衛(wèi)星天線高低溫?zé)嶙冃螠y量技術(shù)綜述

申 旭，馬開鋒，黃桂平*，蒲理華，劉博學(xué)

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2.華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，鄭州 450046；3.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

0 引言

衛(wèi)星天線在信號傳輸過程的作用至關(guān)重要。在嚴(yán)酷的軌道空間環(huán)境中，強(qiáng)烈的太陽輻射和由此產(chǎn)生的溫度負(fù)荷會對天線的形狀穩(wěn)定性造成很大影響。在衛(wèi)星天線型面口徑一定的情況下，其工作頻率越高對型面精度要求越高。一般要求天線的型面精度是其工作波長的1/32～1/16，按照誤差忽略不計原則要求型面測量精度要達(dá)到其型面精度的1/5～1/3，可見對測量精度要求極高。以20 年前我國紫金山天文臺與美國合作研制的13.7m 毫米級天線為例,其最短工作波長2.6mm，表面精度要求±0.13mm，對測量精度的要求至少為±0.043mm。為確保高精度天線的在軌工作性能，驗(yàn)證設(shè)計、材料和工藝的可靠性，同時修正熱變形分析模型，均要在地面對其進(jìn)行高低溫環(huán)境熱變形測試。熱變形的溫度變化范圍根據(jù)產(chǎn)品的不同性能設(shè)定要求而定，一般均處于-180～+180℃之間。

本文對衛(wèi)星天線高低溫測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、以及熱變形測量方式、測量特點(diǎn)、一般流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，分析測量誤差影響因素，指出現(xiàn)存的技術(shù)問題，最后對該技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 衛(wèi)星天線熱變形測量特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星天線按其構(gòu)型不同可分為固面天線、構(gòu)架天線、傘狀天線和環(huán)狀天線等。衛(wèi)星天線高低溫?zé)嶙冃螠y量屬于變形測量的一種，其與變形測量的區(qū)別在于測量對象和測量環(huán)境不同。衛(wèi)星天線作為一個獨(dú)立的工件產(chǎn)品，其本身即一個獨(dú)立坐標(biāo)系，所進(jìn)行的變形測量都是相對于其本身來說的，也叫相對變形測量。因其獨(dú)特的測量環(huán)境和被測物性質(zhì)，衛(wèi)星天線高低溫測量需要無接觸、自動化程度高、測量速度快、測量精度高、能適應(yīng)高低溫和真空環(huán)境、測量方式靈活、測量設(shè)備小巧。對照上述特點(diǎn)，目前只有工業(yè)攝影測量的方式可以滿足其測量要求，這也是迄今為止國內(nèi)外所進(jìn)行的高低溫?zé)嶙冃螠y量試驗(yàn)幾乎全部采用工業(yè)攝影測量方式的原因。

工業(yè)攝影測量技術(shù)是在原航空攝影測量基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機(jī)、數(shù)字圖像處理、模式識別、三角測量以及測量平差等技術(shù)原理而發(fā)展起來的一種精密測量技術(shù)。雖然工業(yè)攝影測量技術(shù)在應(yīng)用中必須配以合作目標(biāo)（攝影標(biāo)志點(diǎn)）從而不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無接觸測量，并在某些特殊情況下還須配以激光雷達(dá)等測量手段，但它依然是目前最合適的天線反射面形狀測量方式并在其適用的情形下被廣泛采用。

