一種特殊衛(wèi)星推力器矢量測量方法

王偉，郭潔瑛，任春珍，劉浩淼

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心；北京　100094）

?

一種特殊衛(wèi)星推力器矢量測量方法

王偉1，2，郭潔瑛1，2，任春珍1，2，劉浩淼1，2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心；北京100094）

摘要：常規(guī)衛(wèi)星推力器的總裝精度測量是通過經(jīng)緯儀系統(tǒng)準(zhǔn)直測量立方鏡工裝實(shí)現(xiàn)的。某衛(wèi)星上出現(xiàn)了一種帶有一個(gè)135°拐角的特殊推力器，受其結(jié)構(gòu)及安裝位置的限制，使用常規(guī)的經(jīng)緯儀，現(xiàn)有的精度測量軟件和立方鏡精測工裝無法直接測得此特殊推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的角度。設(shè)計(jì)了一種新型精測工裝，并提出了基于該精測工裝的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量方法。該測量方法已經(jīng)過驗(yàn)證和認(rèn)可，并應(yīng)用到后續(xù)型號的此種特殊推力器矢量測量工作中。

關(guān)鍵詞：特殊衛(wèi)星推力器；矢量測量；新型精測工裝

推力器是為衛(wèi)星進(jìn)行變化軌道和調(diào)整姿態(tài)提供動(dòng)力的重要控制設(shè)備［1］，其在衛(wèi)星上的總裝精度將直接影響自身控制的精度及燃耗，從而影響航天任務(wù)的成敗。因此，在進(jìn)行推力器的總裝時(shí)必須準(zhǔn)確測量出其在衛(wèi)星上的安裝精度并將其調(diào)整到設(shè)計(jì)要求的范圍以內(nèi)［2］。推力器總裝精度測量至關(guān)重要，是衛(wèi)星的一項(xiàng)關(guān)鍵測試工作。推力器在衛(wèi)星上的總裝精度包括角度和位置度，推力器的角度是指其噴口端面的法線與衛(wèi)星坐標(biāo)系所成的角度；推力器的位置度是指推力器噴口端面中心點(diǎn)在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

目前，推力器在衛(wèi)星上的總裝精度測量是通過電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的［3］。由于經(jīng)緯儀無法直接準(zhǔn)直測量推力器，所以須借助精測工裝并以其作為測量基準(zhǔn)，推力器的精測工裝一般為標(biāo)準(zhǔn)的立方鏡。在進(jìn)行推力器總裝精度測量之前，首先須在推力器噴口的端面上安裝立方鏡工裝，然后使用經(jīng)緯儀系統(tǒng)準(zhǔn)直測量立方鏡，平行于推力器噴口端面的立方鏡鏡面的法線與衛(wèi)星坐標(biāo)系所成的角度就代表推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的角度；使用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)布站定標(biāo)測點(diǎn)可以測得推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的位置度。

常規(guī)推力器的結(jié)構(gòu)都是直線型的，且安裝時(shí)指向衛(wèi)星的下側(cè)或外側(cè)，可通過經(jīng)緯儀系統(tǒng)準(zhǔn)直測量立方鏡工裝，然后再使用精測軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算就能夠直接獲得推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的角度。但在某平臺的衛(wèi)星上出現(xiàn)了一種帶有一個(gè)135°拐角的特殊推力器，同時(shí)它的噴口又指向衛(wèi)星內(nèi)側(cè)，受該推力器結(jié)構(gòu)及安裝位置的限制，常規(guī)的精測方法無法直接實(shí)現(xiàn)其在衛(wèi)星坐標(biāo)系下角度的測量。為了準(zhǔn)確測量出型號中出現(xiàn)的這種特殊推力器在衛(wèi)星上的安裝角度，保證其能夠正常工作，本文首次提出了帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量方法，成功解決了此種特殊推力器在衛(wèi)星上安裝角度無法測量的難題，并在型號中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，效果良好。

1　測量難點(diǎn)分析

衛(wèi)星上使用的常規(guī)推力器的結(jié)構(gòu)均為直線型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　常規(guī)衛(wèi)星推力器結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)衛(wèi)星推力器的精測工裝是金屬立方鏡，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬立方鏡的表面進(jìn)行了鍍膜，以便反射經(jīng)緯儀的準(zhǔn)直光并保證其測量精度。

