卫星大尺寸平面阵列sar天线自动化精测方法
【专利摘要】本发明公开了一种SAR天线自动化精测方法，通过激光雷达测量系统测量天线阵面的靶标点，利用最小二乘拟合计算阵面平面度和平面法线的方向；利用经纬仪测量系统测量卫星基准镜和公共靶球点，以建立公共靶球点和卫星机械坐标系之间的关系；再利用激光雷达测量公共靶球点，以建立卫星机械坐标系和激光雷达测量坐标系的关系，最终获得卫星坐标系下天线阵面法线的方向；在天线多次展开试验中，利用雷达单点自动测量功能，自动完成展开后平面测量，评价展开平面度和指向的重复性。本发明可以完成对天线的平面度和指向精度的高精度、自动化测量，满足30m内平面点坐标0.2mm和角度测量精度20″的精度要求，大大提高了测量效率。
【专利说明】卫星大尺寸平面阵列SAR天线自动化精测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业测量【技术领域】，具体涉及一种卫星大尺寸平面阵列SAR天线自动 化精测方法。
【背景技术】
[0002] 随着卫星对天线的需求越来越广，天线的尺寸越来越大，型面及安装精度要求也 越来越高。SAR天线精测是该卫星研制质量控制的一个关键环节，其安装精度和SAR天线展 开构形直接影响卫星在轨成像质量。SAR天线可以由多块天线面板组合而成，总装过程中需 要测量天线安装到卫星后展开状态的整体平面度以及卫星机械坐标系下的阵面指向精度， 平面点坐标测量精度要求0. 2mm，角度测量精度要求20 "。
[0003] 近年来，天线精测技术发展迅速，已从传统的机械、光学和电的测量方法发展为应 用成熟的商业化高精度工业测量系统。根据不同的精测项目和被测天线特点，使用不同测 量系统并设计特定的测量方法。目前，国内外天线精测所用的仪器设备主要包括：经纬仪测 量系统、摄影测量系统、三坐标测量系统、激光跟踪测量系统、激光雷达扫描测量系统等。
[0004] 目前，国内航天器总装精测过程中，卫星机械坐标系及卫星仪器设备坐标系是以 安装的立方镜的坐标系来表征。使用经纬仪测量系统来实现镜面法线及镜面中心坐标点的 测量。镜面法线测量原理为自准直测量原理，点坐标测量原理为前方交会测量原理。
[0005] 经纬仪测量系统在测点时，需两台经纬仪定标测量，需要两人人工瞄点，测量精度 低、速度慢。天线展开过程中需要进行多次测量，耗费时间和人力大。激光雷达测量系统，其 测量范围可达30m，对目标的三维扫描测量，建立目标的数学三维模型，扫描速度可达1000 点/秒，最高扫描精度达〇. 1_。通过激光雷达测量系统和经纬仪测量系统的联合精测方 法，能实现天线的高精度、自动化测量。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种新的卫星大尺寸平面阵列SAR天线自动化精测方法， 实现的天线阵列整体平面度、星体机械坐标系下的阵面指向精度测量及多次展开试验的自 动化重复测量，旨在提高测量范围、测量精度和自动化程度。
[0007] 为达到以上目的，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种的卫星大尺寸平面阵列SAR天线自动化精测方法，包括以下步骤：
[0009] (1)天线安装到卫星之前，在天线被测阵面上均匀粘贴回光反射标志点，点的数量 足够多以反映天线整体平面度；
[0010] (2)天线安装到卫星之后，在天线展开测量工位附近粘贴数量不少于4个的靶球 基座，避免基座位于同一直线或者同一平面上；其中一个祀球基座为公共祀球基座，每个革巴 球基座上都设置有靶球；
[0011] (3)天线展开后，在天线阵面中心正前方的合适位置架设激光雷达测量系统，使所 有阵面上的标志点能在雷达的测量范围内，测量过程中激光雷达位置固定；
[0012] (4)利用激光雷达的单点手动测量功能，在激光雷达系统坐标系下，测量天线阵面 上粘贴的标志点，并通过最小二乘拟合计算阵面平面度和平面法线的方向；
[0013] (5)架设3台经纬仪，对卫星上表征卫星机械坐标系的立方镜进行测量，并对公共 革巴球基座上的祀球进行测量，获取公共祀球中心点在卫星机械坐标系的三维点坐标；
[0014] (6)利用激光雷达的靶球测量功能来测量公共靶球基座上的靶球，获取公共靶球 中心点在激光雷达坐标系的三维点坐标；
[0015] (7)通过公共靶球点转换，建立激光雷达坐标系和卫星坐标系的转换关系，从而获 取卫星坐标系下天线阵面法线；
[0016] (8)在多次展开试验中，利用激光雷达的多点自动测量功能，测量天线阵面上粘贴 的标志点，通过最小二乘拟合计算出阵面平面度和平面法线的方向。
[0017] 其中，反射标志点的数量为120个以上，优选150个以上，更优选180个-200个。
[0018] 其中，天线被测阵面（天线阵面）为4块SAR天线单板对称依次设置在卫星两侧 并展开后构成的阵面。
[0019] 本发明解决了大尺寸平面阵列SAR天线的高精度、自动化测量技术难题，具有如 下的效果：
[0020] 突破了传统上采用经纬仪测靶标点的限制，利用激光雷达测量天线阵面标志点， 提高了点测量精度和效率，减轻操作人员的劳动强度。通过激光雷达与经纬仪的联合测量， 获取卫星机械坐标系下的天线阵面法线角度，提高了角度测量精度。在多次展开试验中，利 用激光雷达的多点自动测量功能，实现了自动化、快速测量。
[0021] 本发明的测量方法能够满足30m测量范围内天线阵面点坐标0.2mm和角度测量精 度20"的精度要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的精测方法中SAR天线阵面粘贴回光反射标志点的位置示意图。
