基于工件坐标系的航天器产品总装精度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及总装精度测量领域，具体涉及航天产品总装精度测量方法。
【背景技术】
[0002] 总装精测技术是保证航天器总体装配精度的有力手段，总装精度测量是航天器总 体装配过程中不可缺少的重要环节。
[0003] 航天器大多结构复杂，所以其装配顺序都是先进行分系统的部组件装配，然后再 进行总体装配。总体装配精度测量的目的就是采用一定的测试方法作为技术手段，检测部 组件理论轴线的直线性、几何外形面的同轴性、分系统相对星体的相对位置关系，以及太阳 敏感器、陀螺仪、姿控发动机、惯组等部件的安装方位等参数是否满足总体设计要求。总装 精测的数据还可以为以后的飞行测试和新型号航天器的研制的开发提供宝贵的科学依据。
[0004] 传统总装精测中常利用经炜仪系统，经炜仪测量系统是一种由多个精度很高的电 子经炜仪所构成的测量系统，其中任意的两台电子经炜仪通过相应的定标处理可建立并定 义测量坐标系。如图5所示。
[0005] 将两台电子经炜仪调整到可以同时瞄准被检测点，该情况下，每台经炜仪即可得 到相应的竖直角和水平角，点P的坐标便可以计算得到，如式(2-1)所示。
[0006] (2-1)
[0007] 定标时，利用已知长度为L的基准尺，（€^1，臥1，€^1，邱1)表示第一台经炜仪瞄准 基准尺两端两个目标点的水平角和俯仰角，（42，從2，仙2，邱），表示第二台经炜仪瞄准基 准尺两端两个目标点的水平角和俯仰角，求得基线长b为：
[0008] α-2)
[0009]为了避免冗余信息，提高测量的精度，对上式进行改进可得：
[0010]
(2-3)
[0011] 国内卫星精测多采用经炜仪测量系统。经炜仪测量系统应用在航天器总装中，主 要采用的是立方镜测量方法，借助高精度经炜仪光电自准直技术，来确定被检测仪器和设 备的安装位置和姿态。在某些特殊的项目中，只能使用经炜仪的光电自准直和立方镜法线 转换的方法来测量，比如航天相机光轴的测量。不过经炜仪布站位置和瞄点误差有时会大 于0.2_。再加上只能靠人眼去确定法线位置，所以该方法只适合静态测量。
[0012] 立方镜是目前为止卫星精测中不可缺少的部件，适合于卫星精测的测量仪器，只 有经炜仪。立方镜作为坐标转换器，也是针对经炜仪量身定制的。用立方镜作为精测的部 件，源于早期的卫星设计。卫星上的各载荷，如照相机、导航仪等，都有各自的立方镜坐标 系，以便在安装时，方便测量。立方镜(Cube)是一个很重要的辅助测量工具，贯穿卫星总装 精密测量的始终。它是经过精密加工，平面度极高的立方体，各面之间的垂直度可达±3〃， 其表面中心处刻有十字刻线，精度达微米级，在进行有位置度测量时供电子经炜仪瞄准。
[0013] 综上可得，经炜仪测量系统有如下特点：测量方位精度高，测量坐标点精度低；测 量效率低，难度大;立方镜加工难，大量产品中只能挑选出少数合格品;立方镜随卫星上天， 占有载荷重量。
【发明内容】
[0014] 本发明是为了解决现有的经炜仪测量系统测量效率低、难度大的问题以及立方镜 加工难，合格品率较低且立方镜随卫星上天占有载荷重量的问题。
[0015] 基于工件坐标系的航天器产品总装精度测量方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤1、公共坐标系的建立：
[0017] 针对需要检测部组件安装精度的航天器主体，在航天器主体表面选取若干个公共 基准点，在航天器主体目前所处位置的参照物平面上选取若干个公共基准点，并在所有的 公共基准点中的4-6公共基准点上设置光学反射器，即靶球；
[0018] 分别在AdPA2位置设置激光跟踪仪a#Pa2;通过激光跟踪仪和靶球的配合，调节激 光跟踪仪 &1获得公共基准点在激光跟踪仪&1坐标系下的坐标数据;再利用激光跟踪仪&2采 集相同的公共基准点，获得相同公共基准点在激光跟踪仪 &2坐标系下的坐标数据；
[0019] 将两台激光跟踪仪分别采集得到的两组公共基准点坐标一一对应，通过Spatial Analyzer软件进行最佳拟合，即令同一个公共基准点的两个三维坐标点尽量重合，完成公 共坐标系的建立;在软件界面上，公共坐标系的坐标和两台激光跟踪仪的位置能够真实映 射出他们在实际空间中的位置;建立公共坐标系时选取共基准点的示意图如图1所示；
