攝影測量技術(shù)及其在航天器變形測量中的應(yīng)用

肖慶生，蔣山平，許 杰，楊林華

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在軌運行時，會因空間環(huán)境呈周期性劇烈變化而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的熱變形；另外，航天器會因在軌環(huán)境下的重力釋放而產(chǎn)生微變形。對于天線、空間望遠(yuǎn)鏡、太陽電池陣等對自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有較高要求的部件來說，該變形必將影響到其工作性能。以天線為例，一般要求其表面精度是其工作波長的1/16～1/32，而按誤差可忽略不計原則，測量精度要達(dá)到表面精度的1/3～1/5，因此工作波長越短、工作頻率越高，對測量提出的要求就越苛刻。掌握有效的變形測量技術(shù)將對掌握這些部件的變形特性、評估其在軌工作性能偏差具有重要作用，同時對于其結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計也具有指導(dǎo)作用，進(jìn)而為高精度、長壽命、高可靠性航天器的研制提供技 術(shù)支撐。

從20世紀(jì)60年代開始，國外各主要航天國家和機構(gòu)就開展了一系列航天器大氣環(huán)境和在軌環(huán)境下變形測量技術(shù)的研究。美國NASA、歐空局ESTEC、日本等均進(jìn)行過大型可展開拋物面天線、空間望遠(yuǎn)鏡等的變形測量試驗，其測量技術(shù)代表了國際航天器變形測量領(lǐng)域的最高水平[1-16]。我國于20世紀(jì)80年代開展航天器的形面變形測量研究，經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累，在航天器大型復(fù)雜部件的變形測量領(lǐng)域取得了一些成果，但至今尚未形成成熟的技術(shù)[17-19]。

本文綜述了近20年來國外著名的應(yīng)用攝影測量技術(shù)進(jìn)行的航天器變形測量試驗及我國變形測量技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出其關(guān)鍵技術(shù)，并提出適合我國國情的航天器變形測量技術(shù)發(fā)展建議。

1 攝影測量技術(shù)

1.1 測量原理

攝影測量技術(shù)是數(shù)字近景攝影測量技術(shù)的簡稱，是通過在不同的位置和方向獲取同一物體的 2 幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)計算機圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計算后得到待測點精確的三維坐標(biāo)的一種測量方法。圖1所示為三角形交會法[20]的測量原理。

聯(lián)立圖1中所有標(biāo)志點S在所有測站中的共線條件方程，組成方程組，將非編碼點在空間各測站中粗略位置作為已知初值，應(yīng)用光束平差法便可求解所有標(biāo)志點的精確三維坐標(biāo)。設(shè)物方點Pi由j個攝站（j條光線）相交，則共有j個共線方程[20]：

攝影測量的精度與被測物幾何尺寸、攝影設(shè)備及設(shè)備的布站方式有較大關(guān)系。隨著CCD 技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，攝影測量精度不斷提高。對于10 m 范圍內(nèi)的物體，攝影測量精度可以達(dá)到60～80 μm，而隨著測量對象的減小，測量精度也會大幅提高。

1.2 典型產(chǎn)品

目前用于變形測量比較成熟的攝影測量設(shè)備有美國GSI 公司的V-STARS 系統(tǒng)、挪威Metronor 公司的Metronor 系統(tǒng)、德國GOM 公司的TRITOP 系統(tǒng)和AICON 3D 公司的DPA-Pro 系統(tǒng)等。V-STARS系統(tǒng)（如圖2所示）是目前國際上最成熟的商業(yè)化工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量產(chǎn)品，其中，INCA3 相機的分辨率為800 萬像素，CCD 尺寸為35 mm×23 mm，視場角為77°×56°。該系統(tǒng)主要具有三維測量精度高（相對精度可達(dá)1/200 000）、測量速度快、自動化程度高和能在惡劣環(huán)境中工作（如熱真空）等優(yōu)點。

圖2 V-STARS 系統(tǒng)組成Fig.2 V-STARS system components

2 國外著名的航天器變形測量試驗

2.1 美國NASA

NASA Langley 研究中心在航天器大型復(fù)雜部件的變形測量方面做了很多工作。2000年12月，在直徑16 m 的熱真空容器中，常溫常壓的環(huán)境下，利用4 臺Kodak DC290 數(shù)碼相機對一個直徑為5 m的可膨脹的拋物面天線面形進(jìn)行了攝影測量[1-2]。測量時在天線表面粘貼了500 多個測點。天線內(nèi)直徑5 m，外直徑6.5 m，質(zhì)量為4 kg。試驗最終的測試精度為面內(nèi)優(yōu)于0.02 inch（0.508 mm），面外約為0.05 inch（1.271 mm）。