國外對于工業(yè)攝影測量技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究一直處于領(lǐng)先地位。1995 年德國IABG 的Frey 便總結(jié)了采用工業(yè)攝影測量的方式對天線塔和反射器進(jìn)行極端溫度測量的方法，其針對直徑500～3500mm 的天線塔和反射器的變形測量達(dá)到了10μm/m 的相對測量精度。法國Alcatel 公司在進(jìn)行高精度天線熱變形測試時將反射器豎直固定在定制的框架內(nèi)，經(jīng)保護(hù)后的相機(jī)安裝在可以大范圍旋轉(zhuǎn)的支架上從而可以在不同位置進(jìn)行測試，提高了測試精度（如圖1所示）。加拿大航天局大衛(wèi)實(shí)驗(yàn)室的Wiktowy 等對大型真空罐內(nèi)的CASA-ASAS 反射器和2 個Ka 頻段反射器進(jìn)行了溫度為-170～170℃的真空熱變形測試（如圖2 所示），測試時將反射器固定在可以旋轉(zhuǎn)的框架中，采用燈陣替代加熱籠以避免對攝影的遮擋，相機(jī)安裝在防護(hù)裝置中。Rolo 等對歐洲航天局（ESA）建造的赫歇爾望遠(yuǎn)鏡和普朗克望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了低溫測量以完成對其設(shè)計技術(shù)的驗(yàn)證。印度的Behara 等采用工業(yè)攝影測量加投射光學(xué)標(biāo)志的方式對航天器部件進(jìn)行了熱變形測量，達(dá)到了50μm 的測量精度要求。Stegman等在NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室25ft（7.62m）的空間模擬器中使用工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對可展開網(wǎng)狀天線進(jìn)行了太陽能熱真空測試。Ozawa 等使用近景攝影測量系統(tǒng)在直徑13m、帶有旋轉(zhuǎn)裝置的真空室內(nèi)對日本研制的WINDS 衛(wèi)星天線進(jìn)行了-150～-30℃的熱變形測量，測試時反射器通過鋁合金支架安裝于可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)臺上，相機(jī)放置于反射器上方，測試精度大大提高。

圖1 Alcatel 公司的天線熱變形測試Fig.1 Thermal deformation test for antenna of Alcatel

圖2 2個Ka 頻段天線同時進(jìn)行真空熱變形測試Fig.2 Thermal distortion test in vacuum of two Ka band antennas simultaneously

我國對于工業(yè)攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究也取得系列成就。2007 年，解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院盧成靜借助國外成功經(jīng)驗(yàn)，將近景攝影測量技術(shù)引入衛(wèi)星天線熱真空變形測量，并獲得了較為理想的測量結(jié)果；此后與上海宇航系統(tǒng)工程研究所合作于2008 年對口徑5.5m×1m 的矩形衛(wèi)星天線采用V-STARS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行了真空熱變形測量試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。西安空間無線電技術(shù)研究所采用工業(yè)攝影測量技術(shù)完成了各種衛(wèi)星天線產(chǎn)品的型面檢測和熱變形測量及相關(guān)實(shí)踐應(yīng)用工作；其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，高低溫環(huán)境下采用工業(yè)攝影測量的方式可以達(dá)到0.043mm 的測量精度。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所重點(diǎn)研究了工業(yè)攝影測量技術(shù)在航天器及其構(gòu)件的變形測量中的應(yīng)用，對直徑660mm 反射面天線的測量精度可達(dá)到0.030mm。鄭州辰維科技股份有限公司在國產(chǎn)化工業(yè)攝影測量設(shè)備研制與應(yīng)用方面進(jìn)行了不斷的探索與實(shí)踐，對天線面板的熱變形測量精度優(yōu)于0.1mm。華北水利水電大學(xué)的黃桂平和馬開鋒等多年來一直致力于工業(yè)攝影測量技術(shù)及其在衛(wèi)星天線熱變形測量中的應(yīng)用研究并取得豐碩成果。

在工業(yè)攝影測量系統(tǒng)方面，美國GSI 公司研發(fā)的V-STARS 系統(tǒng)是目前國際上最為成熟、穩(wěn)定、精確、智能的測量系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航天、航空和機(jī)械制造等領(lǐng)域。我國早期工業(yè)攝影測量技術(shù)研究的絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度評定都是以與其相應(yīng)結(jié)果的對比來實(shí)現(xiàn)的，前文所提到的我國開展的諸多研究大部分是采用V-STARS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)。我國雖在20 世紀(jì)90 年代初才開始對工業(yè)攝影測量技術(shù)的重點(diǎn)關(guān)注及探索，但發(fā)展迅速，尤其是近十年來一些高校及科研院所在對國外的工業(yè)攝影測量系統(tǒng)及其算法、技術(shù)和配套設(shè)施進(jìn)行深入研究后逐步推出了自己的攝影測量系統(tǒng)，成績斐然。值得一提的是，鄭州辰維科技股份有限公司2011 年自主研發(fā)的MPS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)已在與西安空間無線電技術(shù)研究所的衛(wèi)星天線高低溫測量合作中完全替代國外同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域工業(yè)攝影測量技術(shù)的自主國產(chǎn)化。

