見方時,測量 角精度優于3〃 ;(2)在一定條件下,利用激光跟蹤儀測量平面的方位精度完全能夠達到某型 號產品總裝精測要求的精度,所以本文提出的用激光跟蹤儀進行總裝精測的方法能夠完成 對某型號產品安裝精度的測量。
[0032] 本發明也針對基于激光跟蹤儀對航天器產品總裝精度進行測量確定了建立公共 坐標系的公共基準點選取的最佳數目,而且也提出了進行對安裝部組件進行測量時采集點 的數量必須與被測平面大小相匹配,在利用激光跟蹤儀采集面上的點時,采集點數相對被 測平面大小要密集。
[0033] 同時本發明大大簡化了利用傳統經煒儀測量系統進行測量的操作過程,簡化了測 量步驟,節省了測量時間,提高了測量效率。而且能夠基于本發明實現自動化測量。
【附圖說明】
[0034]圖1為建立公共坐標系時選取共基準點的示意圖;
[0035]圖2為待測部組件的軸線示意圖;
[0036] 圖3(a)為檢測部組件安裝精度的示意圖;
[0037] 圖3(b)為檢測部組件安裝精度的示意圖;
[0038] 圖4(a)為檢測部組件軸線安裝精度時在平整端面設置靶球的示意圖;
[0039] 圖4(b)為檢測部組件軸線安裝精度時在平整端面設置靶球的示意圖;
[0040] 圖5為經煒儀坐標測量系統原理示意圖;
[0041 ]圖6為面積仿真實驗數據的絕對誤差比較效果圖;
[0042] 圖7為面積仿真實驗數據的不確定度比較效果圖;
[0043] 圖8為測量面面積大于60mm見方的不確定度試驗效果圖;
[0044] 圖9(a)實驗對象選取的平面示意圖;
[0045] 圖9(b)實驗對象選取的平面示意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0046] 一:
[0047] 基于工件坐標系的航天器產品總裝精度測量方法,包括以下步驟:
[0048]步驟1、公共坐標系的建立:
[0049] 針對需要檢測部組件安裝