衛星大尺寸平面陣列sar天線自動化精測方法
【專利摘要】本發明公開了一種SAR天線自動化精測方法，通過激光雷達測量系統測量天線陣面的靶標點，利用最小二乘擬合計算陣面平面度和平面法線的方向；利用經緯儀測量系統測量衛星基準鏡和公共靶球點，以建立公共靶球點和衛星機械坐標系之間的關系；再利用激光雷達測量公共靶球點，以建立衛星機械坐標系和激光雷達測量坐標系的關系，最終獲得衛星坐標系下天線陣面法線的方向；在天線多次展開試驗中，利用雷達單點自動測量功能，自動完成展開后平面測量，評價展開平面度和指向的重復性。本發明可以完成對天線的平面度和指向精度的高精度、自動化測量，滿足30m內平面點坐標0.2mm和角度測量精度20″的精度要求，大大提高了測量效率。
【專利說明】衛星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于工業測量【技術領域】，具體涉及一種衛星大尺寸平面陣列SAR天線自動 化精測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著衛星對天線的需求越來越廣，天線的尺寸越來越大，型面及安裝精度要求也 越來越高。SAR天線精測是該衛星研制質量控制的一個關鍵環節，其安裝精度和SAR天線展 開構形直接影響衛星在軌成像質量。SAR天線可以由多塊天線面板組合而成，總裝過程中需 要測量天線安裝到衛星后展開狀態的整體平面度以及衛星機械坐標系下的陣面指向精度， 平面點坐標測量精度要求0. 2mm，角度測量精度要求20 "。
[0003] 近年來，天線精測技術發展迅速，已從傳統的機械、光學和電的測量方法發展為應 用成熟的商業化高精度工業測量系統。根據不同的精測項目和被測天線特點，使用不同測 量系統并設計特定的測量方法。目前，國內外天線精測所用的儀器設備主要包括：經緯儀測 量系統、攝影測量系統、三坐標測量系統、激光跟蹤測量系統、激光雷達掃描測量系統等。
[0004] 目前，國內航天器總裝精測過程中，衛星機械坐標系及衛星儀器設備坐標系是以 安裝的立方鏡的坐標系來表征。使用經緯儀測量系統來實現鏡面法線及鏡面中心坐標點的 測量。鏡面法線測量原理為自準直測量原理，點坐標測量原理為前方交會測量原理。
[0005] 經緯儀測量系統在測點時，需兩臺經緯儀定標測量，需要兩人人工瞄點，測量精度 低、速度慢。天線展開過程中需要進行多次測量，耗費時間和人力大。激光雷達測量系統，其 測量范圍可達30m，對目標的三維掃描測量，建立目標的數學三維模型，掃描速度可達1000 點/秒，最高掃描精度達〇. 1_。通過激光雷達測量系統和經緯儀測量系統的聯合精測方 法，能實現天線的高精度、自動化測量。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種新的衛星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法， 實現的天線陣列整體平面度、星體機械坐標系下的陣面指向精度測量及多次展開試驗的自 動化重復測量，旨在提高測量范圍、測量精度和自動化程度。
[0007] 為達到以上目的，本發明采用如下的技術方案：
[0008] -種的衛星大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法，包括以下步驟：
[0009] (1)天線安裝到衛星之前，在天線被測陣面上均勻粘貼回光反射標志點，點的數量 足夠多以反映天線整體平面度；
[0010] (2)天線安裝到衛星之后，在天線展開測量工位附近粘貼數量不少于4個的靶球 基座，避免基座位于同一直線或者同一平面上；其中一個祀球基座為公共祀球基座，每個革巴 球基座上都設置有靶球；