2 衛(wèi)星天線熱變形測量方式

根據(jù)測量設(shè)備所處環(huán)境不同，衛(wèi)星天線熱變形測量方式有真空高低溫測量和常壓高低溫測量兩種方式。

2.1 真空高低溫測量方式

真空高低溫測量時一般采用太陽模擬器或燈陣加熱，產(chǎn)品在真空罐內(nèi)，相機(jī)根據(jù)測量條件置于罐外或罐內(nèi)，產(chǎn)品或相機(jī)需能旋轉(zhuǎn)以便于拍攝和保證測量精度。該測量方式的優(yōu)點(diǎn)是測量溫度范圍寬，但需要考慮加熱籠對攝影靶標(biāo)的遮擋。

2.1.1罐外測量

當(dāng)真空罐體設(shè)計及產(chǎn)品布局滿足相機(jī)在罐外測量條件時，如罐體有玻璃窗且罐內(nèi)有可安裝產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（如圖3 所示），則測量工作相對簡單：使真空罐內(nèi)的產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)，人工手持或采用機(jī)械裝置固定相機(jī)在罐外透過光學(xué)玻璃進(jìn)行拍攝（如圖4所示）。因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要在極低背景溫度下運(yùn)行，所以需對其進(jìn)行主動熱控。

圖3 產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3 The rotation mechanism for the product

圖4 罐外測量拍攝布局示意Fig.4Schematic diagram of photography layout for measurement out side of the tank

2.1.2罐內(nèi)測量

相機(jī)置于罐內(nèi)進(jìn)行測量時，需對相機(jī)做專門防護(hù)（如圖5 所示），還需配備相機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)或產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并且需要考慮拍攝布局、線纜的走線布局和防護(hù)等。圖6 所示為真空罐內(nèi)的測量系統(tǒng)。

圖5 相機(jī)防護(hù)裝置Fig.5 The camera guard

圖6 大型真空罐中的攝影測量系統(tǒng)Fig.6 Photogrammetric system in large vacuum tank

2.2 常壓高低溫測量方式

目前，國外對于高精度衛(wèi)星天線的熱變形測試主要在真空環(huán)境中進(jìn)行，但是其試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長、占用資源多，嚴(yán)重制約了熱變形測試工作在眾多型號中的普遍推廣。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情形下可采用常壓高低溫?zé)嶙冃螠y量進(jìn)行模擬測試。常壓高低溫測量是指測量在高低溫箱里進(jìn)行，溫度范圍相對較窄（低溫-100℃是極限），需保證低溫下相機(jī)鏡頭不結(jié)霜、不結(jié)露，溫控難度較大。

2.2.1人工測量

當(dāng)溫度條件在人員和設(shè)備可承受的范圍內(nèi)（-60～+60℃）時可采用人工測量方式：對相機(jī)和人員做簡單防護(hù)，然后人手持相機(jī)進(jìn)入高低溫箱拍攝，提前設(shè)計并驗(yàn)證好攝站位置、拍攝角度和照片數(shù)量。人工測量的每次拍攝時間控制在15min之內(nèi)。

2.2.2自動測量

當(dāng)溫度條件超出人工測量可以耐受的溫度范圍時（-60℃以下或+60℃以上）須采用自動測量方式。自動測量中，需對相機(jī)做專業(yè)防護(hù)（將測量相機(jī)置于防護(hù)罐中），還要設(shè)計相機(jī)拍攝的行走機(jī)構(gòu)和攝站位置（如圖7 和圖8 所示），并對線纜進(jìn)行防護(hù)。拍攝工作全程須在人員監(jiān)控下進(jìn)行。

圖7 自動測量相機(jī)行走結(jié)構(gòu)Fig.7 Walking structure of automatic measurement camera

圖8 自動測量攝站位置Fig.8 The positions for automatic gauging station

3 衛(wèi)星天線熱變形測量的一般流程

衛(wèi)星天線的高低溫?zé)嶙冃螠y試均在特定的高低溫環(huán)境（箱、罐）中進(jìn)行，主要過程和方法如下：

1）根據(jù)測試需要和天線具體構(gòu)造，選擇攝影所需的由耐高低溫回光反射材料制成的標(biāo)志點(diǎn)，并在整個天線上粘貼足夠的單點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)和編碼標(biāo)志點(diǎn)（如圖9 所示）；

圖9 攝影靶標(biāo)及粘貼有編碼標(biāo)記點(diǎn)的衛(wèi)星天線Fig.9Photographic target and the satellite antenna affixed with code target

