大型航天器装配精度检测技术发展分析

李凯 程聪 樊福欣

北京卫星制造厂有限公司 北京 100000

航天器装配精度检测存在于整个航天器集成测试的全程中，在初装阶段，需把位姿检测数据向装调人员或者设备进行反馈，用作精密装调的指导；而在进行力学试验时，需深入分析力学环境对设备安装位势所产生的影响；此外，在热试验过程中，需分析航天器结构热所造成变形对设备安装位姿所产生的影响等。当前，在对大型航天器进行系统集成测试时，需进行装配精度的检测，而且对精度有非常高的要求，本文结合当前实况，就其技术与进展作一探讨[1]。

1 国内外技术现状分析

1.1 以经纬仪空间交会技术为基础的光学基准位姿测量

在整个航天器中，所使用的单片机设备大多为光学立方镜（尺寸为20×20×20mm），而在立方镜上，设置有三个呈正交状态的反射刻线，其所代表的就是基准坐标系的坐标轴，而在其表面上，十字刻线所表示的是坐标原点。现阶段，国内外许多航天企业均采用多台经纬仪布站测量（带有准直功能）的方法，比如印度宇航局用经纬仪对火星探测器进行测量，EAS宇航局用多台经纬仪对Lisapathinder探测器进行测量。

1.2 以高精度激光测距技术为基础的机械结构基准测量

当航天器系统被集成之后，通常需对部件组合好之后的结构尺寸进行测量，比如大型太空望远镜组合体，其在完成集成之后的形面精度以及航天器上机械臂、天线等结构相对于航天器机械基准的具体位姿等。此类测量一般是对结构上的机械基准进行测量，比如孔位、形面等，因有着比较高的测量精度要求，而且尺寸大，因此，经常会用以高精度激光测距为基础的激光雷达、激光跟踪仪等设备。比如NASA（美国）便将激光雷达（NIKON）与激光跟踪仪（LEICA）组合在一起，对詹姆斯·韦伯望远镜主镜的形面进行测量，再比如我国用激光雷（NIKON）对嫦娥三号着陆器的发动机（7500N）形面进行测量。

1.3 以多传感器组网技术为基础的实时动态位姿测量

许多航天器系统在集成时，需要对行走与展开过程进行实时性的位姿检测，比如空间站机械臂的展开过程、大型通信卫星天线桅杆的展开过程以及月球车、火星车的行走试验等。此外，有些航天器在完成集成工作后，还需要对其开展变形监测试验，在特定地面对太空的各种环境进行模拟，比如失重、真空、温度等，对航天器结构变化以及设备的位姿变化进行实时监测。在实时监测位姿方面，国内外航天领域多选用的是由诸多传感器所组网的一种测量技术，也就是将多台测量传感器设置在被测件的周围，与此同时，把若干被测靶标固定在被测件上，通过同步实时监测拟合多个被测靶标，从中获得被测件的实时位姿情况，或者是形面的整个变化过程。而当前比较常用的传感器主要有工业相机、室内GPS等[2]。

2 发展趋势

2.1 关于多系统集成测量方法的研究

因航天器具有被测参数多、结构尺寸大等特点，所以较难单凭一种测量系统便将航天器装配集成的全部测量任务完成掉。比如航天器上所设置的光学立方镜，其在基准间位姿关系上，主要借助经纬仪进行准直测量，另外，还用激光跟踪仪对其结构件形面孔位精度进行测量，如果需在光学立方镜基准下对结构件的形面、孔位等进行测量，需将激光跟踪仪与经纬仪相联合来进行测量。针对那些柔性网状天线来讲，当其展开之后，其轴线指向测量时，需将激光跟踪仪结合于手持扫描设备或者工业相机来进行测量。在实际测量过程中，怎样把各测量系统的坐标系融合统一在一起，并实现测量数据的合理融合，乃是当前研究的热、难点。比如北京卫星环境工程研究所围绕多系统集成，成功研制出先进的坐标转换标准器，而且还在上面设置了靶标（用于识别各测量系统），另外，还借助计量结构，对靶标间所存在的关系进行高精度校准。在测量航天器时，不同测量系统对此转换器进行测量，可统一坐标系。NASA依据韦伯望远镜科学仪器舱的基本测量要求，进行了以广义USMN平差算法为基础，将激光雷达联合激光跟踪仪共同进行测量的相关研究。

2.2 关于新的测量传感器技术分析

伴随当前对航天器装配检测精度要求的不断提高，如果仍采用已有设备进行测量，往往难以满足现实需要，需进行全新测量传感器的研究。比如激光跟踪仪，其实际是以激光干涉原理为基础而形成的相对测距技术，仅能对靶镜连续移动时的相对距离进行测量，如果出现断光情况，那么需要利用其它摄影测量等技术，来继续进行测量，如此一来，便会降低测量精度。中科院光电研究院结合自身研究，提出了以双光梳绝对测距技术为基础的激光跟踪仪，参考脉冲的相对光谱相位，并结合光频梳的测量脉冲，获取被测物的实际距离，这样不仅使激光干涉测距的精度得到保持，而且还消除了断光续接对测量精度所造成的影响。现阶段，此技术已成功研制出原理样机，测量进度为1.5μm（1σ），范围为10米[3]。

3 结语

综上，作为源头信息获取手段，装配检测被融合到航天器装配研制的各环节当中。近年，伴随工业测量技术的持续发展与成熟，航天装配检测技术在此背景下，得到大幅提升，一些新的测量手段（比如室内GPS、激光跟踪仪等）在其中得到不错应用。伴随航天技术的持续发展，其对装配检测技术的各方面，会有更高的要求，因此，亟需开发一些更为高效且实用的测量技术或系统。