CN111046584A - 星载仪器设备的精密调整方法 - Google Patents

Abstract

星载仪器设备的精密调整方法，涉及卫星装配调整技术领域。本发明是为了解决现有卫星总装过程中，考虑因素不全面导致调整精度低的问题。本发明根据实际测量矩阵和设计测量矩阵的数值，获得各垫片的实测全局坐标和设计全局坐标。然后建立垫片调整方程，再根据垫片数量，建立垫片平面的约束方程，组成超定方程组，求解，获得垫片调整量数值，最终利用该调整量对垫片进行调整。

Description

星载仪器设备的精密调整方法

技术领域

本发明属于卫星装配调整技术领域，尤其涉及卫星部组件的精密调整。

背景技术

为了保证卫星在飞行期间能够正常工作，卫星上某些仪器设备(如太阳敏感器、地球敏感器、惯性器件、推力组件等)均具有严格的安装精度要求，所以星载仪器设备的总装精测是卫星总装过程中的重要组成部分。星载仪器设备的精测及调整主要包括精度测量和精确调整两部分，精度测量是精确调整的前置部分，卫星总体设计部门对卫星上的仪器设备都提出了严格的安装位置和精度要求。但在实际装配过程中，星载仪器设备因存在加工误差和受力变形等因素，安装后的实际位置可能会超出总体设计部门的要求。因此，必须采取一定的调整措施和工艺，才能使星载仪器设备的实际安装位置调整到规定的范围之内。

最初，在卫星总装过程中，星载仪器设备的精确调整主要靠有经验的装配工程师手工完成。根据实际测量值和理想设计值之间的偏差，装配工程师利用长期积累的经验知识，采取估计试凑的方法来确定调整垫片的厚度，试凑调整的次数往往较多，这会导致卫星的装配周期较长、效率很低。

2012年，哈工大提出了一种卫星部组件的精密调整模型算法。该算法是基于平面法线矢量匹配法建立的，但它仅考虑了垫片调整方向与测量方向一致的情况，而没有考虑部组件在倾斜状态下的调整情况，即未能涵盖装配过程中的所有情况。此外，对于最高最低点的判定准则以及多点调整的情况均未有论述。

发明内容

本发明是为了解决现有卫星总装过程中，考虑因素不全面导致调整精度低的问题，现提供星载仪器设备的精密调整方法。

星载仪器设备的精密调整方法，包括以下步骤：

步骤一、设计星体坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

并根据被测仪器目标立方镜支撑结构的几何尺寸获得被测仪器目标立方镜坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

根据下式获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系理论矩阵M_TH：

步骤二、在卫星精度测量过程中，获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系实际矩阵M_ME，利用M_ME获得星体坐标系下所有垫片点的实际坐标矩阵

步骤三、设AD为垫片调整量矩阵，其表达式为：

其中，D_i为第i个垫片的调整高度，i＝1,2,...,N，N为正整数，α、β和γ分别为倾斜状态下所有垫片所在平面的法线与星体坐标系下三个轴之间的夹角；

步骤四、利用AD建立垫片调整方程：

步骤五、根据垫片数量建立垫片平面约束方程：

为第l个垫片在星体坐标系下的坐标，D_l为第l个垫片的调整高度，

为第i个垫片在星体坐标系下的坐标，

为第j个垫片在星体坐标系下的坐标，D_j为第j个垫片的调整高度，

为第k个垫片在星体坐标系下的坐标，D_k为第k个垫片的调整高度，

l＝1,2,...,N，j＝1,2,...,N，k＝1,2,...,N，i≠j≠l≠k；

步骤六、将垫片调整方程和垫片平面约束方程组成超定方程组，求解D_i的最小二乘解，利用求得的D_i对垫片实现精密调整。

本发明提供一种星载仪器设备的精密调整方法，根据实际测量矩阵和设计测量矩阵的数值，获得各垫片的实测全局坐标和设计全局坐标。然后建立垫片调整方程，再根据垫片数量，建立垫片平面的约束方程，组成超定方程组，求解，获得垫片调整量数值。若不满足标准，再重复进行。即以测量数据和测量工艺为基础，将单方向垫片调整量的估计转化为坐标系变换的形式，从而实现卫星仪器设备方位的精密调整。

