大型航天器裝配精度檢測技術(shù)發(fā)展分析

李凱 程聰 樊福欣

北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100000

航天器裝配精度檢測存在于整個航天器集成測試的全程中，在初裝階段，需把位姿檢測數(shù)據(jù)向裝調(diào)人員或者設(shè)備進行反饋，用作精密裝調(diào)的指導(dǎo)；而在進行力學(xué)試驗時，需深入分析力學(xué)環(huán)境對設(shè)備安裝位勢所產(chǎn)生的影響；此外，在熱試驗過程中，需分析航天器結(jié)構(gòu)熱所造成變形對設(shè)備安裝位姿所產(chǎn)生的影響等。當(dāng)前，在對大型航天器進行系統(tǒng)集成測試時，需進行裝配精度的檢測，而且對精度有非常高的要求，本文結(jié)合當(dāng)前實況，就其技術(shù)與進展作一探討[1]。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 以經(jīng)緯儀空間交會技術(shù)為基礎(chǔ)的光學(xué)基準位姿測量

在整個航天器中，所使用的單片機設(shè)備大多為光學(xué)立方鏡（尺寸為20×20×20mm），而在立方鏡上，設(shè)置有三個呈正交狀態(tài)的反射刻線，其所代表的就是基準坐標系的坐標軸，而在其表面上，十字刻線所表示的是坐標原點?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外許多航天企業(yè)均采用多臺經(jīng)緯儀布站測量（帶有準直功能）的方法，比如印度宇航局用經(jīng)緯儀對火星探測器進行測量，EAS宇航局用多臺經(jīng)緯儀對Lisapathinder探測器進行測量。

1.2 以高精度激光測距技術(shù)為基礎(chǔ)的機械結(jié)構(gòu)基準測量

當(dāng)航天器系統(tǒng)被集成之后，通常需對部件組合好之后的結(jié)構(gòu)尺寸進行測量，比如大型太空望遠鏡組合體，其在完成集成之后的形面精度以及航天器上機械臂、天線等結(jié)構(gòu)相對于航天器機械基準的具體位姿等。此類測量一般是對結(jié)構(gòu)上的機械基準進行測量，比如孔位、形面等，因有著比較高的測量精度要求，而且尺寸大，因此，經(jīng)常會用以高精度激光測距為基礎(chǔ)的激光雷達、激光跟蹤儀等設(shè)備。比如NASA（美國）便將激光雷達（NIKON）與激光跟蹤儀（LEICA）組合在一起，對詹姆斯·韋伯望遠鏡主鏡的形面進行測量，再比如我國用激光雷（NIKON）對嫦娥三號著陸器的發(fā)動機（7500N）形面進行測量。

1.3 以多傳感器組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的實時動態(tài)位姿測量

許多航天器系統(tǒng)在集成時，需要對行走與展開過程進行實時性的位姿檢測，比如空間站機械臂的展開過程、大型通信衛(wèi)星天線桅桿的展開過程以及月球車、火星車的行走試驗等。此外，有些航天器在完成集成工作后，還需要對其開展變形監(jiān)測試驗，在特定地面對太空的各種環(huán)境進行模擬，比如失重、真空、溫度等，對航天器結(jié)構(gòu)變化以及設(shè)備的位姿變化進行實時監(jiān)測。在實時監(jiān)測位姿方面，國內(nèi)外航天領(lǐng)域多選用的是由諸多傳感器所組網(wǎng)的一種測量技術(shù)，也就是將多臺測量傳感器設(shè)置在被測件的周圍，與此同時，把若干被測靶標固定在被測件上，通過同步實時監(jiān)測擬合多個被測靶標，從中獲得被測件的實時位姿情況，或者是形面的整個變化過程。而當(dāng)前比較常用的傳感器主要有工業(yè)相機、室內(nèi)GPS等[2]。

2 發(fā)展趨勢

2.1 關(guān)于多系統(tǒng)集成測量方法的研究

因航天器具有被測參數(shù)多、結(jié)構(gòu)尺寸大等特點，所以較難單憑一種測量系統(tǒng)便將航天器裝配集成的全部測量任務(wù)完成掉。比如航天器上所設(shè)置的光學(xué)立方鏡，其在基準間位姿關(guān)系上，主要借助經(jīng)緯儀進行準直測量，另外，還用激光跟蹤儀對其結(jié)構(gòu)件形面孔位精度進行測量，如果需在光學(xué)立方鏡基準下對結(jié)構(gòu)件的形面、孔位等進行測量，需將激光跟蹤儀與經(jīng)緯儀相聯(lián)合來進行測量。針對那些柔性網(wǎng)狀天線來講，當(dāng)其展開之后，其軸線指向測量時，需將激光跟蹤儀結(jié)合于手持掃描設(shè)備或者工業(yè)相機來進行測量。在實際測量過程中，怎樣把各測量系統(tǒng)的坐標系融合統(tǒng)一在一起，并實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的合理融合，乃是當(dāng)前研究的熱、難點。比如北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所圍繞多系統(tǒng)集成，成功研制出先進的坐標轉(zhuǎn)換標準器，而且還在上面設(shè)置了靶標（用于識別各測量系統(tǒng)），另外，還借助計量結(jié)構(gòu)，對靶標間所存在的關(guān)系進行高精度校準。在測量航天器時，不同測量系統(tǒng)對此轉(zhuǎn)換器進行測量，可統(tǒng)一坐標系。NASA依據(jù)韋伯望遠鏡科學(xué)儀器艙的基本測量要求，進行了以廣義USMN平差算法為基礎(chǔ)，將激光雷達聯(lián)合激光跟蹤儀共同進行測量的相關(guān)研究。

2.2 關(guān)于新的測量傳感器技術(shù)分析

伴隨當(dāng)前對航天器裝配檢測精度要求的不斷提高，如果仍采用已有設(shè)備進行測量，往往難以滿足現(xiàn)實需要，需進行全新測量傳感器的研究。比如激光跟蹤儀，其實際是以激光干涉原理為基礎(chǔ)而形成的相對測距技術(shù)，僅能對靶鏡連續(xù)移動時的相對距離進行測量，如果出現(xiàn)斷光情況，那么需要利用其它攝影測量等技術(shù)，來繼續(xù)進行測量，如此一來，便會降低測量精度。中科院光電研究院結(jié)合自身研究，提出了以雙光梳絕對測距技術(shù)為基礎(chǔ)的激光跟蹤儀，參考脈沖的相對光譜相位，并結(jié)合光頻梳的測量脈沖，獲取被測物的實際距離，這樣不僅使激光干涉測距的精度得到保持，而且還消除了斷光續(xù)接對測量精度所造成的影響。現(xiàn)階段，此技術(shù)已成功研制出原理樣機，測量進度為1.5μm（1σ），范圍為10米[3]。

3 結(jié)語

綜上，作為源頭信息獲取手段，裝配檢測被融合到航天器裝配研制的各環(huán)節(jié)當(dāng)中。近年，伴隨工業(yè)測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與成熟，航天裝配檢測技術(shù)在此背景下，得到大幅提升，一些新的測量手段（比如室內(nèi)GPS、激光跟蹤儀等）在其中得到不錯應(yīng)用。伴隨航天技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其對裝配檢測技術(shù)的各方面，會有更高的要求，因此，亟需開發(fā)一些更為高效且實用的測量技術(shù)或系統(tǒng)。