2）根據(jù)真空罐或高低溫箱和試驗(yàn)的具體情況，搭建滿足攝影測量正常開展所需的架構(gòu)及設(shè)施；

3）根據(jù)試驗(yàn)溫度及環(huán)境裝備對相機(jī)和人員進(jìn)行安全防護(hù)準(zhǔn)備；

4）按照測試方案，在溫度循環(huán)升降的不同節(jié)點(diǎn)對天線進(jìn)行攝影（如圖10 所示），每次攝影分別按相機(jī)正位、繞光軸旋轉(zhuǎn)90°等不同姿態(tài)獲取每個標(biāo)志點(diǎn)的圖像；

圖10 循環(huán)測試示意Fig.10 Schematic diagram of cycling test

5）攝影測量數(shù)據(jù)處理，得到標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

6）型面精度分析、型面熱變形計算與分析。

4 熱變形測量關(guān)鍵技術(shù)

4.1 相機(jī)防護(hù)技術(shù)

相機(jī)防護(hù)裝置與相機(jī)在極端溫度條件下的工作能力密切相關(guān)。美國GSI 公司針對在熱真空環(huán)境下的測試需要研發(fā)了一種相機(jī)保護(hù)罐——I-CAN罐可以順利完成測量工作。

圖11 所示是西安空間無線電技術(shù)研究所設(shè)計制造的相機(jī)防護(hù)裝置并已應(yīng)用于實(shí)踐，其工作原理是將測量相機(jī)置于防護(hù)罐中并輔以熱控裝置，從而保證測量相機(jī)始終處于常溫常壓的工作環(huán)境下；測試結(jié)果表明該裝置的適宜性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等性能指標(biāo)滿足高低溫環(huán)境下試驗(yàn)測試的要求。由于此類罐狀防護(hù)裝置帶有光學(xué)窗口，由折射定律和光學(xué)成像的幾何原理可知，在原有光路中增加光學(xué)介質(zhì)，會使光線在經(jīng)過不同折射率的介質(zhì)（空氣和光學(xué)窗口）時發(fā)生改變，導(dǎo)致成像點(diǎn)位置改變，即在相機(jī)的成像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生變化，從而影響測量精度，所以必須對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

圖11 相機(jī)+防護(hù)罐示意Fig.11 Schematic diagram of the camera and the protective tank

4.2 高低溫環(huán)境下相機(jī)標(biāo)定技術(shù)

高低溫環(huán)境下相機(jī)的高精度標(biāo)定技術(shù)至關(guān)重要。對放入保護(hù)罐中的相機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定就是將鏡頭前的防護(hù)玻璃也一并納入到攝影測量系統(tǒng)中。同時，受高低溫影響的相機(jī)內(nèi)部構(gòu)件不可避免地會發(fā)生不同程度的變形從而影響測量精度，因此，對相機(jī)的標(biāo)定會頻繁進(jìn)行。程志強(qiáng)等基于對相機(jī)的標(biāo)定，研究了相機(jī)防護(hù)罐對攝影測量精度的影響，結(jié)果表明：在將玻璃引起的光路折射歸入相機(jī)徑向畸變模型之后可得到與無玻璃時基本一致的結(jié)果。這說明通過相機(jī)標(biāo)定可以滿足攝影測量在高低溫環(huán)境下的高精度應(yīng)用。

目前工業(yè)攝影測量領(lǐng)域常用的標(biāo)定方法是相機(jī)光束法自標(biāo)定，即將測量過程中取得的控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)、待定點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)以及其他內(nèi)、外業(yè)量測數(shù)據(jù)的一部分或者全部均視作觀測值，基于共線條件方程，整體求解各觀測值的最或然值。傳統(tǒng)攝影測量學(xué)中稱之為使用附加參數(shù)的自檢校技術(shù)。相關(guān)文獻(xiàn)指出，將附加參數(shù)處理成自由未知數(shù)一般是不合適的，通常把它處理成帶權(quán)的觀測值。目前光束法自標(biāo)定技術(shù)在常溫環(huán)境下的應(yīng)用已比較成熟。高低溫環(huán)境下采用附加參數(shù)的光束法自標(biāo)定方法可以將防護(hù)罐的光學(xué)玻璃看作相機(jī)鏡頭的一部分，實(shí)現(xiàn)兩者的“固連”，并彌補(bǔ)由此產(chǎn)生的絕大部分誤差。相關(guān)試驗(yàn)證明，此種方式是可行的。

