摄影测量技术及其在航天器变形测量中的应用

肖庆生，蒋山平，许 杰，杨林华

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在轨运行时，会因空间环境呈周期性剧烈变化而产生结构的热变形；另外，航天器会因在轨环境下的重力释放而产生微变形。对于天线、空间望远镜、太阳电池阵等对自身结构稳定性有较高要求的部件来说，该变形必将影响到其工作性能。以天线为例，一般要求其表面精度是其工作波长的1/16～1/32，而按误差可忽略不计原则，测量精度要达到表面精度的1/3～1/5，因此工作波长越短、工作频率越高，对测量提出的要求就越苛刻。掌握有效的变形测量技术将对掌握这些部件的变形特性、评估其在轨工作性能偏差具有重要作用，同时对于其结构改进、优化设计也具有指导作用，进而为高精度、长寿命、高可靠性航天器的研制提供技 术支撑。

从20世纪60年代开始，国外各主要航天国家和机构就开展了一系列航天器大气环境和在轨环境下变形测量技术的研究。美国NASA、欧空局ESTEC、日本等均进行过大型可展开抛物面天线、空间望远镜等的变形测量试验，其测量技术代表了国际航天器变形测量领域的最高水平[1-16]。我国于20世纪80年代开展航天器的形面变形测量研究，经过几十年的技术积累，在航天器大型复杂部件的变形测量领域取得了一些成果，但至今尚未形成成熟的技术[17-19]。

本文综述了近20年来国外著名的应用摄影测量技术进行的航天器变形测量试验及我国变形测量技术的发展，在此基础上总结出其关键技术，并提出适合我国国情的航天器变形测量技术发展建议。

1 摄影测量技术

1.1 测量原理

摄影测量技术是数字近景摄影测量技术的简称，是通过在不同的位置和方向获取同一物体的 2 幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标的一种测量方法。图1所示为三角形交会法[20]的测量原理。

联立图1中所有标志点S在所有测站中的共线条件方程，组成方程组，将非编码点在空间各测站中粗略位置作为已知初值，应用光束平差法便可求解所有标志点的精确三维坐标。设物方点Pi由j个摄站（j条光线）相交，则共有j个共线方程[20]：

摄影测量的精度与被测物几何尺寸、摄影设备及设备的布站方式有较大关系。随着CCD 技术和计算机技术的不断进步，摄影测量精度不断提高。对于10 m 范围内的物体，摄影测量精度可以达到60～80 µm，而随着测量对象的减小，测量精度也会大幅提高。

1.2 典型产品

目前用于变形测量比较成熟的摄影测量设备有美国GSI 公司的V-STARS 系统、挪威Metronor 公司的Metronor 系统、德国GOM 公司的TRITOP 系统和AICON 3D 公司的DPA-Pro 系统等。V-STARS系统（如图2所示）是目前国际上最成熟的商业化工业数字摄影测量产品，其中，INCA3 相机的分辨率为800 万像素，CCD 尺寸为35 mm×23 mm，视场角为77°×56°。该系统主要具有三维测量精度高（相对精度可达1/200 000）、测量速度快、自动化程度高和能在恶劣环境中工作（如热真空）等优点。

图2 V-STARS 系统组成Fig.2 V-STARS system components

2 国外著名的航天器变形测量试验

2.1 美国NASA

NASA Langley 研究中心在航天器大型复杂部件的变形测量方面做了很多工作。2000年12月，在直径16 m 的热真空容器中，常温常压的环境下，利用4 台Kodak DC290 数码相机对一个直径为5 m的可膨胀的抛物面天线面形进行了摄影测量[1-2]。测量时在天线表面粘贴了500 多个测点。天线内直径5 m，外直径6.5 m，质量为4 kg。试验最终的测试精度为面内优于0.02 inch（0.508 mm），面外约为0.05 inch（1.271 mm）。

2003年，该中心利用摄影测量法对一个2 m太阳帆结构进行了面形的测量试验[3-4]，如图3所示，测量系统包括照相机和投影仪。传统的摄影测量法是在被测件表面粘贴回光反射标志点，但对于此类极薄的薄膜被测件来说，标志点将增加其质量和刚度，而这是不允许的。因此，该试验中采用了投影仪发射圆形标志光的方法来取代实物标志点，同时也省去了粘贴大量标志点的时间。应用该项技术，该中心分别于2004年和2005年在φ30 m 容器内进行了10 m 和20 m 展开式薄膜天线面形常温和低温下的变形测量试验[5]。