2003年，該中心利用攝影測量法對一個2 m太陽帆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了面形的測量試驗[3-4]，如圖3所示，測量系統(tǒng)包括照相機和投影儀。傳統(tǒng)的攝影測量法是在被測件表面粘貼回光反射標(biāo)志點，但對于此類極薄的薄膜被測件來說，標(biāo)志點將增加其質(zhì)量和剛度，而這是不允許的。因此，該試驗中采用了投影儀發(fā)射圓形標(biāo)志光的方法來取代實物標(biāo)志點，同時也省去了粘貼大量標(biāo)志點的時間。應(yīng)用該項技術(shù)，該中心分別于2004年和2005年在φ30 m 容器內(nèi)進(jìn)行了10 m 和20 m 展開式薄膜天線面形常溫和低溫下的變形測量試驗[5]。

圖3 2 m 太陽帆變形測量試驗Fig.3 Two meter solar sail test

NASA 噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory）和Northrop Grumman 于2008年9月在噴氣推進(jìn)實驗室的φ25 m真空容器完成了5 m網(wǎng)狀反射面天線的模擬空間環(huán)境下變形測量試驗[6]。測試設(shè)備由5 m 網(wǎng)狀反射面天線、7.6 m 空間容器和攝影測量系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中，攝影測量系統(tǒng)懸掛在距離容器底面7.6 m 高處，同樣，反射面天線也被升高到距地面3.7 m 高以減小從容器底面來的反射輻射。天線表面粘貼有超過800 個回光反射標(biāo)志點，桁架上布了約10 個測點。此次變形測量試驗完成了355 、710 、1420 W/m2（接近1倍太陽常數(shù)）下網(wǎng)狀反射鏡的變形測量，測試精度達(dá)到0.025 mm RMS（0.001″）。

圖4 網(wǎng)狀反射鏡變形測量試驗組成Fig.4 Deformation measurement test configuration of the astromesh reflector

2010年，NASA 戈達(dá)德空間飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）在直徑8.2 m、高12.2 m的空間環(huán)境模擬容器內(nèi)利用V-STARS 攝影測量系統(tǒng)完成了“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”（The James Webb Space Telescope，JWST）的集成有效載荷平臺（Integrated Science Instrument Module，ISIM）結(jié)構(gòu)在常溫和低溫（約35 K）環(huán)境下的變形測量試驗[7-11]（見圖5）。該空間環(huán)境模擬容器配有長3.5 m、高1 m 的旋臂，旋臂兩端各有一個相機，每隔3.75°拍攝一次照片。

圖5 ISIM 結(jié)構(gòu)熱真空環(huán)境下變形測量試驗Fig.5 The ISIM structure cyroset configuration

2.2 歐洲

2.2.1 歐空局ESTEC

“普朗克”（Planck）望遠(yuǎn)鏡和“赫歇爾”（Herschel）望遠(yuǎn)鏡是歐空局于2009年5月14日利用“阿里安Ⅴ”火箭同時送入太空的新一代望遠(yuǎn)鏡。

2006年，ESTEC 利用攝影測量法在LSS 大型空間環(huán)模設(shè)備內(nèi)對“普朗克”望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了真空低溫變形測量[12-13]，測量溫度為常溫至95 K，測量對象包括“普朗克”望遠(yuǎn)鏡的反射鏡、主體結(jié)構(gòu)框架和固定安裝機構(gòu)等。該望遠(yuǎn)鏡的主鏡和次鏡均為離軸橢球面鏡，主鏡尺寸為1 555.98 mm×1 886.78 mm，曲率半徑為1440 mm；次鏡尺寸為1050.96 mm× 1 104.39 mm，曲率半徑為-643.972 mm。圖6(a)是貼有約2150 個回光反射標(biāo)志點（反射鏡及框架上的亮點）的“普朗克”望遠(yuǎn)鏡，圖6(b)顯示了2 臺測試相機及望遠(yuǎn)鏡在容器內(nèi)的安裝位置。

圖6 “普朗克”望遠(yuǎn)鏡熱真空環(huán)境下變形測量試驗Fig.6 The Planck Telescope thermal-vacuum test set-up

