星載大型天線平面度智能移動攝影測量技術研究

蔡子慧，韓建超，于望竹，杜興華，李 云

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

大型SAR天線是高分辨率對地觀測衛星的重要遙感成像的關鍵載荷，該天線具有全天時、全天候、高分辨率、大幅寬地穿透成像監測能力[1]，衛星快速重訪、寬幅覆蓋以及地面動目標檢測等多種新功能的需求對SAR天線的面積和型面精度提出了更大、更精的要求。如圖1所示，大型SAR天線屬于大型空間可展開機構，外形為長方形板式結構，展開時外掛在星體兩側，天線平面度是保證衛星在軌高精度遙感成像的重要指標、影響衛星在軌功能運行的成敗，為了驗證其在軌狀態下的展開性能和穩定性，需要進行多次展開試驗并測量翼面平面度的穩定性，從而確保SAR天線在軌穩定、可靠。

圖1 大型平面展開天線

以往采取人工手動攝影拍照測量的方式，檢測效率低，檢測結果受測量人員經驗影響較大，因此為了提高大尺寸天線平面度測量的效率和數據一致性，降低人為影響，提出了一種智能移動攝影測量的方法，并開發了智能移動攝影測量系統，通過預先規劃的移動路徑，利用中央控制軟件控制移動攝影測量系統按規劃路徑對大型天線進行測量，實現了大尺寸天線平面度的全空間智能柔性移動、高效自動化測量。

1 智能移動攝影測量系統總體構成

智能移動攝影測量系統是以高精度工業攝影測量相機作為末端測量數據采集傳感器，通過與全向移動升降機構集成而成的一套自主、導航移動的自動化測量系統，該系統的總體結構如圖2所示，該測量系統主要包括：工業攝影測量相機、自動旋轉云臺、自動升降導軌、AGV全向移動車、相機同步控制器、測量控制軟件等單元構成。

圖2 智能移動攝影測量系統總體組成

智能移動攝影測量系統工作時由中央一體機統一發送各構成單元的執行指令，從而控制相機采集數據、AGV視覺導航移動、云臺旋轉等各單元工作，其數據通信框架如圖3所示，一體機分別于相機和AGV小車通訊連接，一體機與云臺，AGV小車分別用RS232類型數據線進行連接，使得設備相互之間的通訊交互，一體機除了為相機供電外，還接收相機傳輸的信息，接收信息接口有USB3.0和HDMI接口，USB3.0接口負責傳輸相機拍攝實時影像，HDMI接口負責在一體機屏幕上顯示實時拍攝影像。

圖3 系統通訊控制一體機及數據交互框架

一體機通電以后，通過觸摸屏關閉正在運行的后臺測量軟件，運行AGV小車，按路徑規劃行走，起點位置時發送起點命令，每走到一個節點發送觸發命令，相機接到命令后拍照，中點返回的位置發送終點信號，相機旋轉切換姿勢并拍照。并將觸發信號通過串口發送到相機，相機收到觸發后牌照，并反饋信息，相機圖片采集后進行顯示；路徑結束后，一體機上安裝的測量軟件實時對測量數據進行處理，計算面板平面度。

2 三維空間坐標信息識別與獲取

物體表面的點坐標信息主要通過智能移動攝影測量系統末端的相機傳感器采集、識別和獲取，相機精度為3um+3um/m，像素為2900萬像素，視場角為72°×51°，該相機具有大視場、高分辨率的特點，如圖4所示該系統在不同位置和方向對物體表進行數據采集，從而獲得物體表面的圖像信息，通過對獲取的多幅數字圖像，進行圖像預處理、標志識別、圖像匹配、空間三角交會及光束平差后[2]，得到表面上目標點的空間三維坐標值。

圖4 多站位數據采集原理圖

如圖5所示，物體表面的點P′經過像機鏡頭攝影后成像在像平面上，攝影鏡頭的光學中心為S（投影中心或攝影中心），物體表面點P′經過S投影到像平面上的像為p，這三點處于同一直線，即三點共線。

圖5 目標點三維坐標獲取獲取

物體表面點的三維坐標解算，通過式(1)的共線方程解算可得：

式中，(x，y)為像點在像平面坐標系的坐標，f為相機焦距，(XS，YS，ZS)為像點在物方坐標系的坐標，a1，a2，a3；b1，b2，b3；c1，c2，c3為像平面坐標系和物方坐標之間的旋轉矩陣系數，(X，Y，Z)為空間被測物點在物方坐標系下的坐標，計算得攝站位置物方儀器坐標系下的坐標值。

