一種新的航天器姿態(tài)快速測量方法

張 杰，張 巍，范生宏，王 順，魯利剛

(1. 北京衛(wèi)星制造廠，北京 100080；2.北京控制工程研究所，北京 100190；3. 北京普達迪泰科技有限公司，北京 100083)

一種新的航天器姿態(tài)快速測量方法

張 杰1，張 巍2，范生宏3，王 順3，魯利剛1

(1. 北京衛(wèi)星制造廠，北京 100080；2.北京控制工程研究所，北京 100190；3. 北京普達迪泰科技有限公司，北京 100083)

針對航天器組件裝調(diào)及實驗階段，姿態(tài)準直測量過程需要頻繁建站的問題，提出了一種航天器組件姿態(tài)快速測量方法。該方法采用調(diào)整裝置，將衛(wèi)星本體坐標系XOY面調(diào)整到與大地水平，根據(jù)整星立方鏡和組件立方鏡的標定數(shù)據(jù)，快速反算出用于組件準直測量的經(jīng)緯儀的理論指向，指導產(chǎn)品組件姿態(tài)的快速調(diào)整。經(jīng)實驗驗證，該快速調(diào)整方法精度滿足設計要求，測量效率大幅提升。

航天器姿態(tài)；準直測量；快速調(diào)整

0 引言

為了保證航天器的正常飛行和工作，地面總裝階段必須將航天器組件(星敏、天線、推進及控制裝置等)調(diào)整到必要的幾何精度[1]。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較小或被測要素不易復現(xiàn)，較多情況下采用準直測量法予以解決[2]。即在該組件上安裝立方鏡(簡稱產(chǎn)品立方鏡)，通過經(jīng)緯儀測量被測立方鏡與基準立方鏡之間的關系,來確定被測組件的位置和姿態(tài)[3]。

立方鏡在航天器組件的位姿測量應用比較廣泛[4]，國內(nèi)眾多科研院所和高校都進行過相關的研究和實踐，大都采用經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)建站和準直測量結(jié)合的方法[5-9]，但該方法實際測量過程中需要多次互瞄建站，效率較低。提出了一種新的姿態(tài)快速測量方法，并驗證了其精度和可行性。

1 傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的測量方法一般使用經(jīng)緯儀工業(yè)系統(tǒng)，通過多臺經(jīng)緯儀互瞄定向和尺度標定構(gòu)建空間測量系統(tǒng)[7]；對2組立方鏡準直測量，分別計算立方鏡坐標系與經(jīng)緯儀坐標系間的關系；通過關系傳遞和數(shù)據(jù)計算，得到2組立方鏡坐標系之間的關系，進而得到產(chǎn)品組件姿態(tài)參數(shù)。

應用該方法，至少需要使用4臺經(jīng)緯儀，保證每組立方鏡的2個準直面可被觀測。當組件實際姿態(tài)與理想狀態(tài)偏離較大或組件經(jīng)調(diào)整后對立方鏡再次準直時，可能超出經(jīng)緯儀準直測量范圍，需要重新調(diào)整儀器，再次構(gòu)建空間測量系統(tǒng)，然后重新測量、分析；至組件姿態(tài)偏離量在誤差允許范圍內(nèi)時，終止建站操作。整個流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)方法測量流程圖

2 改進方法

由于經(jīng)緯儀準直量程有限，組件初始狀態(tài)未知，產(chǎn)品姿態(tài)調(diào)整控制過程中，反復的系統(tǒng)建站操作，繁復的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，導致方法實際應用效果不太理想。此處對傳統(tǒng)方法提出改進。

如圖2所示，衛(wèi)星裝配過程中，將衛(wèi)星本體置放于支撐裝置上，支撐裝置的位姿可通過調(diào)整裝置進行調(diào)節(jié)。

圖2 產(chǎn)品立方鏡準直示意圖

經(jīng)緯儀的儀器坐標系(也稱為測站坐標系)，建立方式定義如下：儀器調(diào)置呈水平狀態(tài)，儀器三軸中心為原點，過原點沿鉛垂向上為+Z軸，零度方位角視準方向為+X軸，由右手規(guī)則確定Y軸方向。儀器坐標系的XOY平面為水平面。假設衛(wèi)星坐標系Z軸向上，XOY面與大地近似水平。則調(diào)整過程如下：