本发明通过建立了复杂状态下星载仪器精密调整的三维坐标变换模型，将卫星仪器目标的垫片调整过程转换为三维坐标变换，克服了矢量算法实用性不足的问题，大幅提高了调整效率。可在卫星仪器设备装配时指导用户调整安装，准确度高，提高了工作效率，同时又降低了操作人员的劳动强度。

附图说明

图1为卫星坐标系的示意图；

图2为双向流程示意图，其中，1、星体，2、星体基准立方镜，3、被测仪器，4、被测目标立方镜，31、调整垫片位置，32、调整前被测平面位置；

图3为纵向调整示意图；

图4为横向调整示意图；

图5为本发明所述星载仪器设备的精密调整方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，航天器的星体坐标系是以卫星与运载火箭的对接面A作为基准平面，为便于分析与测量，有意使两个作为精确定位的对接孔分布在OZ轴上，原点O处于这些定位孔的中心，OX轴与对接面垂直，A平面上的OY轴与OZ轴垂直。图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为星体上OY、OZ轴与下端框外表面相交形成的四条象限线(或称基准线)，在壳体结构的每个舱段的上下两个端框上都刻有这四条线，作为精度测量时的结构基准。

在星体安装的对接框上安装有星体基准立方镜，立方镜有三个相互垂直的镜面，其法线分别定义X轴、Y轴和Z轴，其坐标系原点为立方镜的几何中心点。卫星一旦安装固定后，星体坐标系与星体基准立方镜坐标系的关系就确定了。

卫星精度测量是通过被测仪器目标安装面的法线方向来确定被测仪器目标位置偏向。目前，精调卫星装配部门所用的测量***是非接触式大尺寸测量***，可以测量目标的角度和坐标值。

卫星仪器设备的精测包括：角度测量和坐标值测量；其中，角度测量可以分为单向测量和双向测量；坐标值测量可以分为无位置度测量和有位置度测量。单向测量仅仅测量立方镜一个反射面法线的角度，而双向测量可以测量立方镜所有反射面法线的角度。无位置度度测量是不需要获得卫星设备的特征坐标值，而有位置度测量则需要获得卫星设备的特征坐标值。这几种测量方式可以交互作用，可归纳为4种，单向无位置度测量，单向有位置度测量，双向无位置度测量和双向有位置度测量，单向无位置度测量是最简单的，双向有位置度测量是最复杂的。

如图2所示，T1、T2、T3和T4均为测试时所需的经纬仪，将T1与星体基准立方镜2某一反射面准直。之后，再将T2与星体基准立方镜2另一反射面准直，采集角度数据后，T1和T2互瞄，确定基准平面。保持T1不动，将T3与被测目标立方镜4某一反射面准直，采集角度数据后，再与T1互瞄。T4与被测目标立方镜4另一反射面准直，采集角度数据，再与T1互瞄。保持T1不动，T2移动到合适的位置，T1与T2分别瞄准标准尺的左右目标点，实现***定向。建立坐标系，使T1和T2分别瞄准星体基准立方镜2和被测目标立方镜4反射面中心的十字刻划线，获取其空间坐标。经过这样的操作，所得数据经计算机处理后即可得到被测目标立方镜坐标系与星体基准坐标系的空间关系(位置和角度)。而星体基准坐标系与星体坐标系的空间关系是可以实现标定的。

卫星仪器设备安装调整是相对于星体立方镜坐标系进行的，所得数据需要经过多次坐标转换，最终转换到星体坐标系的数据，即被测仪器目标立方镜坐标系→星体基准立方镜坐标系→星体坐标系。精测过程所利用的数据均为转换后星体坐标系下的数据。

图3中，A、B、C和D为用于被测目标设备安装在星体上的4个基准销。此4点所组成的平面是该设备的安装面(待调整平面)，此平面的法线方向与粘贴在该设备表面的立方镜反射面法线几乎一致。由此可知，将目标立方镜反射面的方向与设计值进行对比，即可得到被测平面的偏移角度。实际操作中，根据此偏移角度人工估测调整方向和调整量，在各基准销下加入相应的垫片进行调整。由于各定位点准确调整量不确定，再加上垫片规格的不同和零件受力的影响，导致了调整过程成为一个测试、调整、再测试、再调整的反复过程。为了减少反复的次数，提高效率，需要应对调整过程进行建模。