在此基礎(chǔ)上，ESTEC 于2008年在LSS 大型空間環(huán)模設(shè)備內(nèi)利用攝影測量法完成了“赫歇爾”望遠(yuǎn)鏡在真空低溫環(huán)境下的變形測量，測量精度為50 μm[14]。

2.2.2 德國IABG

1995年以來，德國IABG 利用攝影測量法先后對幾十個衛(wèi)星天線進(jìn)行了變形測量試驗[15]，試件尺寸500～3500 mm，測量精度優(yōu)于10 μm/m。圖7其采用美國GSI 公司的V-STARS 測量系統(tǒng)進(jìn)行的某型號天線在模擬空間環(huán)境下的熱變形測量試驗。

圖7 IABG 天線變形測量試驗Fig.7 Deformation measurement test of antenna in IABG

2.3 日本

2006年，JAXA 采用美國GSI 公司的V-STARS攝影測量系統(tǒng)，在直徑13 m 的熱真空容器中進(jìn)行了WINDS 衛(wèi)星主反射面天線熱變形測量[16]，如 圖8所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，測量精度優(yōu)于50 μm。

圖8 WINDS 衛(wèi)星天線熱變形測量示意圖Fig.8 Antenna on WINDS thermal deformation measurement set-up

該變形測量試驗采用單臺V-STARS 相機，被測天線（直徑2.4 m）安裝在鋁平臺上，鋁平臺固定在容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺上，可繞自身軸線360°旋轉(zhuǎn)，見圖9(a)。反射鏡和鋁平臺上共粘貼了485 個回光反射標(biāo)識點和98 個測溫?zé)犭娕肌ｄX平臺上裝有熱管，用來控制反射鏡的溫度，當(dāng)熱沉溫度在-170 ℃或更低時可將反射鏡加熱到約-30 ℃或降溫至約-160 ℃。V-STARS 相機安裝在容器頂部的懸臂上，可自旋90°，見圖9(b)。

圖9 在旋轉(zhuǎn)臺上的反射鏡及測試用相機Fig.9 Reflector on rotation table and camera for photogrammetry

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)應(yīng)用攝影測量法進(jìn)行過航天器變形測量試驗的單位主要有北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、西安空間無線電技術(shù)研究所、上海宇航系統(tǒng)工程研究所及鄭州辰維科技有限公司等。

2008年初，上海宇航系統(tǒng)工程研究所利用美國GSI 公司的V-STARS 系統(tǒng)進(jìn)行了一次針對5.5 m× 1 m 口徑方形天線變形的熱真空環(huán)境測量試驗。

鄭州辰維科技有限公司曾利用V-STARS 測量系統(tǒng)在模擬空間環(huán)境下對天線面板進(jìn)行了熱變形測量試驗[17]。試驗采用2 臺相機固定在容器底端對天線進(jìn)行拍攝，如圖10(a)所示；天線表面共布置了近800 個直徑為6 mm 的回光反射標(biāo)志點RRT和26 個編碼標(biāo)志點，如圖10(b)所示。試驗共分為3 個工況，分別是真空度為10-4Pa 和反射面溫度約為-35 ℃、真空度為10-4Pa 和反射面溫度約為-18 ℃、真空度為10-4Pa 和反射面溫度約為+18 ℃。試驗結(jié)果是天線在所有工況下的平面度為1.746 mm，整個攝影測量系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于0.1 mm。

圖10 天線熱變形測量試驗Fig.10 Thermal deformation measurement test of antenna

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所針對大型結(jié)構(gòu)真空低溫環(huán)境下變形測量技術(shù)開展了大量的研究工作并進(jìn)行了相關(guān)試驗，具備了較為豐富的經(jīng)驗。其在“十一五”裝備預(yù)先研究項目“真空低溫環(huán)境下大型展開結(jié)構(gòu)的非接觸變形測量”研究過程中自主研制了一套小型測量系統(tǒng)原理樣機，并成功完成了真空低溫環(huán)境下660 mm 口徑衛(wèi)星天線變形測量原理性試驗，取得了滿意的測量結(jié)果及測量精度[18-19]。該研究所還應(yīng)用美國GSI 公司V-STARS 系統(tǒng)分別于2012年3月和2014年3月完成了某型號相機、星敏組合體結(jié)構(gòu)件[19]和某型號衛(wèi)星7500 mm× 2100 mm SAR 天線的常壓熱變形測量試驗，如 圖11所示。