[0011] (3)天線展開后，在天線陣面中心正前方的合適位置架設激光雷達測量系統，使所 有陣面上的標志點能在雷達的測量范圍內，測量過程中激光雷達位置固定；
[0012] (4)利用激光雷達的單點手動測量功能，在激光雷達系統坐標系下，測量天線陣面 上粘貼的標志點，并通過最小二乘擬合計算陣面平面度和平面法線的方向；
[0013] (5)架設3臺經緯儀，對衛星上表征衛星機械坐標系的立方鏡進行測量，并對公共 革巴球基座上的祀球進行測量，獲取公共祀球中心點在衛星機械坐標系的三維點坐標；
[0014] (6)利用激光雷達的靶球測量功能來測量公共靶球基座上的靶球，獲取公共靶球 中心點在激光雷達坐標系的三維點坐標；
[0015] (7)通過公共靶球點轉換，建立激光雷達坐標系和衛星坐標系的轉換關系，從而獲 取衛星坐標系下天線陣面法線；
[0016] (8)在多次展開試驗中，利用激光雷達的多點自動測量功能，測量天線陣面上粘貼 的標志點，通過最小二乘擬合計算出陣面平面度和平面法線的方向。
[0017] 其中，反射標志點的數量為120個以上，優選150個以上，更優選180個-200個。
[0018] 其中，天線被測陣面（天線陣面）為4塊SAR天線單板對稱依次設置在衛星兩側 并展開后構成的陣面。
[0019] 本發明解決了大尺寸平面陣列SAR天線的高精度、自動化測量技術難題，具有如 下的效果：
[0020] 突破了傳統上采用經緯儀測靶標點的限制，利用激光雷達測量天線陣面標志點， 提高了點測量精度和效率，減輕操作人員的勞動強度。通過激光雷達與經緯儀的聯合測量， 獲取衛星機械坐標系下的天線陣面法線角度，提高了角度測量精度。在多次展開試驗中，利 用激光雷達的多點自動測量功能，實現了自動化、快速測量。
[0021] 本發明的測量方法能夠滿足30m測量范圍內天線陣面點坐標0.2mm和角度測量精 度20"的精度要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的精測方法中SAR天線陣面粘貼回光反射標志點的位置示意圖。
[0023] 圖2為本發明的精測方法中單個回光反射標志點的示意圖。
[0024] 圖3為大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法布局示意圖，其中，1為衛星，2為 四塊天線面板組成的SAR天線陣面，3為電子經緯儀，4為激光雷達，5為基座及靶球，6為立 方鏡。
【具體實施方式】
[0025] 以下結合附圖對本發明的測量過程進行詳細說明，這些說明僅僅是示意性的，并 不旨在對本發明的保護范圍進行任何限制。
[0026] 圖1為SAR天線陣面粘貼回光反射標志點示意，圖中以黑點代表標志點，在單塊天 線陣面2面板上，均勻粘貼了 192個標志點。實際回光反射標志點如圖2所示，外部為黑色 區域，內部圓形為白色反光區域，內部的反射亮度比外部高出數百倍，以方便雷達提取圓形 邊界，獲取標志點中心。
[0027] 圖3為大尺寸平面陣列SAR天線自動化精測方法布局示意圖，衛星呈水平放置狀 態，4塊SAR天線單板（2-1，2-2, 2-3, 2-4)安裝在衛星1上并依次完全展開。在星體周圍地 面上布設5個靶球及基座5,并用熱熔膠將基座粘在地面上。在天線陣面正前方架設三臺經 緯儀及架設激光雷達測量系統。
[0028] 經緯儀3-1和經緯儀3-2分別與立方鏡6的兩相鄰的面準直，測量鏡面法線方向， 經緯儀3-3與經緯儀3-1定標，測量立方鏡中心點坐標，立方鏡與衛星機械坐標系的關系此 前已建立，因此，此時通過立方鏡的坐標系即獲取了衛星機械坐標系。再利用經緯儀3-1和 3-3對公共靶球基座上的靶球中心點進行測量，獲取公共靶球中心點在衛星機械坐標系的 三維點坐標值。