[0020] 步骤2、对公共坐标系下的某些公共基准点进行相应空间几何处理，建立基准坐标 系：
[0021]利用激光跟踪仪&1和&2采集航天器主体底面圆周上多个点，在基准坐标系下拟合 这些点获得最小二乘平面，以该面的法线方向作为基准坐标系的X轴方向；利用激光跟踪仪 &1和 &2采集航天器主体上安装孔中的6-8个孔的轴线，轴线与底面圆周相交成6-8个标定基 准点，拟合这6-8个标定基准点获得空间圆，将该圆的圆心作为基准坐标系的原点0;令6-8 个标定基准点中有1个标定基准点为基准坐标系的Y轴(或Z轴)上的点，根据右手定则，获得 Z轴(或Y轴）；
[0022]步骤3、检测部组件的装配精度：
[0023] 多次在待检测部组件表面设置多个靶球，并通过激光跟踪仪a#Pa2和靶球配合，将 测量得到的点组合进行最小二乘面拟合，通过与基准坐标系的比较计算，得到部组件的装 配精度；
[0024] 步骤4、针对其他待检测部组件，移动利用激光跟踪仪&1和&2，执行步骤1-3,完成其 他待检测部组件的安装精度测量。
[0025] 步骤3所述的检测部组件的装配精度的具体过程如下：
[0026] 多次在待检测部组件表面设置多个靶球，将激光跟踪仪的测量模式设置为稳定点 扫描模式，并通过激光跟踪仪a#Pa2和靶球配合，对待检测部组件进行扫描；
[0027] (1)如图3(a)和(b)所示，如果待检测部组件为方体，将测量得到的点组合，利用 Spatial Analyzer软件进行最小二乘面拟合，得到平面的法线，计算出法线与基准坐标系 对应坐标轴的夹角，从而判断待检测部组件的安装精度；
[0028] (2)如果待检测部组件为圆柱体或者椎体(如具有喉径的喷管等），不但要检测待 检测部组件的平面安装精度，还要检测待检测部组件的轴线安装精度。
[0029]本发明具有以下有益效果：
[0030] 本发明针对传统的经炜仪测量系统，提出基于激光跟踪仪对航天器产品总装精度 进行测量，从而避免了使用立方镜，也就避免了遇到立方镜加工难、合格品较少的瓶颈。本 发明不需要立方镜随卫星上天，减少了卫星的占有载荷重量。而且由于本发明不需要使用 立方镜也不需要立方镜随卫星上天可以大量节省测量成本和卫星发射成本。
[0031] 本发明突破了利用传统的经炜仪测量系统的惯性思维模式，提出了基于激光跟踪 仪对航天器产品总装精度进行测量，并通过大量的仿真试验证明了 ：（1)利用激光跟踪仪测 量两平面夹角时，当激光跟踪仪与被测目标距离3m，被测平面面积至少为60mm见方时，测量 角精度优于3〃 ；（2)在一定条件下，利用激光跟踪仪测量平面的方位精度完全能够达到某型 号产品总装精测要求的精度，所以本文提出的用激光跟踪仪进行总装精测的方法能够完成 对某型号产品安装精度的测量。
[0032] 本发明也针对基于激光跟踪仪对航天器产品总装精度进行测量确定了建立公共 坐标系的公共基准点选取的最佳数目，而且也提出了进行对安装部组件进行测量时采集点 的数量必须与被测平面大小相匹配，在利用激光跟踪仪采集面上的点时，采集点数相对被 测平面大小要密集。
[0033] 同时本发明大大简化了利用传统经炜仪测量系统进行测量的操作过程，简化了测 量步骤，节省了测量时间，提高了测量效率。而且能够基于本发明实现自动化测量。
【附图说明】
[0034]图1为建立公共坐标系时选取共基准点的示意图；
[0035]图2为待测部组件的轴线示意图；
[0036] 图3(a)为检测部组件安装精度的示意图；
[0037] 图3(b)为检测部组件安装精度的示意图；
[0038] 图4(a)为检测部组件轴线安装精度时在平整端面设置靶球的示意图；
[0039] 图4(b)为检测部组件轴线安装精度时在平整端面设置靶球的示意图；
[0040] 图5为经炜仪坐标测量系统原理示意图；
[0041 ]图6为面积仿真实验数据的绝对误差比较效果图；
[0042] 图7为面积仿真实验数据的不确定度比较效果图；
[0043] 图8为测量面面积大于60mm见方的不确定度试验效果图；
[0044] 图9(a)实验对象选取的平面示意图；
[0045] 图9(b)实验对象选取的平面示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0046] 一：
[0047] 基于工件坐标系的航天器产品总装精度测量方法，包括以下步骤：
[0048]步骤1、公共坐标系的建立：
[0049] 针对需要检测部组件安装