图3 2 m 太阳帆变形测量试验Fig.3 Two meter solar sail test

NASA 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）和Northrop Grumman 于2008年9月在喷气推进实验室的φ25 m真空容器完成了5 m网状反射面天线的模拟空间环境下变形测量试验[6]。测试设备由5 m 网状反射面天线、7.6 m 空间容器和摄影测量系统组成，如图4所示。其中，摄影测量系统悬挂在距离容器底面7.6 m 高处，同样，反射面天线也被升高到距地面3.7 m 高以减小从容器底面来的反射辐射。天线表面粘贴有超过800 个回光反射标志点，桁架上布了约10 个测点。此次变形测量试验完成了355 、710 、1420 W/m2（接近1倍太阳常数）下网状反射镜的变形测量，测试精度达到0.025 mm RMS（0.001″）。

图4 网状反射镜变形测量试验组成Fig.4 Deformation measurement test configuration of the astromesh reflector

2010年，NASA 戈达德空间飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）在直径8.2 m、高12.2 m的空间环境模拟容器内利用V-STARS 摄影测量系统完成了“詹姆斯·韦伯太空望远镜”（The James Webb Space Telescope，JWST）的集成有效载荷平台（Integrated Science Instrument Module，ISIM）结构在常温和低温（约35 K）环境下的变形测量试验[7-11]（见图5）。该空间环境模拟容器配有长3.5 m、高1 m 的旋臂，旋臂两端各有一个相机，每隔3.75°拍摄一次照片。

图5 ISIM 结构热真空环境下变形测量试验Fig.5 The ISIM structure cyroset configuration

2.2 欧洲

2.2.1 欧空局ESTEC

“普朗克”（Planck）望远镜和“赫歇尔”（Herschel）望远镜是欧空局于2009年5月14日利用“阿里安Ⅴ”火箭同时送入太空的新一代望远镜。

2006年，ESTEC 利用摄影测量法在LSS 大型空间环模设备内对“普朗克”望远镜进行了真空低温变形测量[12-13]，测量温度为常温至95 K，测量对象包括“普朗克”望远镜的反射镜、主体结构框架和固定安装机构等。该望远镜的主镜和次镜均为离轴椭球面镜，主镜尺寸为1 555.98 mm×1 886.78 mm，曲率半径为1440 mm；次镜尺寸为1050.96 mm× 1 104.39 mm，曲率半径为-643.972 mm。图6(a)是贴有约2150 个回光反射标志点（反射镜及框架上的亮点）的“普朗克”望远镜，图6(b)显示了2 台测试相机及望远镜在容器内的安装位置。

图6 “普朗克”望远镜热真空环境下变形测量试验Fig.6 The Planck Telescope thermal-vacuum test set-up

在此基础上，ESTEC 于2008年在LSS 大型空间环模设备内利用摄影测量法完成了“赫歇尔”望远镜在真空低温环境下的变形测量，测量精度为50 µm[14]。

2.2.2 德国IABG

1995年以来，德国IABG 利用摄影测量法先后对几十个卫星天线进行了变形测量试验[15]，试件尺寸500～3500 mm，测量精度优于10 µm/m。图7其采用美国GSI 公司的V-STARS 测量系统进行的某型号天线在模拟空间环境下的热变形测量试验。

图7 IABG 天线变形测量试验Fig.7 Deformation measurement test of antenna in IABG

2.3 日本

2006年，JAXA 采用美国GSI 公司的V-STARS摄影测量系统，在直径13 m 的热真空容器中进行了WINDS 卫星主反射面天线热变形测量[16]，如 图8所示。经过数据处理，测量精度优于50 µm。

图8 WINDS 卫星天线热变形测量示意图Fig.8 Antenna on WINDS thermal deformation measurement set-up

该变形测量试验采用单台V-STARS 相机，被测天线（直径2.4 m）安装在铝平台上，铝平台固定在容器内的旋转台上，可绕自身轴线360°旋转，见图9(a)。反射镜和铝平台上共粘贴了485 个回光反射标识点和98 个测温热电偶。铝平台上装有热管，用来控制反射镜的温度，当热沉温度在-170 ℃或更低时可将反射镜加热到约-30 ℃或降温至约-160 ℃。V-STARS 相机安装在容器顶部的悬臂上，可自旋90°，见图9(b)。

图9 在旋转台上的反射镜及测试用相机Fig.9 Reflector on rotation table and camera for photogrammetry

3 国内发展现状

国内应用摄影测量法进行过航天器变形测量试验的单位主要有北京卫星环境工程研究所、西安空间无线电技术研究所、上海宇航系统工程研究所及郑州辰维科技有限公司等。

2008年初，上海宇航系统工程研究所利用美国GSI 公司的V-STARS 系统进行了一次针对5.5 m× 1 m 口径方形天线变形的热真空环境测量试验。

郑州辰维科技有限公司曾利用V-STARS 测量系统在模拟空间环境下对天线面板进行了热变形测量试验[17]。试验采用2 台相机固定在容器底端对天线进行拍摄，如图10(a)所示；天线表面共布置了近800 个直径为6 mm 的回光反射标志点RRT和26 个编码标志点，如图10(b)所示。试验共分为3 个工况，分别是真空度为10-4Pa 和反射面温度约为-35 ℃、真空度为10-4Pa 和反射面温度约为-18 ℃、真空度为10-4Pa 和反射面温度约为+18 ℃。试验结果是天线在所有工况下的平面度为1.746 mm，整个摄影测量系统的测量精度优于0.1 mm。