[0029] 利用激光雷達4的單點手動測量功能，在激光雷達系統坐標系下，測量天線陣面 上粘貼的標志點，獲取其在激光雷達坐標系下的三維點坐標值。將測量點通過最小二乘 擬合，計算出最小二乘擬合平面，找到距離該平面的最大和最小值，二者之差即為陣面平面 度，而該擬合平面的法線即為陣面法線。利用激光雷達4的靶球測量功能來測量公共靶球 基座上的靶球，獲取公共靶球中心點在激光雷達坐標系的三維點坐標。通過公共靶球點轉 換，建立激光雷達坐標系和衛星坐標系的轉換關系，從而獲取衛星坐標系下的天線陣面2 法線方向。
[0030] 在多次展開試驗中，因每塊天線面板上的點之前的關系基本保持不變，只有每塊 天線面板整體的位移，因此利用激光雷達的多點自動測量功能，測量天線陣面上粘貼的標 志點，以提高測量效率。在每次展開試驗中，手動測量每塊天線面板上的4個或4個以上不 在同一直線上的標志點，再選取初測的對應點，即可利用激光雷達4的多點自動測量功能， 自動計算出所測點的理論位置，并進行自動測量，四塊天線面板的測量方法一致。每次展開 試驗均可采用該方法測量所有標志點，測完點后的數據處理方法同前。
[0031] 盡管上文對本發明的【具體實施方式】進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是， 我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發明的精神和所附的權 利要求所記載的范圍。
【權利要求】
1. 一種衛星大尺寸平面陣列SAR天線的自動化精測方法，包括以下步驟： (1) 天線安裝到衛星之前，在天線被測陣面上均勻粘貼回光反射標志點，點的數量足夠 多以反映天線整體平面度； (2) 天線安裝到衛星之后，在天線展開測量工位附近粘貼數量不少于4個的靶球基座， 避免基座位于同一直線或者同一平面上；其中一個祀球基座為公共祀球基座，每個祀球基 座上都設置有靶球； (3) 天線展開后，在天線陣面中心正前方的合適位置架設激光雷達測量系統，使所有陣 面上的標志點能在雷達的測量范圍內，測量過程中激光雷達位置固定； (4) 利用激光雷達的單點手動測量功能，在激光雷達系統坐標系下，測量天線陣面上粘 貼的標志點，并通過最小二乘擬合計算陣面平面度和平面法線的方向； (5) 架設3臺經緯儀，對衛星上表征衛星機械坐標系的立方鏡進行測量，并對公共靶球 基座上的靶球進行測量，獲取公共靶球中心點在衛星機械坐標系的三維點坐標； (6) 利用激光雷達的靶球測量功能來測量公共靶球基座上的靶球，獲取公共靶球中心 點在激光雷達坐標系的三維點坐標； (7) 通過公共靶球點轉換，建立激光雷達坐標系和衛星坐標系的轉換關系，從而獲取衛 星坐標系下天線陣面法線； (8) 在多次展開試驗中，利用激光雷達的多點自動測量功能，測量天線陣面上粘貼的標 志點，通過最小二乘擬合計算出陣面平面度和平面法線的方向。
2. 如權利要求1所述的自動化精測方法，其中，反射標志點的數量為120個以上。
3. 如權利要求2所述的自動化精測方法，其中，反射標志點的數量為150個以上。
4. 如權利要求3所述的自動化精測方法，其中，反射標志點的數量為180個-200個。
5. 如權利要求3-4所述的自動化精測方法，其中，天線被測陣面為4塊SAR天線單板對 稱依次設置在衛星兩側并展開后構成的陣面。
【文檔編號】G01B21/00GK104089594SQ201410360762
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】陶力, 劉笑, 易旺民, 張彬, 徐奕柳, 趙書萍, 郭潔瑛, 王偉, 鄭鵬, 阮國偉, 張天春, 劉浩淼, 唐賴穎 申請人:北京衛星環境工程研究所
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