圖2　常規(guī)衛(wèi)星推力器的立方鏡精測工裝結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行常規(guī)推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的角度精度測量時(shí)，首先將立方鏡工裝通過螺釘安裝固定在推力器的噴口端面上，如圖3所示。

從圖3中可以看出，常規(guī)推力器噴口的法線豎直向下。在進(jìn)行常規(guī)推力器在衛(wèi)星上安裝角度的測量時(shí)，使用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)分別準(zhǔn)直立方鏡垂直于推力器噴口端面的兩個(gè)相鄰并相互垂直的鏡面，則可直接獲得這兩個(gè)被測鏡面的法線在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的矢量，利用矢量叉乘計(jì)算則可間接獲得與這兩個(gè)鏡面都垂直的另一鏡面的矢量，再對該矢量進(jìn)行反余弦計(jì)算，即可得到常規(guī)推力器在衛(wèi)星上的安裝角度。

圖3　立方鏡精測工裝在常規(guī)衛(wèi)星推力器上的安裝示意圖

但是，近來在某平臺的衛(wèi)星上出現(xiàn)了一種帶有一個(gè)135°拐角的特殊推力器，其噴口與推力器的主體成135°夾角，如圖4所示。

圖4　特殊衛(wèi)星推力器結(jié)構(gòu)示意圖

特殊推力器在衛(wèi)星上的總裝位置如圖5所示，從圖中可以看出該推力器的噴口指向衛(wèi)星內(nèi)側(cè)。

圖5　特殊推力器在衛(wèi)星上的總裝位置示意圖

常規(guī)立方鏡精測工裝在特殊衛(wèi)星推力器上的安裝示意圖如圖6所示。

圖6　常規(guī)精測工裝在特殊衛(wèi)星推力器上的安裝示意圖

在對這種特殊衛(wèi)星推力器進(jìn)行安裝角度的測量時(shí)，衛(wèi)星是放置在支架車上的，同時(shí)該推力器的噴口又指向衛(wèi)星的內(nèi)側(cè)。在此種工況下如使用常規(guī)的總裝精度測量方法，就會因操作空間的限制只能使用經(jīng)緯儀準(zhǔn)直測量到立方鏡工裝的P面（如圖6所示）及與其平行的鏡面，只能直接得到這兩個(gè)鏡面的法線在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的矢量，無法準(zhǔn)直測量到與立方鏡工裝P面相鄰并垂直的鏡面，也就無法通過矢量叉乘的方式來計(jì)算得到推力器的矢量H。這樣就造成了使用現(xiàn)有的經(jīng)緯儀系統(tǒng)、精度測量軟件及立方鏡精測工裝的常規(guī)方法無法完成此種特殊衛(wèi)星推力器安裝角度的測量工作。

2　測量方法

使用常規(guī)的精度測量方法無法實(shí)現(xiàn)此種特殊推力器在衛(wèi)星上安裝角度的測量工作。為了解決該難題，本文提出了一種基于新型精測工裝的特殊推力器矢量的測量方法，準(zhǔn)確地獲得了這種特殊衛(wèi)星推力器的矢量，進(jìn)而獲得了該特殊推力器在衛(wèi)星上的安裝角度。此種測量方法得到了各方的一致認(rèn)可，并已在型號上進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。

結(jié)合特殊衛(wèi)星推力器的結(jié)構(gòu)及其在星體上的安裝位置，設(shè)計(jì)了適用于該推力器矢量測量的新型精測工裝，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。新型精測工裝由立方鏡和連接桿組成；采用不銹鋼材料一體化加工而成，連接桿與立方鏡上表面之間的夾角為135°；立方鏡表面進(jìn)行鍍膜；連接桿的另一端通過螺釘安裝固定在推力器噴口端面上，連接桿的B面即為該工裝與特殊衛(wèi)星推力器的安裝面。

圖7　新型精測工裝示意圖

新型精測工裝在特殊衛(wèi)星推力器上的安裝示意圖如圖8所示。

圖8　新型精測工裝在特殊衛(wèi)星推力器上的安裝示意圖

新型精測工裝之所以采用如此結(jié)構(gòu)，就是為了利用工裝與特殊推力器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將不可見的噴口法線轉(zhuǎn)化為方便測量且雙方向可見的立方鏡鏡面法線，建立特殊衛(wèi)星推力器矢量與新型精測工裝中立方鏡鏡面矢量之間的空間幾何關(guān)系，通過對由經(jīng)緯儀系統(tǒng)測量直接得到的立方鏡鏡面矢量的計(jì)算來間接獲得該特殊衛(wèi)星推力器的矢量，再對該矢量進(jìn)行反余弦計(jì)算，即可獲得特殊推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的安裝角度。