3 移動測量路徑設計

影響大尺寸攝影測量的主要因素是交會角和圖像重疊率，最佳交會角一般要求為90°，不同位置拍攝的圖片重疊率需大于60%。在大型平面天線平面度測量過程中，由于大型SAR天線產品表面尺寸面積比較大，為了保證測量精度，需預先規劃水平橫向和豎值方向的移動路徑，以最優的路徑拍攝測量才能滿足不同站位拍攝后具有較好的測量交會角[3]和重疊率。因此在設計移動路徑需綜合考慮精度和拍攝全覆蓋，總體方案是水平橫向移動時相機光線主軸以45°入射角進行拍攝，每個位置需將相機沿主軸旋轉90°再拍攝一次以保證90°交會角，水平橫向拍攝后再發送豎向移動拍攝的命令，以此方式對整個面板區域進行全覆蓋100%圖像拍攝、采集。

如圖6所示，以某外形尺寸為9米×2米的大型天線為例，測量相機距離測量面板的距離設計為1.4米，相機參數視場角：72°×51°，按光軸入射光線45°，通過三角函數可計算得出相機的水平橫向有效觀測范圍為2.2米，豎直縱向有效測量范圍為1.2米。按照水平方向和豎直方向均采用60%重疊度的拍攝方式，則水平方向和豎直方向每次移動為水平和豎直視場的40%，通過三角關系，水平方向每拍攝一次移動距離為0.85米，每行拍攝完成之后，豎直方向移動距離為0.45米，按照天線長、短邊的距離，最終規劃了如圖7所示的移動路徑的軌跡，共72個AGV視覺定位導航停泊點。

圖6 第一種測量姿態下的水平移動測量范圍

圖7 第一種姿態拍攝路徑

按圖8的方法，以面板左上角為原點，面板長邊水平橫向移動方向定義為X軸，面板短邊豎直縱向移動方向定義為Y軸，建立面板直角坐標系。為了保證每一處拍攝區域均有重復拍攝，需將初始位置向-X和-Y方向預設一個位置，相機主軸拍攝的第一個點的坐標為（-1，0.15），AGV小車水平移動范圍為0.85×11=9.35米，垂直移動距離為0.45×5=2.25米，拍攝范圍覆蓋了整個天線面9米×2米的區域。

圖8 移動距離坐標換算示意圖

4 測量應用與系統重復性驗證

根據上述方法，將該系統應用在了模型號大型SAR天線展開過程平面度測試中，該天線由兩塊面板裝配而成，即內天線板和外天線板，整體外形尺寸為9米×2米，首先在天線表面貼上攝影測量專用的測量標志點，分別在天線3塊板子中心位置放置1米的炭纖維標準尺，用于系統定長度和校驗現場的系統精度，在天線前約1.4米處的地面上貼上智能移動攝影測量系統視覺引導的二維編碼，然后將AGV小車移動到規劃路徑起始位置，調用上述方法生成的測量路徑的程序文件，如圖9所示，按照調入的程序可驅動智能移動攝影測量系統對9米×2米的天線表面進行自動采集。

圖9 大型SAR天線平面度智能移動測量示意圖

智能移動攝影測量系統對天線表面采集到的數字照片經標志識別、圖像匹配及數學計算后，得到標識點三維坐標值，各點坐標結果如圖10所示，將天線型面點組數據文件提取至測量分析軟件中，按照最小二乘算法進行擬合計算平面度，自動獲得天線平面度測量結果。

圖10 平面度計算結果示意圖

通過觀察列評價測量不確定度的方法有兩種，極差法和貝塞爾法[4]，當測量次數n＜10時，極差法優于貝塞爾法，當測量次數n≥10時，貝塞爾法優于極差法。

評價測量結果的重復性時，可選用標準偏差作為評價指標，具體至本文測量，因樣本數量為n=5，適用極差法計算標準偏差。

極差法評定過程中，認為等精度多次測量測得值X1、X2、……Xn，服從正態分布，在其中選取最大值Xmax與最小值Xmin，兩者之差為極差。標準偏差即σ=（Xmax-Xmin）/d，當標本數n=5時，由查表可知表1中的極差系數d=2.33。重復精度取3σ

表1 極差系數及自由度表

此次試驗，在天線5次展開過程中，利用智能移動攝影測量系統該對天線平面度進行了5次等精度測量，各次平面度測量結果如表2數據所示，通過上述方法計算得出了5次測量的平面度重復性精度，高效、可靠的驗證了大型天線展開過程的尺寸穩定性。

表2 某大型平面展開天線雙翼平面度測量結果

5 結語

智能移動攝影測量系統在大型可展開平面SAR天線中的應用，攻克了攝影測量系統路徑自動規劃[5]的關鍵技術，使其具備全向移動、自動升降、多站位、多角度的數據自動采集功能，實現了對大型天線整翼平面度以智能高效移動的方式進行自動測量，并一鍵自動生成數值結果和偏差云圖，從而降低了對測量人員經驗和狀態的依賴，確保了測試數據的一致性，經某型號天線的實際應用驗證，檢測效率由3小時縮短到30分鐘，天線平面度測量精度優于1.5mm，解決了大型平面天線的面積大、精度高、人工測量效率低的難題，具有全空間智能柔性移動的特點，其高效的自動化測量優勢亦可推廣應用在其他領域大型、超大型裝備產品的測量中。