4.3 高低溫環(huán)境下自動測量技術(shù)

由于人員對高低溫環(huán)境的耐受程度有限，在進(jìn)行較寬溫度范圍的熱變形測量時須采用機(jī)械裝置帶動相機(jī)拍攝來實(shí)現(xiàn)自動測量。相比于常溫常壓下的人工測量，自動測量需要解決3 個問題：1）相機(jī)的防護(hù)，前已述及；2）相機(jī)運(yùn)行及角度調(diào)整；3）相機(jī)拍攝的遠(yuǎn)程控制及照片的自動下傳。

相機(jī)的運(yùn)行及角度調(diào)整可以通過提前規(guī)劃好測量網(wǎng)形，再將放有相機(jī)的防護(hù)罐整體安裝在帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可轉(zhuǎn)動桁架上，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的多角度多方位測量。相機(jī)拍攝的遠(yuǎn)程控制及照片的自動下傳則由貫穿高低溫箱內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸電纜實(shí)現(xiàn)。柏宏武等應(yīng)用上述自動測量方案結(jié)合相機(jī)自標(biāo)定技術(shù)對衛(wèi)星天線熱變形測量系統(tǒng)的研究表明，其測量精度可以達(dá)到甚至優(yōu)于0.020mm。

采用自動測量技術(shù)，成功地拓寬了常壓下高低溫?zé)嶙冃螠y量的溫度范圍。通過對測量網(wǎng)形的優(yōu)化設(shè)計和測量相機(jī)的精密標(biāo)定，能夠滿足5m 以下天線產(chǎn)品在-100～100℃溫度范圍內(nèi)20μm 的高精度測量需求。

5 誤差影響因素分析

高低溫環(huán)境超出了設(shè)備和人的正常工作狀態(tài)要求，需要采取有效的防護(hù)措施；另外基準(zhǔn)尺、標(biāo)識點(diǎn)也會因溫度變化而變形。這些影響因素都會使高低溫條件下的測量誤差增大。

5.1 數(shù)字相機(jī)成像系統(tǒng)及其標(biāo)定誤差

高低溫環(huán)境下，數(shù)字相機(jī)的性能直接影響到測量精度。影響相機(jī)成像質(zhì)量的因素包括相機(jī)自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、分辨率，以及對相機(jī)的高低溫防護(hù)及內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定等。實(shí)踐證明，單色CCD影像傳感器的測量型相機(jī)在幾何、光學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面性能優(yōu)秀，幾何畸變小的相機(jī)，其像素所表達(dá)的實(shí)際點(diǎn)位半徑也小，三維空間坐標(biāo)的計算結(jié)果相對更精確。高低溫環(huán)境下，因加入了相機(jī)防護(hù)裝置，改變了相機(jī)光路介質(zhì)，所以必須進(jìn)行加裝后的幾何畸變誤差檢校，以確保相機(jī)成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

5.2 攝影測量標(biāo)志質(zhì)量及其圖像中心定位的誤差

攝影測量標(biāo)志質(zhì)量的好壞及其圖像中心定位的準(zhǔn)確性也是高精度測量結(jié)果的直接影響因素之一。為此要根據(jù)實(shí)際測量需求選擇高質(zhì)量人工測量標(biāo)志及與其相適應(yīng)的高精度中心提取定位算法（軟件系統(tǒng)）。測量標(biāo)志最為廣泛使用的是定向回光反射標(biāo)志（RRT），按厚度不同有3mm、6mm 和9mm等規(guī)格。RRT 具有如下特性：隨著光源偏差角增大，標(biāo)志的反光能力迅速降低（見圖12）。因此，為得到較小的光源偏差角，常選用環(huán)形閃光燈作為攝影時的輔助光源，從而保證相機(jī)光軸與閃光燈光軸同軸。而且隨著光線入射角的增大，尤其超過50°以后，標(biāo)志的反光能力迅速降低，所以光線入射角不能太大，一般不超過60°，否則標(biāo)志成像效果很不理想。