① 根據(jù)衛(wèi)星坐標系和衛(wèi)星立方鏡坐標系的標定數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星坐標系XOY面與大地水平時，準直衛(wèi)星立方鏡的經(jīng)緯儀T3、T4的水平角和天頂距；

② 根據(jù)步驟①計算出的理論水平角和天頂距，經(jīng)緯儀對衛(wèi)星立方鏡姿態(tài)進行實時觀測，指導調(diào)整裝置使整星XOY面與大地嚴格水平，調(diào)整水平后，將準直整星X軸的水平角傳遞給T0，并將經(jīng)緯儀T0水平度盤零方向置為與X軸平行；

③ 根據(jù)設計參數(shù)、標定數(shù)據(jù)等，計算得到產(chǎn)品立方鏡與衛(wèi)星坐標系的關系，即在衛(wèi)星坐標系下，準直產(chǎn)品立方鏡的經(jīng)緯儀T1、T2的水平角和天頂距；

④ 將經(jīng)緯儀搬到準直產(chǎn)品組件立方鏡的位置T1和T2，根據(jù)步驟③計算出的理論值調(diào)整產(chǎn)品姿態(tài)，對產(chǎn)品立方鏡準直圖像予以實時觀測、判讀，對調(diào)整操作予以即時指導；

⑤ 產(chǎn)品姿態(tài)逼近理論值后，根據(jù)觀測儀器參數(shù)值，計算得到產(chǎn)品立方鏡和衛(wèi)星坐標系的關系，進而得到在衛(wèi)星坐標系下產(chǎn)品的最終姿態(tài)。

2.1 準直衛(wèi)星立方鏡的經(jīng)緯儀角度計算

設衛(wèi)星坐標系系O-XYZ先平移(xo,yo,zo)，再旋轉(zhuǎn) (εx,εy,εz)，最后縮放k倍后，轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星立方鏡坐標O′-X′Y′Z′。點P在O-XYZ中的坐標為(x,y,z)，在O′-X′Y′Z′中的坐標為(x′,y′,z′)，則衛(wèi)星坐標系與衛(wèi)星立方鏡坐標系間的關系如下所示[10]：

(1)

經(jīng)緯儀T3準直立方鏡坐標系的X軸，T4準直立方鏡坐標系的Y軸，則衛(wèi)星坐標系XOY面與大地水平時，經(jīng)緯儀T3、T4準直衛(wèi)星立方鏡工作面時的角度H3、V3和H4、V4分別為：

(2)

2.2 指導調(diào)整衛(wèi)星坐標系XOY面與大地水平

如圖3所示，觀測經(jīng)緯儀目鏡視場中準直圖像，通過儀器瞄準十字線與準直圖像水平線的位置關系，即可以準確判斷出衛(wèi)星立方鏡工作面法線相對理論狀態(tài)的偏離方向，并計算出偏離量；調(diào)整經(jīng)緯儀角度調(diào)節(jié)鈕，使兩線重合，即可由儀器表盤讀數(shù)準確得到立方鏡工作面的法向偏差。如儀器目鏡視場中不出現(xiàn)準直圖像，說明在該方向上，衛(wèi)星坐標系XOY平面與水平面夾角過大，超出經(jīng)緯儀準直量程?？梢韵葘πl(wèi)星立方鏡準直，通過準直狀態(tài)下儀器俯仰角與90°的差值，判斷出衛(wèi)星立方鏡工作面法向偏離方向及大小，對支撐調(diào)節(jié)裝置進行初步調(diào)整，直到偏離量逼近允許誤差區(qū)間(-k，k)。其中可能需要對經(jīng)緯儀進行數(shù)次位姿調(diào)整，確?？蓪πl(wèi)星立方鏡實現(xiàn)準直。

圖3 經(jīng)緯儀準直示意圖

經(jīng)緯儀T3、T4俯仰角調(diào)整至理論值，實時監(jiān)測準直圖像，根據(jù)支撐調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)點和衛(wèi)星立方鏡工作面法向的空間位置關系，逐步調(diào)整各調(diào)節(jié)點高度。經(jīng)過精確調(diào)整，可將衛(wèi)星立方鏡單個方向的法向偏差值控制在0.001°以內(nèi)。

