卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，该装置将带有CCD成像和自动准直功能的经纬仪、视觉搜索相机、精密转台、精密导轨等装置进行集成，将被测卫星固定于精密转台上，根据卫星上多个待测设备的理论安装位置，通过精密导轨、精密转台进行测量装置的自动定位，再在小范围内通过视觉搜索相机对基准立方镜进行图像识别和搜索实现自动精确准直，最终实现批量设备姿态角度矩阵的自动化测量。本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，在有理论安装数据的条件下，可实现以光学立方镜为基准的不同设备之间姿态角度矩阵的自动化测量，测量精度优于5″，测量效率可以达到每分钟一项。
【专利说明】卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业测量领域，具体涉及在卫星系统集成装配中，对大量以立方镜为 基准坐标系的设备相对参考基准立方镜姿态角度矩阵进行高精度自动化测量的测量装置， 该装置主要应用于航天器系统级总装集成、精密光学系统集成等先进工业制造中。
【背景技术】
[0002] 在以卫星总装为代表的现代大型精密系统集成制造过程中，需要精密测量大量设 备相对参考基准的姿态角度矩阵。需要高精密装配的设备的基准一般采用光学基准立方 镜，用基准立方镜的镜面法线代表设备坐标系坐标轴的指向。因此测量设备相对参考基准 的姿态角度矩阵，就是测量大量被测基准立方镜镜面法线相对参考基准立方镜镜面法线之 间的空间夹角。由于大量的设备安装位置的随机性，镜面法线夹角测量就表现为远距离异 面直线夹角的测量。测量难点表现为：1)任意两条法线之间不想交，且距离远；2)测量精度 要求高，一般在角秒量级；3)测量工作量大，一颗类似航天器的复杂系统，需要测量的项目 在几十项甚至达到上百项。
[0003] 目前国内外异面直线间夹角测量技术研宄的较少。天津大学的裘祖荣教授、张国 雄教授课题组提出了基于摄影测量的异面直线夹角测量方法，即在不同被测设备或部件上 固定多个靶标点，通过CCD成像测量靶标点拟合不同直线实现异面直线间的夹角测量，详 见天津大学的胡文川在《光学精密工程》2012年第20卷第7期发表的论文"大尺寸空间异 面直线夹角的检测"。该方法测量精度只能达到角分量级，且不适合以光学立方镜为基准的 异面直线间的夹角测量。针对基于光学立方镜为基准的异面直线夹角测量，目前普遍采用 的是经炜仪建站测量方法。即利用带有准直功能的高精度经炜仪如徕卡TM5100A等，分别 准直待测的平面镜、立方镜，然后通过经炜仪之间的互瞄，利用经炜仪的码盘数值计算得到 异面直线之间的夹角。如解放军信息工程大学的杨振等在2008年数字测绘与GIS技术应用 研讨交流会上发表的论文"准直测量进行高精度立方镜间关系标定"。但由于经炜仪观测时 必需用人眼观测，受经炜仪布站远近、光照等环境因素影响，测量精度不高，且无法实现自 动化测量。本发明中提出了根据设备的安装理论数据，利用精密转台、精密导轨将带有CCD 成像功能的自动准直经炜仪移动定位到理论测量位置，在此基础上利用视觉搜索相机对被 测基准立方镜的姿态位置进行局部搜索，引导CCD自动准直经炜仪对位置和光管指向进行 进一步精调，最后实现对大量基准立方镜姿态角度矩阵的高精度自动化测量。
[0004] 随着航天航空以及大型精密光学系统等先进制造工业的发展，对以光学立方镜为 测量基准的设备安装姿态角度矩阵测量需求越来越多，精度要求越来越高，因此大量设备 安装姿态角度矩阵自动化测量方法具有广泛的应用前景，可以促进未来航天航空等大型复 杂系统集成制造业的发展。
【发明内容】
[0005] 本发明的总体思想在于将带有C⑶成像和自动准直功能的经炜仪、视觉搜索相 机、精密转台、精密导轨等装置集成为一个自动测量系统，将被测卫星固定于精密转台上， 根据卫星上待测设备的理论安装数据，计算出CCD准直经炜仪的最优位置，通过精密导轨、 精密转台进行测量装置的自动定位，再在小范围内通过视觉搜索相机对基准立方镜进行图 像识别和搜索实现自动准直，最终实现批量设备姿态角度矩阵的自动化测量，测量精度可 以达到角秒级。