调整可分为三种类型，横向调整，纵向调整和倾斜调整。其中横向调整、纵向调整是倾斜调整的特殊类型。

纵向调整：纵向调整是针对卫星精测中的单向测量设计的。如图3所示，电子经纬仪准直立方镜的方向就是垫片厚度调整的方向。横向调整：横向调整是针对卫星精测的双向测量设计的。如图4所示，电子经纬仪准直立方镜的两个轴方向就是双向调整的方向，而垫片厚度调整的方向是第三个轴方向，第三个轴方向通过矢量积计算出来。

倾斜调整：倾斜调整是比较复杂的情况，在目前的调整过程中比例很小。垫片厚度调整的方向不平行于任何一个轴的方向。

假设垫片点的坐标在星体基准立方镜坐标系下，立方镜坐标系原点位于立方镜的几何中心，其三个轴方向分别垂直于三个镜面。由于镜面的制造误差，不可能做到绝对垂直，所以在构建立方镜坐标系的时候需要进行正交化处理。

基于以上基础，采用以下实施方式进行星载仪器设备的精密调整。

具体实施方式一：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的星载仪器设备的精密调整方法，包括以下步骤：

步骤一、设计星体坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

并根据被测仪器目标立方镜支撑结构的几何尺寸获得被测仪器目标立方镜坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

根据下式获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系理论矩阵M_TH：

本实施方式中，

由立方镜的支撑结构的几何尺寸决定是已知且固定不变的，M_TH为4阶齐次矩阵，能够根据表1中的空间关系推算出来；

表1星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系

上表中，OX、OY和OZ分别为星体坐标系的三个坐标轴，O'X′、O′Y′和O′Z′分别为被测仪器目标立方镜坐标系的三个坐标轴，

α_X′X、α_X′Y和α_X′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′X′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Y′X、α_Y′Y和α_Y′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Y′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Z′X、α_Z′Y和α_Z′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Z′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

t₁、t₂和t₃分别为被测仪器目标立方镜坐标系的原点在星体坐标系中的坐标，

为第i个垫片在星体坐标系下的坐标，在其所在矩阵整体的环境下，其实质为第i个垫片在星体坐标系下的理论坐标，

为第i个垫片在被测仪器目标立方镜坐标系下的坐标，

l₁、m₁和n₁分别为α_X′X、α_X′Y和α_X′Z的余弦值，

l₂、m₂和n₂分别为α_Y′X、α_Y′Y和α_Y′Z的余弦值，

l₃、m₃和n₃分别为α_Z′X、α_Z′Y和α_Z′Z的余弦值。

步骤二、在卫星精度测量过程中，获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系实际矩阵M_ME，M_ME能够代表星体坐标系与被测目标立方镜坐标系的实际测量状态下的空间关系，