圖11 常壓熱變形測量試驗Fig.11 Thermal deformation measurement in normal environment

目前，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所正承擔(dān)著某型號衛(wèi)星φ4.2 m 大型可展開網(wǎng)狀天線在真空低溫環(huán)境下的變形測量試驗任務(wù)，同時進(jìn)行著二維低溫移動平臺及低溫標(biāo)志點等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，這是該研究所首次將攝影測量技術(shù)應(yīng)用于航天器型號的真空低溫環(huán)境下變形測量試驗。

4 攝影測量技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

綜合攝影測量技術(shù)的測量原理及其在國內(nèi)外航天器變形測量試驗中的應(yīng)用，可以看出，攝影測量系統(tǒng)具有非接觸測量、測量對象大小不受限制、動態(tài)性能好、檢測速度快、受外界環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，特別適合于天線面形的快速檢測。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1）高質(zhì)量“準(zhǔn)二直影像”的獲取。目前，國內(nèi)外主要采用圓形定向回光反射標(biāo)志RRT 和編碼標(biāo)志來獲取高質(zhì)量“準(zhǔn)二直影像”。

2）數(shù)字影像匹配。其主要目標(biāo)是自動識別同名點并精確定位。數(shù)字影像匹配的3 大指標(biāo)是精度、速度和可靠性。

3）基于編碼標(biāo)志和自動匹配技術(shù)的自動化測量技術(shù)。對編碼標(biāo)志進(jìn)行自動識別和采用多張像片相應(yīng)點的核線法自動匹配來加快測量速度和實現(xiàn)測量自動化。

4）數(shù)字相機的標(biāo)定與自標(biāo)定。相機標(biāo)定結(jié)果直接影響測量結(jié)果的精度，需要研究相機的畸變規(guī)律、不同標(biāo)定方法和結(jié)果，以及自標(biāo)定算法。

5）真空高低溫環(huán)境用標(biāo)志點。普通的攝影標(biāo)志在溫度變化時會發(fā)生變形或脫落，因此需要專門研制一種特殊基材的耐高低溫攝影標(biāo)志。

6）真空低溫環(huán)境下的移動機構(gòu)技術(shù)。在空間環(huán)境模擬容器內(nèi)進(jìn)行攝影測量法變形測量試驗時，若試件固定安裝，就要研制相應(yīng)的低溫移動機構(gòu)以滿足拍攝相機的移動或旋轉(zhuǎn)。

5 對我國航天器變形測量技術(shù)發(fā)展的建議

5.1 需求分析

隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，新一代通信衛(wèi)星、導(dǎo)航系統(tǒng)、高分項目以及深空探測計劃逐漸展開，航天器呈現(xiàn)出大型化、復(fù)雜化、高可靠性及批量化的特點，對各種航天器結(jié)構(gòu)（包括大型可展開充氣拋物面天線、大型空間望遠(yuǎn)鏡、各種航天器的框架結(jié)構(gòu)等）的形面變形要求也逐漸提高。航天器變形測量需求非常大，發(fā)展前景廣闊。

5.2 建議

通過調(diào)研、整理、分析、總結(jié)攝影測量技術(shù)及其在國內(nèi)外航天器變形測量領(lǐng)域的應(yīng)用情況、關(guān)鍵技術(shù)以及未來我國航天器對變形測量技術(shù)的需求，特提出以下建議，以供參考。

1）盡快建立適用于真空低溫環(huán)境的非接觸變形測量系統(tǒng)，以滿足型號任務(wù)需求。中國空間技術(shù)研究院作為我國衛(wèi)星和飛船的主要研制單位，雖在變形測量領(lǐng)域開展了很多工作，但至今還未在真空低溫環(huán)境下進(jìn)行過型號的變形測量試驗驗證，而這已經(jīng)成為制約我國航天器型號研制進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。

2）大力開展攝影測量法在真空低溫環(huán)境下應(yīng)用的精度分析研究。目前，這方面的研究在我國仍處于起步階段，而現(xiàn)有個別航天器變形測量的精度要求已接近攝影測量可達(dá)到的最高理論精度，隨著未來遙感器載荷分辨率、指向精度的持續(xù)提高，需要發(fā)展更高精度的測量手段，以滿足不斷提高的試驗需求。

6 結(jié)束語

本文通過系統(tǒng)調(diào)研攝影測量技術(shù)在國內(nèi)外航天器變形測量領(lǐng)域的發(fā)展概況，梳理了其關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合我國的具體國情，提出了適合我國現(xiàn)階段航天器變形測量技術(shù)發(fā)展的建議，希望能為我國航天技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

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