2.3 衛(wèi)星坐標系X軸方位傳遞

經(jīng)緯儀T3、T4空間互瞄，尺度標定，構(gòu)建空間測站，建立測量坐標系T-XYZ；對衛(wèi)星立方鏡準直測量，得到衛(wèi)星立方鏡坐標系C-XYZ與T-XYZ的關系；根據(jù)衛(wèi)星立方鏡C-XYZ與衛(wèi)星坐標系S-XYZ的關系，可得到衛(wèi)星坐標系與測量坐標系T-XYZ的關系。由此，可計算出衛(wèi)星坐標系X軸與測量坐標系的空間位置關系，得到其與經(jīng)緯儀T3(或T4)儀器坐標系X軸的空間夾角β。

經(jīng)過上步調(diào)整，衛(wèi)星坐標系XOY平面與經(jīng)緯儀T3(或T4)儀器坐標系XOY平面呈平行狀態(tài)，將經(jīng)緯儀T3(或T4)方位角調(diào)置呈β(或360°-β)，即可使儀器視準方向與衛(wèi)星坐標系X軸方向重合；將儀器該視準方向設為零度方位角，傳遞于經(jīng)緯儀T0，則儀器坐標系T0-XYZ與衛(wèi)星坐標系S-XYZ方向完全一致。

因衛(wèi)星上需要調(diào)整的組件數(shù)量多，裝調(diào)過程中始終保持經(jīng)緯儀T0位置，將其作為基準儀器，傳遞基準角度。

2.4 準直產(chǎn)品立方鏡的經(jīng)緯儀水平角和天頂距計算

根據(jù)產(chǎn)品坐標系與衛(wèi)星坐標系之間理論關系、產(chǎn)品立方鏡與產(chǎn)品坐標系標定關系，可計算得到產(chǎn)品立方鏡相對衛(wèi)星坐標系的關系。計算過程如下：

產(chǎn)品坐標系下的坐標表示為(X,Y,Z)，產(chǎn)品立方鏡坐標系下的坐標為(X′,Y′,Z′),衛(wèi)星坐標系下的坐標為(X″,Y″,Z″)。以產(chǎn)品坐標系為當前坐標系，其參數(shù)表示為(0,0,0,0,0,0,1)，產(chǎn)品立方鏡坐標系的坐標參數(shù)為(X01,Y01,Z01,εx01,εy01,εz01,k01)，衛(wèi)星坐標系的坐標系參數(shù)表示為(X02,Y02,Z02,εx02,εy02,εz02,k02)，則產(chǎn)品立方鏡坐標系在衛(wèi)星坐標系下的坐標系的平移量和旋轉(zhuǎn)矩陣推導如下[11-12]：

(3)

令M=R2-1″，則可由式(3)推導得出用于準直的經(jīng)緯儀水平角和天頂距值。

2.5 產(chǎn)品姿態(tài)測量與調(diào)整

如圖2對現(xiàn)場進行布局，保持經(jīng)緯儀T0初始位置。經(jīng)緯儀T1、T2對產(chǎn)品立方鏡兩相鄰工作面進行準直，其中經(jīng)緯儀T1瞄準立方鏡+X方向，經(jīng)緯儀T2瞄準立方鏡+Y方向；經(jīng)緯儀T0將零度方位角傳遞于經(jīng)緯儀T1、T2。則經(jīng)緯儀T1、T2儀器坐標系與衛(wèi)星坐標系S-XYZ方向完全一致。

對產(chǎn)品立方鏡精確準直測量，由2臺儀器得到4個參數(shù)：經(jīng)緯儀T1俯仰角V1、方位角H1及經(jīng)緯儀T2俯仰角V2、方位角H2。

因而，在產(chǎn)品調(diào)整階段，可根據(jù)經(jīng)緯儀讀數(shù)對產(chǎn)品姿態(tài)予以快速判斷：① 當其中一項參數(shù)偏差超過最大允許誤差k時，可判定產(chǎn)品姿態(tài)超差；② 當所有參數(shù)偏差均小于最大允許誤差k的0.5倍時，可判定產(chǎn)品姿態(tài)合格。

當產(chǎn)品嚴重偏離理想狀態(tài)時，與衛(wèi)星坐標系調(diào)置水平狀態(tài)相同，根據(jù)經(jīng)緯儀T1、T2儀器讀數(shù)指導初調(diào)過程，直至2個方向的3個姿態(tài)參數(shù)偏差均位于經(jīng)緯儀準直量程內(nèi)，其中涉及對經(jīng)緯儀T1、T2的多次位姿調(diào)整。