利用M_ME获得星体坐标系下所有垫片点的实际坐标矩阵

其中，也存在

但是在其所在矩阵整体的环境下，其实质为第i个垫片在星体坐标系下的实际坐标。

步骤三、设AD为垫片调整量矩阵，其表达式为：

其中，D_i为第i个垫片的调整高度，i＝1,2,...,N，N为正整数，α、β和γ分别为倾斜状态下所有垫片所在平面的法线与星体坐标系下三个轴之间的夹角。

步骤四、若要保证星载仪器设备安装到位，则需要满足：

则有：

将公式1、公式2和公式3代入公式4，获得垫片调整方程：

其中，

α′、β′和γ′为垫片平面法线与被测仪器调整面的角度；

在应用时，α′＝0、β′＝90和γ′＝90是一种特例，说明垫片平面法线方向与被测仪器调整面角度是一样的，其调整方向是X向。

步骤五、要求所有垫片均在同一个平面内，则有

l＝1,2,...,N，j＝1,2,...,N，k＝1,2,...,N，i≠j≠l≠k，即l、j和k表示不同位置的垫片。

则根据垫片数量能够建立垫片平面约束方程：

为第l个垫片在星体坐标系下的坐标，D_l为第l个垫片的调整高度，

为第j个垫片在星体坐标系下的坐标，D_j为第j个垫片的调整高度，

为第k个垫片在星体坐标系下的坐标，D_k为第k个垫片的调整高度。

步骤六、将垫片调整方程和垫片平面约束方程组成超定方程组，求解D_i的最小二乘解，利用求得的D_i对垫片实现精密调整；

在解出D_i后，i＝1,2,...,N，其中各个解的符号有可能是不同的，对不同情况进行分析：

(1)D_i后的值均为非负数，则各个垫片的调整高度即为D_i，这种情况下能够保证设备方向和位置均能够满足调整要求；

(2)D_i后的值均为负数或符号不同，则不能够保证设备方向和位置同时满足调整要求。

一般情况下，从实际的使用要求上，方向的调整是第一位的，而坐标(位置)的调整是第二位的；若保证方向，取D＝Abs[min(D₁，D₂，...，D_N)]，则各垫片调整高度为D_i＝D_i+D。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的星载仪器设备的精密调整方法作进一步说明，本实施方式中，在步骤六之后，还包括以下步骤：

步骤七、重新进行卫星精度测量，获得新的星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系实际矩阵

步骤八、判断

与步骤一获得的M_TH的偏差中、角度差的绝对值和位置坐标差的绝对值是否满足下式，是则步骤六的精密调整有效，否则无效、并返回步骤二；

角度差的绝对值应满足下式：

α_X′X、α_X′Y和α_X′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′X′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Y′X、α_Y′Y和α_Y′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Y′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Z′X、α_Z′Y和α_Z′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Z′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角；

位置坐标差的绝对值应满足下式：

t₁、t₂和t₃分别为被测仪器目标立方镜坐标系的原点在星体坐标系中的坐标。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的星载仪器设备的精密调整方法作进一步说明，本实施方式中，在确定了各垫片调整高度后，对各垫片点的坐标矩阵进行更新：

然后将更新后的

与

进行比对，从二者的偏差就能够判断出调整是否合格。

利用3台电子经纬仪对某卫星模型上某仿真仪器进行测量，该仿真仪器上含有立方镜，按照双向测量的流程进行测量。

仿真星体坐标系、仿真仪器立方镜坐标系数据的理论设计值和测量值均已获得，数据如表2和表3所示；仿真仪器支撑调整支架的几何参数已知，如表4所示；各垫片在被测仪器立方镜坐标系下的坐标如表5所示；各垫片在星体坐标系下的理论坐标如表6所示；各垫片在星体坐标系下的实测坐标如表7所示；经过计算各垫片的调整量如表8所示；复测后，获得的星体坐标系和被测仪器立方镜坐标系的测量矩阵为，如表9所示；通过调整后，计算仪器设备调整面的角度如表10所示。

表2仿真星体坐标系与立方镜坐标系的关系矩阵设计值

	X	Y	Z
				X’(°)	0.1500	90.0000	89.8500
Y’(°)	90.0000	0.0000	90.0000
				Z’(°)	90.1500	90.0000	0.1500
中心	-205.02	209.20	118.35

表3仿真星体坐标系与立方镜坐标系的关系矩阵测量值

	X	Y	Z
				X’(°)	0.2545	89.7943	89.8501
Y’(°)	90.2057	0.2057	89.9951
				Z’(°)	90.1499	90.0054	0.1500
中心	-205.24	209.236	118.30

表4垫片平面法线与被测仪器调整面的角度

	α′	β′	γ′
				数值(°)	0	90	90

表5各垫片在被测仪器立方镜坐标下坐标

	X(mm)	Y(mm)	Z(mm)
				1	-80	60	100
2	-80	-60	100
				3	-80	-60	-100
4	-80	60	-100

表6各垫片在星体坐标系下的理论坐标

	X(mm)	Y(mm)	Z(mm)
				1	-285.2815	269.2	218.1402
2	-285.2815	149.2	218.1402
				3	-284.7579	149.2	18.1409
4	-284.7579	269.2	18.1409

表7各垫片在星体坐标系下的实测坐标

	X(mm)	Y(mm)	Z(mm)
				1	-285.7162	268.939	218.0955
2	-285.2854	148.9398	218.0852
				3	-284.7622	148.9586	18.0859
4	-285.193	268.9578	18.0962

表8求解后各垫片的调整量

D<sub>1</sub>(mm)	0.4358
		D<sub>2</sub>(mm)	0.005
D<sub>3</sub>(mm)	0.0053
		D<sub>4</sub>(mm)	0.4360