為了保證帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量精度，在設(shè)計(jì)新型精測工裝時(shí)對其加工精度要求如下：連接桿與立方鏡上表面的夾角為135°±2"；連接桿的B面及立方鏡各個(gè)鏡面的面形精度均為λ/4（λ=633nm）；立方鏡6個(gè)鏡面之間的平行度/垂直度誤差均小于3"；工裝6個(gè)鏡面的反射率在可見光波段（λ=0.45～0.65μm）內(nèi)均大于90%。

帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器及新型精測工裝的安裝示意圖如圖9所示，其噴口端面的法線在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的單位矢量用H來表示。

圖9　特殊推力器及新型精測工裝在衛(wèi)星上的安裝示意圖

在對該特殊衛(wèi)星推力器進(jìn)行精度測量時(shí)，首先將新型精測工裝通過螺釘牢固地安裝在推力器的噴口端面上。如圖10所示，設(shè)新型工裝立方鏡靠近衛(wèi)星內(nèi)側(cè)的鏡面為A面，其單位矢量為L；新型工裝立方鏡上表面的單位矢量為M；新型工裝立方鏡下表面的單位矢量為N。

圖10　特殊衛(wèi)星推力器矢量與

新型精測工裝的立方鏡各鏡面矢量關(guān)系圖

從圖10中可以知道，特殊衛(wèi)星推力器的單位矢量H與新型精測工裝中立方鏡的矢量E相等并且分別與立方鏡鏡面的單位矢量N和單位矢量L成45°夾角，由這四個(gè)矢量的空間關(guān)系［4］，可知道單位矢量H等于單位矢量N與單位矢量L之和，同時(shí)單位矢量N與單位矢量L的模又均為1，所以：

圖11為特殊衛(wèi)星推力器矢量測量光路圖。如圖11所示，在利用經(jīng)緯儀系統(tǒng)進(jìn)行特殊衛(wèi)星推力器的矢量測量時(shí)，首先架設(shè)經(jīng)緯儀T1與T2分別準(zhǔn)直衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡兩個(gè)相鄰并垂直的鏡面，然后再架設(shè)經(jīng)緯儀T3與T4分別準(zhǔn)直特殊推力器新型精測工裝立方鏡的兩個(gè)相鄰并垂直的鏡面，并且經(jīng)緯儀T2、T3及T4分別與經(jīng)緯儀T1互瞄，這樣就可以建立由新型精測工裝立方鏡各鏡面的法線構(gòu)成的坐標(biāo)系與由衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡各鏡面的法線構(gòu)成的坐標(biāo)系之間的角度矩陣關(guān)系，再利用衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系與衛(wèi)星坐標(biāo)系之間的矩陣關(guān)系（已知），就可以傳遞計(jì)算出新型精測工裝立方鏡各鏡面法線與衛(wèi)星坐標(biāo)系所成的角度，對角度進(jìn)行余弦計(jì)算則可以得到新型精測工裝立方鏡各鏡面法線在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的單位矢量，再通過式（1）就可以計(jì)算出特殊衛(wèi)星推力器噴口端面法線在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的單位矢量，對該矢量進(jìn)行反余弦計(jì)算則可獲得特殊推力器噴口法線與衛(wèi)星坐標(biāo)系三個(gè)軸所成的角度，即其在衛(wèi)星上的安裝角度。

圖11　特殊衛(wèi)星推力器矢量測量光路圖

至此就得到了特殊推力器在衛(wèi)星上的安裝角度，再依據(jù)其安裝角度的設(shè)計(jì)值及精度要求將其調(diào)整到合格的范圍內(nèi)，從而完成了帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器的總裝精度測量工作。

3　測量精度分析

帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量誤差源自三個(gè)方面，第一個(gè)方面是由新型精測工裝的加工精度所引起的測量誤差；第二個(gè)方面是經(jīng)緯儀系統(tǒng)及人眼的誤差所引起的測量誤差；第三個(gè)方面是建立衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡與衛(wèi)星坐標(biāo)系之間矩陣關(guān)系時(shí)的測量誤差。