[0006] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置、二维调平装置、CCD自动准直经炜仪、视觉搜索相机、 隔振平台、工控机、精密转台，二维导轨Z向移动装置和二维导轨X向移动装置组合成二维 导轨，通过二维调平装置承载CCD准直经炜仪在XZ面内平行移动，视觉搜索相机用于对设 置在精密转台上的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立 方镜，并计算出基准立方镜相对CCD准直经炜仪的位置，视觉搜索相机机械固定在CCD准直 经炜仪顶部，精密转台用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度 值Θ，通过转动使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经炜仪，精密转台带有自 动调平功能实现自动调平，隔振平台用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动 对测量精度的影响；其中，隔振平台上还设置工控机，工控机控制测量装置中的各部件并采 集其相应数据，计算出基准立方镜间的姿态角度矩阵。
[0008] 其中，工控机与CXD自动准直经炜仪连接，读取经炜仪的CXD图像、经炜仪的水平 角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动准直经炜仪精确准直被测卫星上的被测基准 立方镜的反射镜面；工控机与视觉搜索相机连接，读取相机的图像信息，并进行图像处理和 计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指令使转台转动，读取精密转台实际转 动的角度Θ;工控机与二维导轨Z向移动装置、二维导轨X向移动装置连接，向导轨发出控 制指令使导轨带动CCD准直经炜仪平行移动所需要的距离。
[0009] 其中，二维导轨Z向移动装置和精密转台通过螺钉固定安装在隔振平台上。
[0010] 其中，CXD自动准直经炜仪用于准直基准立方镜的反射面并通过螺钉固定安装于 二维调平装置上。
[0011] 其中，二维调平装置用于承载C⑶准直经炜仪，二维调平装置带有水平传感器和 自动调平机构。
[0012] 其中，二维调平装置通过螺钉固定安装于二维导轨X向移动装置上。
[0013] 本发明具有如下的有益效果：
[0014] 通过本发明中的高精度自动化测量方法及装置，在有理论安装数据的条件下，可 以实现卫星上以光学立方镜为基准的不同设备之间姿态角度矩阵的自动化测量。测量精度 优于5"，测量效率可以达到每分钟一项。目前该方法和装置在卫星总装中已经得到了良好 的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明中使用的通常的基准立方镜示意图。
[0016] 图2为本发明中模拟卫星上的基准立方镜分布的示意图。
[0017] 图3为本发明中基准立方镜间的相对姿态角度矩阵。
[0018] 图4为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置示意图。 其中，1 一二维导轨Z向移动装置、2-二维导轨X向移动装置、3 -二维调平装置、4 一CXD 准直经炜仪、5 -视觉搜索相机、6 -隔振平台、7 -工控机、8-隔振平台。
[0019] 图5为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOY面 的投影示意图。
[0020] 图6为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOZ面 的投影示意图。
[0021] 图7为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置的内部 通信连接示意图。
【具体实施方式】
[0022] 以下介绍的是作为本
【发明内容】
的【具体实施方式】，下面通过【具体实施方式】对本发明 内容作进一步的阐明。当然，描述下列【具体实施方式】只为示例本发明的不同方面的内容，而 不应理解为限制本发明范围。
[0023] 本文中，术语"基准立方镜"是指一个用光学玻璃做成的正交六面体，如图1所示， 包括顶面、底面和四个侧面，每个面均镀有反射膜，每相邻的两个反射面法线相互正交，3个 相互正交的镜面法线代表设备本体坐标系的坐标轴X，y，z指向。
[0024] 被测卫星上可以用不同基准立方镜分别代表卫星上设置的不同设备，如图2所 示，给出了本发明中模拟卫星上的基准立方镜分布的示意图，若干被测基准立方镜设置在 被测卫星上以表示各个不同的设备。其中，本发明中涉及的姿态角度矩阵是指被测基准立 方镜的3个坐标轴相对参考基准立方镜的3个坐标轴的空间夹角构成的角度矩阵。例如， 图2中的被测基准立方镜Cbn相对参考基准立方镜Cbj的姿态角度矩阵如图3所示，分别由 九个角度来表示。