2.6 姿態(tài)參數(shù)計算

在判定產(chǎn)品姿態(tài)合格后，需根據(jù)儀器讀數(shù)，精確計算產(chǎn)品的實際狀態(tài)，即確定產(chǎn)品立方鏡坐標系和衛(wèi)星坐標系的關系。

經(jīng)對產(chǎn)品立方鏡嚴格準直后，經(jīng)緯儀T1俯仰角V1、方位角H1，經(jīng)緯儀T2俯仰角V2、方位角H2。由于T1測站準直向量的反方向為與衛(wèi)星坐標系+X軸平行的向量，T2測站準直向量的反方向為與衛(wèi)星坐標系+Y軸平行的向量。設2個坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣如下：

(4)

(5)

則觀測角度與坐標系旋轉(zhuǎn)矩陣間的關系如下：

(6)

a11、a21、a31即為產(chǎn)品立方鏡X軸在衛(wèi)星坐標系下的向量，a12、a22、a32為產(chǎn)品立方鏡Y軸在衛(wèi)星坐標系下的向量，X軸與Y軸叉乘可得到產(chǎn)品坐標系Z軸在衛(wèi)星坐標系下的向量，即旋轉(zhuǎn)矩陣的a13、a23、a33。根據(jù)準直解算出產(chǎn)品立方鏡和衛(wèi)星坐標系的實際關系，對比根據(jù)設計和標定數(shù)據(jù)計算出的產(chǎn)品立方鏡參數(shù)，即可解獲得產(chǎn)品的實際狀態(tài)。

3 實驗驗證

為了驗證該方法的可行性，采用傳統(tǒng)方法先進行準直測量，再采用快速測量方法進行3組準直測試，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 標定實驗數(shù)據(jù)/(°)

測量方法RxRyRz傳統(tǒng)方法359.3040112.2878837.99078快速方法第1次359.3032512.2879437.99032快速方法第2次359.3039812.2886237.99116快速方法第3次359.3038112.2869237.99103

從表1測試結(jié)果可以看出，3組快速測量實驗自身重復性較好，其測試結(jié)果與傳統(tǒng)方法標定結(jié)果各軸的差均小于3 s，可以滿足大部分航天器組件的總裝精測要求。

4 結(jié)束語

本文對航天器準直測量的傳統(tǒng)方法進行了介紹，針對傳統(tǒng)方法存在的問題，提出了航天器姿態(tài)測量的快速測量方法，對方法的原理、使用范圍和實際效果進行了詳細介紹。相對于傳統(tǒng)的測量流程，該方法實現(xiàn)了對組件姿態(tài)的快速測量和調(diào)整，簡化了經(jīng)緯儀搬站和定向過程，極大地提高準直測量的效率和簡易型，應用前景廣闊。

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A New Method for Rapid Measurement of Spacecraft Attitude

ZHANG Jie1,ZHANG Wei2,FAN Sheng-hong3,WANG Shun3,LU Li-gang1

(1. Beijing Spacecrafts,Beijing 100194,China;2. Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China;3. Beijing Prodetec Technology Co.,Ltd,Beijing 100083,China)

Aiming at the problem of frequent alignment in the process of spacecraft alignment and experiment,a new method is proposed to measure the attitude of spacecraft components. This method uses the adjusting device to adjust the XOY surface of satellite coordinate system parallel with the Geodetic plane,then according to the calibration data of entire satellite cubic mirror and component cubic mirror,calculates the theodolite angle quickly,and guide the rapid adjustment of product component attitude. The experimental results show that the precision of this method can meet the design requirements,and the measurement efficiency is significantly improved.

spacecraft attitude;alignment measurement;rapid adjustment

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.16

張杰，張巍，范生宏，等. 一種新的航天器姿態(tài)快速測量方法[J].無線電通信技術,2017,43(4):67-70.

[ZHANG Jie,ZHANG Wei,FAN Shenghong,et al. A New Method for Rapid Measurement of Spacecraft Attitude[J].Radio Communications Technology,2017,43(4):67-70. ]

2017-04-20

國防科研基礎計劃項目

張 杰( 1979—) ，男，高級工程師，主要研究方向：精密測量技術。范生宏(1978—),男，博士，主要研究方向：數(shù)字近景攝影測量與精密工程測量技術。

文獻標志碼：A 文章編號：1003-3114(2017) 04-67-4