[0023] 图2为本发明的精测方法中单个回光反射标志点的示意图。
[0024] 图3为大尺寸平面阵列SAR天线自动化精测方法布局示意图，其中，1为卫星，2为 四块天线面板组成的SAR天线阵面，3为电子经纬仪，4为激光雷达，5为基座及靶球，6为立 方镜。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图对本发明的测量过程进行详细说明，这些说明仅仅是示意性的，并 不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
[0026] 图1为SAR天线阵面粘贴回光反射标志点示意，图中以黑点代表标志点，在单块天 线阵面2面板上，均匀粘贴了 192个标志点。实际回光反射标志点如图2所示，外部为黑色 区域，内部圆形为白色反光区域，内部的反射亮度比外部高出数百倍，以方便雷达提取圆形 边界，获取标志点中心。
[0027] 图3为大尺寸平面阵列SAR天线自动化精测方法布局示意图，卫星呈水平放置状 态，4块SAR天线单板（2-1，2-2, 2-3, 2-4)安装在卫星1上并依次完全展开。在星体周围地 面上布设5个靶球及基座5,并用热熔胶将基座粘在地面上。在天线阵面正前方架设三台经 纬仪及架设激光雷达测量系统。
[0028] 经纬仪3-1和经纬仪3-2分别与立方镜6的两相邻的面准直，测量镜面法线方向， 经纬仪3-3与经纬仪3-1定标，测量立方镜中心点坐标，立方镜与卫星机械坐标系的关系此 前已建立，因此，此时通过立方镜的坐标系即获取了卫星机械坐标系。再利用经纬仪3-1和 3-3对公共靶球基座上的靶球中心点进行测量，获取公共靶球中心点在卫星机械坐标系的 三维点坐标值。
[0029] 利用激光雷达4的单点手动测量功能，在激光雷达系统坐标系下，测量天线阵面 上粘贴的标志点，获取其在激光雷达坐标系下的三维点坐标值。将测量点通过最小二乘 拟合，计算出最小二乘拟合平面，找到距离该平面的最大和最小值，二者之差即为阵面平面 度，而该拟合平面的法线即为阵面法线。利用激光雷达4的靶球测量功能来测量公共靶球 基座上的靶球，获取公共靶球中心点在激光雷达坐标系的三维点坐标。通过公共靶球点转 换，建立激光雷达坐标系和卫星坐标系的转换关系，从而获取卫星坐标系下的天线阵面2 法线方向。
[0030] 在多次展开试验中，因每块天线面板上的点之前的关系基本保持不变，只有每块 天线面板整体的位移，因此利用激光雷达的多点自动测量功能，测量天线阵面上粘贴的标 志点，以提高测量效率。在每次展开试验中，手动测量每块天线面板上的4个或4个以上不 在同一直线上的标志点，再选取初测的对应点，即可利用激光雷达4的多点自动测量功能， 自动计算出所测点的理论位置，并进行自动测量，四块天线面板的测量方法一致。每次展开 试验均可采用该方法测量所有标志点，测完点后的数据处理方法同前。
[0031] 尽管上文对本发明的【具体实施方式】进行了详细的描述和说明，但应该指明的是， 我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权 利要求所记载的范围。
【权利要求】
1. 一种卫星大尺寸平面阵列SAR天线的自动化精测方法，包括以下步骤： (1) 天线安装到卫星之前，在天线被测阵面上均匀粘贴回光反射标志点，点的数量足够 多以反映天线整体平面度； (2) 天线安装到卫星之后，在天线展开测量工位附近粘贴数量不少于4个的靶球基座， 避免基座位于同一直线或者同一平面上；其中一个祀球基座为公共祀球基座，每个祀球基 座上都设置有靶球； (3) 天线展开后，在天线阵面中心正前方的合适位置架设激光雷达测量系统，使所有阵 面上的标志点能在雷达的测量范围内，测量过程中激光雷达位置固定； (4) 利用激光雷达的单点手动测量功能，在激光雷达系统坐标系下，测量天线阵面上粘 贴的标志点，并通过最小二乘拟合计算阵面平面度和平面法线的方向； (5) 架设3台经纬仪，对卫星上表征卫星机械坐标系的立方镜进行测量，并对公共靶球 基座上的靶球进行测量，获取公共靶球中心点在卫星机械坐标系的三维点坐标； (6) 利用激光雷达的靶球测量功能来测量公共靶球基座上的靶球，获取公共靶球中心 点在激光雷达坐标系的三维点坐标； (7) 通过公共靶球点转换，建立激光雷达坐标系和卫星坐标系的转换关系，从而获取卫 星坐标系下天线阵面法线； (8) 在多次展开试验中，利用激光雷达的多点自动测量功能，测量天线阵面上粘贴的标 志点，通过最小二乘拟合计算出阵面平面度和平面法线的方向。
2. 如权利要求1所述的自动化精测方法，其中，反射标志点的数量为120个以上。
3. 如权利要求2所述的自动化精测方法，其中，反射标志点的数量为150个以上。
4. 如权利要求3所述的自动化精测方法，其中，反射标志点的数量为180个-200个。
5. 如权利要求3-4所述的自动化精测方法，其中，天线被测阵面为4块SAR天线单板对 称依次设置在卫星两侧并展开后构成的阵面。
【文档编号】G01B21/00GK104089594SQ201410360762
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】陶力, 刘笑, 易旺民, 张彬, 徐奕柳, 赵书萍, 郭洁瑛, 王伟, 郑鹏, 阮国伟, 张天春, 刘浩淼, 唐赖颖 申请人:北京卫星环境工程研究所
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