[0025] 图4为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置示意图。 图5为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOY面的投影示 意图。图6为本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置在XOZ面 的投影示意图。整个测量系统全局坐标系原点定义在精密转台的上端面中心，垂直水平面 向上为Z轴，沿二维导轨X向移动装置的移动方向为X轴，Y轴由右手法则确定，二维导轨 坐标系与全局坐标系平行。在XOY投影平面上布局如图5所示，二维导轨X向移动装置中 心与精密转台中心连线平行于Y轴，到原点的距离设为ΔΥ。在XOZ投影平面上布局如图6 所示，将精密转台的上端面设为Z方向的初始位置0。其中，本发明的卫星上批量设备姿态 角度矩阵的高精度自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置1、二维导轨X向移动装置 2、二维调平装置3、C⑶自动准直经炜仪4、视觉搜索相机5、隔振平台6、工控机7、精密转 台8,二维导轨Z向移动装置1和二维导轨X向移动装置2组合成二维导轨，通过二维调平 装置3承载CCD准直经炜仪4在XZ面内平行移动，视觉搜索相机5用于对设置在隔振平台 6上的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立方镜，并计算 出基准立方镜相对CCD准直经炜仪4的位置，视觉搜索相机5机械固定在CCD准直经炜仪4 顶部，精密转台8用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度值Θ， 通过转动使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经炜仪4,精密转台8带有自动 调平功能实现自动调平，隔振平台6用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动 对测量精度的影响；其中，隔振平台6上还设置工控机7,工控机7与C⑶自动准直经炜仪4 连接，读取经炜仪的CCD图像、经炜仪的水平角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动 准直经炜仪4精确准直被测卫星上的被测基准立方镜的反射镜面；工控机7与视觉搜索相 机5连接，读取相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机7与精密转台8连接，向精 密转台8发出控制指令使转台转动，读取精密转台8实际转动的角度Θ;工控机7与二维 导轨Z向移动装置1、二维导轨X向移动装置2连接，向导轨发出控制指令使导轨带动CCD 准直经炜仪4平行移动所需要的距离，本发明的卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自 动化测量装置的内部通信连接示意图如图7所示。二维导轨Z向移动装置1和精密转台8 通过螺钉固定安装在隔振平台6上；CCD自动准直经炜仪4用于准直基准立方镜的反射面 并通过螺钉固定安装于二维调平装置3上，二维调平装置3用于承载C⑶准直经炜仪4,二 维调平装置3带有水平传感器和自动调平机构，二维调平装置3通过螺钉固定安装于二维 导轨X向移动装置上。
[0026] 使用本发明中的测量装置测量卫星上多个被测基准立方镜相对参考基准立方镜 姿态角度矩阵时，首先将被测卫星通过销螺钉固定安装在精密转台上。通过转台上的销 钉孔进行定位，使卫星本体坐标系与精密转台坐标系重合。同时将卫星上基准立方镜Cbj、 Cbl,Cb2……Cbn相对卫星本体坐标系的理论安装位置和姿态角度矩阵输入到工控机中，由 工控机根据输入的理论安装数据计算出测量每个基准立方镜上两个相邻侧面法线（如图 2中的xbj、Ybj、xbl、Ybl、xb2、Yb2……xbn、Ybn)时，精密转台所需要转动的角度θ，CCD准直 经炜仪的水平角H和俯仰角E以及CCD准直经炜仪在二维导轨的X向和Z向需要移动的 距离ΛΧ、ΛΖ。