圖12 RRT 特性示意圖Fig.12 Schematic diagram of RRT characteristics

粘貼的攝影靶標(biāo)在高低溫情況下有時會出現(xiàn)變形、脫落、污染被測物的情形；在工程實(shí)踐中也曾出現(xiàn)不同加工工藝的靶標(biāo)最后在平差解算時呈現(xiàn)系統(tǒng)性偏差的現(xiàn)象。因此對靶標(biāo)加工工藝有嚴(yán)格要求，保證測量時其背面無殘留不干膠，并且要求其規(guī)格和加工工藝一致，以避免由于靶標(biāo)厚度不均勻可能帶來測量誤差。

5.3 攝影輔助光源強(qiáng)度不適宜引起的誤差

由于不同類型的照明光源在同等環(huán)境條件下輸出的閃光強(qiáng)度會有所不同，所以不適宜的光強(qiáng)反映在成像像片上會直接影響攝影成像質(zhì)量以及標(biāo)志圖像中心提取定位的精度。長期研究和實(shí)踐表明，環(huán)形微距閃光燈（見圖13）具有無陰影、無暗角和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，最適合定向回光標(biāo)志的反射效能和成像需求。研究表明，閃光燈的形狀也會對測量重復(fù)性產(chǎn)生影響，如表1 所示，值得注意的是，此種情形是一般性的，非高低溫狀態(tài)下所特有。

表1 閃光燈對攝影測量精度的影響Table1 Influence of flash lamp on photogrammetric accuracy

圖13 環(huán)形閃光燈Fig.13 Ring Flash

在測量過程中有時還會出現(xiàn)諸如閃光燈亮度變化、閃光部位變化等由于閃光燈電池電量變化、閃光燈性質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致的測量結(jié)果重復(fù)性不達(dá)標(biāo)的情況，需注意在拍攝前檢查電池電量，必要時做專業(yè)維修。

5.4 基準(zhǔn)尺長度標(biāo)定誤差

在高低溫變形測試開始前要在專業(yè)計量部門、選擇高精度基準(zhǔn)尺長度標(biāo)定方法對基準(zhǔn)尺進(jìn)行精確標(biāo)定，同時獲得基準(zhǔn)尺熱膨脹系數(shù)，并根據(jù)測量需要對基準(zhǔn)長度進(jìn)行修正。目前試驗(yàn)得知，無論碳纖維還是微晶玻璃基準(zhǔn)尺，其在-100～100℃溫度變化區(qū)間的長度變化量都在10μm 左右，均可應(yīng)用于高低溫試驗(yàn)。

據(jù)文獻(xiàn)[13]所述，基準(zhǔn)尺誤差對天線變形及型面測量精度影響較小，以基準(zhǔn)尺最大誤差（非標(biāo)定誤差）0.034mm 為例，基準(zhǔn)尺誤差對天線型面測量精度的影響小于0.005mm，對變形量測量精度的影響小于0.027mm。

5.5 測量網(wǎng)形誤差

測量網(wǎng)形（見圖14）幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)形強(qiáng)弱，如被測物體的尺寸、攝影距離、像片的重疊度、像片的數(shù)量、攝影相機(jī)的交會角（攝站布局）以及光線的入射角等，是需要重點(diǎn)考慮的測量精度影響因素。文獻(xiàn)[39]指出，像點(diǎn)坐標(biāo)精度一樣時，測量網(wǎng)形布設(shè)不同會導(dǎo)致測量結(jié)果的精度相差10 倍。在工程實(shí)踐中逐漸總結(jié)出以下幾何構(gòu)形原則：

圖14 測量網(wǎng)形示意Fig.14 Schematic diagram of survey net

1）被測物體有多大，攝影距離就有多遠(yuǎn)。

2）盡可能在不同位置的每個攝站都拍攝到被測物的所有標(biāo)志點(diǎn)，且拍攝中心對準(zhǔn)被測件中心。若受空間條件限制，單張像片無法完全覆蓋待測件，則盡可能使相鄰像片間有較多公共點(diǎn)重疊（理論上最少4 個公共點(diǎn)）。

3）被測物上每個標(biāo)志點(diǎn)的攝影光線交會角在60°～120°之間。

4）對被測目標(biāo)物上每個標(biāo)志點(diǎn)的光線入射角＜45°。

5.6 外部環(huán)境因素引起的誤差

溫度、濕度、熱流、大氣抖動、地板振動等因素在高精度測量中均會不同程度地對測量系統(tǒng)及其測量結(jié)果造成不利影響，如常壓低溫測量時高低溫箱內(nèi)濕度過大會引發(fā)的鏡頭表面結(jié)霜，在一定程度上影響到測量的準(zhǔn)確性。因此需在測試時對這些環(huán)境因素一并考慮并有效避免其影響。