图10 天线热变形测量试验Fig.10 Thermal deformation measurement test of antenna

北京卫星环境工程研究所针对大型结构真空低温环境下变形测量技术开展了大量的研究工作并进行了相关试验，具备了较为丰富的经验。其在“十一五”装备预先研究项目“真空低温环境下大型展开结构的非接触变形测量”研究过程中自主研制了一套小型测量系统原理样机，并成功完成了真空低温环境下660 mm 口径卫星天线变形测量原理性试验，取得了满意的测量结果及测量精度[18-19]。该研究所还应用美国GSI 公司V-STARS 系统分别于2012年3月和2014年3月完成了某型号相机、星敏组合体结构件[19]和某型号卫星7500 mm× 2100 mm SAR 天线的常压热变形测量试验，如 图11所示。

图11 常压热变形测量试验Fig.11 Thermal deformation measurement in normal environment

目前，北京卫星环境工程研究所正承担着某型号卫星φ4.2 m 大型可展开网状天线在真空低温环境下的变形测量试验任务，同时进行着二维低温移动平台及低温标志点等关键技术的攻关，这是该研究所首次将摄影测量技术应用于航天器型号的真空低温环境下变形测量试验。

4 摄影测量技术的关键技术

综合摄影测量技术的测量原理及其在国内外航天器变形测量试验中的应用，可以看出，摄影测量系统具有非接触测量、测量对象大小不受限制、动态性能好、检测速度快、受外界环境影响小等诸多优点，特别适合于天线面形的快速检测。其关键技术主要包括：

1）高质量“准二直影像”的获取。目前，国内外主要采用圆形定向回光反射标志RRT 和编码标志来获取高质量“准二直影像”。

2）数字影像匹配。其主要目标是自动识别同名点并精确定位。数字影像匹配的3 大指标是精度、速度和可靠性。

3）基于编码标志和自动匹配技术的自动化测量技术。对编码标志进行自动识别和采用多张像片相应点的核线法自动匹配来加快测量速度和实现测量自动化。

4）数字相机的标定与自标定。相机标定结果直接影响测量结果的精度，需要研究相机的畸变规律、不同标定方法和结果，以及自标定算法。

5）真空高低温环境用标志点。普通的摄影标志在温度变化时会发生变形或脱落，因此需要专门研制一种特殊基材的耐高低温摄影标志。

6）真空低温环境下的移动机构技术。在空间环境模拟容器内进行摄影测量法变形测量试验时，若试件固定安装，就要研制相应的低温移动机构以满足拍摄相机的移动或旋转。

5 对我国航天器变形测量技术发展的建议

5.1 需求分析

随着我国航天事业的高速发展，新一代通信卫星、导航系统、高分项目以及深空探测计划逐渐展开，航天器呈现出大型化、复杂化、高可靠性及批量化的特点，对各种航天器结构（包括大型可展开充气抛物面天线、大型空间望远镜、各种航天器的框架结构等）的形面变形要求也逐渐提高。航天器变形测量需求非常大，发展前景广阔。

5.2 建议

通过调研、整理、分析、总结摄影测量技术及其在国内外航天器变形测量领域的应用情况、关键技术以及未来我国航天器对变形测量技术的需求，特提出以下建议，以供参考。

1）尽快建立适用于真空低温环境的非接触变形测量系统，以满足型号任务需求。中国空间技术研究院作为我国卫星和飞船的主要研制单位，虽在变形测量领域开展了很多工作，但至今还未在真空低温环境下进行过型号的变形测量试验验证，而这已经成为制约我国航天器型号研制进一步发展的重要因素。

2）大力开展摄影测量法在真空低温环境下应用的精度分析研究。目前，这方面的研究在我国仍处于起步阶段，而现有个别航天器变形测量的精度要求已接近摄影测量可达到的最高理论精度，随着未来遥感器载荷分辨率、指向精度的持续提高，需要发展更高精度的测量手段，以满足不断提高的试验需求。

6 结束语

本文通过系统调研摄影测量技术在国内外航天器变形测量领域的发展概况，梳理了其关键技术，并结合我国的具体国情，提出了适合我国现阶段航天器变形测量技术发展的建议，希望能为我国航天技术的发展提供借鉴和参考。

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