如对于被测基准镜Cbn的镜面法线Xbn，则得到以下信息（θ'xbn、H' ftn、 E'xbn、AXxbn、AZxJ。工控机根据得到的上述理论信息，对测量各个镜面法线的顺序进 行优化，将CCD准直经炜仪沿二维导轨X向或Z向依次移动到需要测量的位置，将CCD准 直经炜仪水平角和俯仰角预置成理论角度fxbn、an，将精密转台转动预定的角度 Θ^xbn。此时若被测镜面法线Xbn进入C⑶准直经炜仪的视野，则C⑶准直经炜仪会自动 进行水平角和俯仰角调整实现精确准直，根据最终实际测量得到的经炜仪水平角Hxbn和 俯仰角Exbn以及精密转台的转动角Θxbn计算出镜面法线Xbnffi对全局坐标系X轴、Y轴、 Z轴的空间夹角αχηΧ、βχηγ、γχηζ。若被测镜面\"没有进入C⑶准直经炜仪的视野，则视 觉搜索相机自动执行搜索程序，引导CCD准直经炜仪沿二维导轨的X轴、Z轴移动，并调 整经炜仪的水平角Hxbn和俯仰角Eftn，使被测镜面法线Xbn进入C⑶准直经炜仪的视野，然 后再开始测量得到镜面法线\"相对全局坐标系X轴、Y轴、Z轴的空间夹角αχηΧ、βχηγ、 γχηζ。计算αχηΧ、βχηγ、Yxnz角的余弦值，可以得到镜面法线Xbn在全局坐标系下的单位矢 量^*= (cos(axnX)、cos(PxnX)、cos(YχηΧ))。最后依次测量得到所有基准镜侧面法线 在全局坐标系下的单位矢量?^*。每个基准立方镜的 两个相邻侧面法线矢量可以叉乘得到顶面的法线矢量，从而得到
[0027] 最后由矢量夹角计算公式得到被测基准镜Cbn镜面法线相对于参考基准立方镜 Cbj镜面法线的夹角。如^与^的夹角=acosi$Ybl1 .Ybj)"被测基准镜Cbn相对于 参考基准立方镜Cw镜的姿态角度矩阵如公式（1)所示。
[0028]
【权利要求】
1. 卫星上批量设备姿态角度矩阵的自动化测量装置，包括二维导轨Z向移动装置、二 维导轨X向移动装置、二维调平装置、CCD自动准直经炜仪、视觉搜索相机、隔振平台、工控 机、精密转台，二维导轨Z向移动装置和二维导轨X向移动装置组合成二维导轨，通过二维 调平装置承载CCD准直经炜仪在XZ面内平行移动，视觉搜索相机用于对设置在精密转台上 的被测卫星局部成像，通过模式识别搜索到被测卫星上设置的被测基准立方镜，并计算出 基准立方镜相对CCD准直经炜仪的位置，视觉搜索相机机械固定在CCD准直经炜仪顶部，精 密转台用于承载被测卫星，带动被测卫星绕Z轴转动，并给出实际转动角度值0，通过转动 使卫星上被测基准立方镜侧面法线指向CCD准直经炜仪，精密转台带有自动调平功能实现 自动调平，隔振平台用于承载所有测量装置中的各部件，以减少外界振动对测量精度的影 响；其中，隔振平台上还设置工控机，工控机控制测量装置中的各部件并采集其相应数据， 计算出基准立方镜间的姿态角度矩阵。
2. 如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，工控机与CCD自动准直经炜仪连接，读 取经炜仪的CCD图像、经炜仪的水平角H和俯仰角E，并发出控制指令，使CCD自动准直经炜 仪精确准直被测卫星上的被测基准立方镜的反射镜面；工控机与视觉搜索相机连接，读取 相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指 令使转台转动，读取精密转台实际转动的角度9 ;工控机与二维导轨Z向移动装置、二维导 轨X向移动装置连接，向导轨发出控制指令使导轨带动CCD准直经炜仪平行移动所需要的 距离。
3. 如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，二维导轨Z向移动装置和精密转台通过 螺钉固定安装在隔振平台上。
4. 如权利要求1所述的自动化测量装置，其中，(XD自动准直经炜仪用于准直基准立方 镜的反射面并通过螺钉固定安装于二维调平装置上。
5. 如权利要求1-4任一项所述的自动化测量装置，其中，二维调平装置用于承载CCD准 直经炜仪，二维调平装置带有水平传感器和自动调平机构。
6. 如权利要求1-4任一项所述的自动化测量装置，其中，二维调平装置通过螺钉固定 安装于二维导轨X向移动装置上。
【文档编号】G01C1/02GK104457688SQ201410654349
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】杨再华, 代卫兵, 万毕乐, 易旺民, 刘涛, 刘浩淼, 闫荣鑫, 郭洁瑛, 张成立, 陶力, 阮国伟, 王伟 申请人:北京卫星环境工程研究所