在測量衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡與衛(wèi)星坐標(biāo)系的關(guān)系矩陣時(shí)，建立衛(wèi)星基準(zhǔn)立方鏡坐標(biāo)系時(shí)的測量誤差約為7″。

以上對特殊推力器矢量的測量精度分析時(shí)，都是采用各種誤差因素的最大值，而其實(shí)際測量精度會優(yōu)于12.8″。

4　計(jì)算實(shí)例

使用本文中提出的矢量測量方法，順利地得到了這種特殊衛(wèi)星推力器在衛(wèi)星坐標(biāo)系下的安裝角度，圓滿完成了該衛(wèi)星的總裝精度測量工作。

在對該特殊衛(wèi)星推力器矢量進(jìn)行測量時(shí)，通過經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)及精度測量軟件可以直接得到新型精測工裝立方鏡的上表面和A面的法線與衛(wèi)星坐標(biāo)系三個(gè)軸所成的角度分別為（0.3746°，90.0213°，90.3740°）、（89.9806°，0.2877°，90.2871°），使用文中提出的計(jì)算方法，得到了特殊衛(wèi)星推力器的單位矢量為H（-0.706852246，0707360737，0.001072445）。再對該矢量進(jìn)行反余弦計(jì)算，則可以得到該特殊推力器與衛(wèi)星坐標(biāo)系三個(gè)軸所成的角度為（134.9794°44.9794°89.9386°），而其安裝角度的設(shè)計(jì)值為（135°45°90°）。特殊衛(wèi)星推力器的精測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值的符合性較好，也驗(yàn)證了測量及計(jì)算結(jié)果的正確性。

目前該衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射，特殊衛(wèi)星推力器在軌運(yùn)行良好，進(jìn)一步證明了此測量方法的正確性。

5　結(jié)論

本文提出了一種帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量方法，包括設(shè)計(jì)了新型精測工裝、提出了推力器矢量及其總裝角度的計(jì)算方法，同時(shí)也對該測量方法的測量精度進(jìn)行了分析，并對此測量方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

本文提出的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量方法，成功解決了因衛(wèi)星推力器的特殊結(jié)構(gòu)和安裝位置所導(dǎo)致的使用常規(guī)的精度測量方法無法進(jìn)行其總裝角度測量的難題，得到了各方的一致認(rèn)可并已經(jīng)應(yīng)用到后續(xù)型號的精度測量中，取得了良好的效果。本文只介紹了一種帶有一個(gè)135°拐角的特殊衛(wèi)星推力器矢量的測量方法，其它類型衛(wèi)星推力器矢量的測量方法也可采用本文的思路進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

［1］王憑慧，范本堯，傅惠民.衛(wèi)星推力器可靠性評估和壽命預(yù)測［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2004，19（6）：745-748.

［2］楊再華.航天器總裝精度測量方法分析［J］.航天器環(huán)境工程，2007，24（6）：390-392.

［3］王偉，劉笑，郭潔瑛，等.航天器總裝精度測量中一種不規(guī)則棱鏡矢量計(jì)算方法［J］.航天器環(huán)境工程，2013，30 （1）：103-106.

［4］蔣大為.空間解析幾何及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

The Vector Measurement Method of a Special Satellite Thruster

WANG Wei1，2，GUO Jieying1，2，REN Chunzhen1，2，LIU Haomiao1，2
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094；2.Beijing Engineering Research Center of the Intelligent Assembly Technology and Equipment for Aerospace Product，Beijing 100094）

Abstract：Gerneral satellite thruster’s integration precision on the satellite is measured by the electronic theodolite which alignment the assistant tool of cubic prism. There is a special thruster which contains a 135 degree corner on the satellite. Because of the limitation of special thruster’s structure and its assembly position on the the satellite，the use of the electronic theodolite，the current precision measuring software and the cubic prism can’t measure directly the special thruster’s integration angles relative to the satellite coordinate system. In this paper，a new type precision measurement assistant tool was designed and the vector measurement method of the special satellite thruster was proposed，which based on the new type precision measurement assistant tool. The method is verified，approved，and applied in the vector measurement of special thruster in the follow-up satellite models.

Key words：special satellite thruster；the vector measurement；new type precision measurement assistant tool

中圖分類號：V448

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0030-05

收稿日期：2015-07-13

作者簡介：王偉（1976-），男，工程師，E-mail：wangw0719@sina.com