表9调整后的各垫片坐标值

	X(mm)	Y(mm)	Z(mm)
				1	-285.2805	268.9405	218.0966
2	-285.2804	148.9398	218.0852
				3	-284.7569	148.9586	18.0859
4	-284.7569	268.9594	18.0973

表10调整后预期的法线角度

	X’	Y’	Z’
				方向角	0.1500	90.0000	89.8500

表11经过复测后测量矩阵的实际值

	X’	Y’	Z’
				X(°)	0.1489	89.9990	89.8560
Y(°)	90.0003	0.0009	90.0009
				Z(°)	90.1510	90.0012	0.1489
中心	-205.03	209.19	118.37

可以看出，仿真计算后，仪器设备调整面的法线与设计值一致。从表11中发现，复测后，测量矩阵的实际值与设计值非常接近，角度偏差小于0.001°，位置偏差小于0.02mm。

Claims (6)

1.星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设计星体坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

并根据被测仪器目标立方镜支撑结构的几何尺寸获得被测仪器目标立方镜坐标系下所有垫片点的理论坐标矩阵

根据下式获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系理论矩阵M_TH：

步骤二、在卫星精度测量过程中，获得星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系实际矩阵M_ME，利用M_ME获得星体坐标系下所有垫片点的实际坐标矩阵

步骤三、设AD为垫片调整量矩阵，其表达式为：

其中，D_i为第i个垫片的调整高度，i＝1,2,...,N，N为正整数，α、β和γ分别为倾斜状态下所有垫片所在平面的法线与星体坐标系下三个轴之间的夹角；

步骤四、利用AD建立垫片调整方程：

步骤五、根据垫片数量建立垫片平面约束方程：

为第l个垫片在星体坐标系下的坐标，D_l为第l个垫片的调整高度，

为第i个垫片在星体坐标系下的坐标，

为第j个垫片在星体坐标系下的坐标，D_j为第j个垫片的调整高度，

为第k个垫片在星体坐标系下的坐标，D_k为第k个垫片的调整高度，

l＝1,2,...,N，j＝1,2,...,N，k＝1,2,...,N，i≠j≠l≠k；

步骤六、将垫片调整方程和垫片平面约束方程组成超定方程组，求解D_i的最小二乘解，利用求得的D_i对垫片实现精密调整。

2.根据权利要求1所述的星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，在步骤六之后还包括以下步骤：

步骤七、重新进行卫星精度测量，获得新的星体坐标系和被测仪器目标立方镜坐标系之间的空间关系实际矩阵

步骤八、判断

与步骤一获得的M_TH的偏差中、角度差的绝对值是否小于等于1°、且位置坐标差的绝对值是否小于等于0.2mm，是则步骤六的精密调整有效，否则无效、并返回步骤二。

3.根据权利要求1或2所述的星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，步骤一中，

和M_TH的表达式分别为：

其中，

为第i个垫片在被测仪器目标立方镜坐标系下的坐标，

α_X′X、α_X′Y和α_X′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′X′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Y′X、α_Y′Y和α_Y′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Y′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Z′X、α_Z′Y和α_Z′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Z′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

l₁、m₁和n₁分别为α_X′X、α_X′Y和α_X′Z的余弦值，

l₂、m₂和n₂分别为α_Y′X、α_Y′Y和α_Y′Z的余弦值，

l₃、m₃和n₃分别为α_Z'X、α_Z'Y和α_Z'Z的余弦值，

t₁、t₂和t₃分别为被测仪器目标立方镜坐标系的原点在星体坐标系中的坐标。

4.根据权利要求1或2所述的星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，步骤二中，

的表达式为：

5.根据权利要求1或2所述的星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，步骤四中，调整方程的建立过程如下：

当星载仪器设备安装到位时，满足：

则有：

将公式1、公式2和公式3代入公式4，获得垫片调整方程：

6.根据权利要求2所述的星载仪器设备的精密调整方法，其特征在于，步骤八中，

角度差的绝对值应满足下式：

α_X'X、α_X'Y和α_X'Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O'X′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Y′X、α_Y'Y和α_Y′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Y′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角，

α_Z′X、α_Z′Y和α_Z′Z分别为被测仪器目标立方镜坐标系中O′Z′轴与星体坐标系中三个坐标轴的夹角；

位置坐标差的绝对值应满足下式：

t₁、t₂和t₃分别为被测仪器目标立方镜坐标系的原点在星体坐标系中的坐标。

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