6 熱變形測量現(xiàn)存問題

因?yàn)樾l(wèi)星天線的高低溫?zé)嶙冃螠y量為相對變形測量，所以需要通過基準(zhǔn)點(diǎn)（公共點(diǎn)）將各個工況下的測量數(shù)據(jù)變換到同一坐標(biāo)系下比對。但是基準(zhǔn)點(diǎn)的分布經(jīng)常位于天線型面內(nèi)部很小的區(qū)域內(nèi)，這樣勢必會帶來坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差，而且誤差隨著基準(zhǔn)點(diǎn)分布占比愈小而愈大。這里列舉一個比較極端的例子。我國某航天單位在肋管變形測量中通過部分公共點(diǎn)（也稱基準(zhǔn)點(diǎn)，見圖15 藍(lán)色區(qū)域）來進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一和后續(xù)變形計算分析，由此導(dǎo)致了“鋸齒形的”測量誤差比對結(jié)果（見圖16），其中，3 組數(shù)據(jù)是在同一工況間隔時間極短的情形下采集。由圖可見，重復(fù)性測量精度竟然在肋的外端達(dá)到甚至超過0.050mm，而在點(diǎn)253 之后由于是基準(zhǔn)點(diǎn)故重復(fù)性精度良好。由此可見，基準(zhǔn)點(diǎn)分布不合理造成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差，影響到數(shù)據(jù)測量結(jié)果。同樣的問題在天線型面數(shù)據(jù)處理中也會遇到，尤其是當(dāng)型面精度要求很高時，這一點(diǎn)便不可忽略。目前，該問題已受到研究人員的關(guān)注并做出了積極的探索。

圖15 衛(wèi)星天線肋管變形測量示意Fig.15Schematic diagram of distortion measurement of satellite antenna rib tube

圖16 三組偏差比對結(jié)果Fig.16 Comparison among three groups of measured deviations

此外，關(guān)于天線型面誤差的評定也需要進(jìn)一步規(guī)范，目前業(yè)內(nèi)對此還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對此需要有更加深入的總結(jié)研究。

7 總結(jié)與展望

隨著航天科技發(fā)展及高頻天線越來越多的應(yīng)用，對衛(wèi)星天線型面精度的要求越來越高，例如HERSCHEL-3.5m 天線要求其型面精度優(yōu)于6μm。目前衛(wèi)星天線高低溫?zé)嶙冃螠y量大多采用工業(yè)攝影測量的方式，在真空罐或高低溫箱中進(jìn)行。影響和制約衛(wèi)星天線變形測量精度的因素很多，大致可分為攝影測量系統(tǒng)自身因素和測量環(huán)境因素兩類。如何一方面提高攝影測量系統(tǒng)自身精度，另一方面最大限度滿足攝影測量條件從而發(fā)揮出目前攝影測量系統(tǒng)的最佳潛能，提高整體測量精度，成為當(dāng)前共同的研究課題和努力目標(biāo)。另外，關(guān)于衛(wèi)星天線熱變形測量目前還未有行之有效的標(biāo)準(zhǔn)，只能以常溫常壓下通過精度檢定的測量系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下的測量重復(fù)度作為必要條件。此外，對于衛(wèi)星天線的型面精度的評定亦沒有統(tǒng)一的切實(shí)可行的標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)處理仍然是這一領(lǐng)域的難題之一。

對于衛(wèi)星天線熱變形測量重點(diǎn)研究方向有以下建議：

1）衛(wèi)星天線變形的在軌測量和在軌型面調(diào)整。在軌測量可實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星天線工作性能的實(shí)際檢驗(yàn)，可為之后的天線設(shè)計和加工積累準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；將在軌熱變形測量與在軌型面調(diào)整相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)天線型面在軌長時間工作。

2）衛(wèi)星天線變形在線測試和型面實(shí)時調(diào)整，二者相結(jié)合可加速衛(wèi)星天線制造工業(yè)的產(chǎn)出。

3）將攝影熱變形測量和激光干涉測量相結(jié)合以真正實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星天線變形的無接觸式測量。

此外，如何建立行之有效的天線型面精度評價體系，提高天線型面的加工精度也是今后需要努力的方向。