基于激光雷达的卫星发动机精度测量方法

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1、航天器环境工程第30卷第3期328SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年6月基于激光雷达的卫星发动机精度测量方法陶力，杨再华，阮国伟，易旺民(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：针对卫星发动机精度测量要求，文章提出了一种基于激光雷达的测量方法。首先利用多个已知位置的靶球建立卫星测量基准坐标系；之后利用高精度平面镜的隐藏点扫描测量功能获取发动机的内部轮廓点云图；最后利用SpatialAnalyzer专业测量软件计算出发动机内部的关键几何中心轴线方向。测试结果表明，该测量方法具有较好的精度

2、和重复性，可用于卫星发动机的精度测量。关键词：卫星；发动机；精度测量；激光雷达中图分类号：V465；TN958．98文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)03-0328-04DoI：10．3969／iSSn．1673．1379．2013．03．0190引言高精度、自动化、快速测量已成为航天器精度测量的重要发展方向。目前在国内外航空航天领域应用较为成熟的工业测量系统主要有经纬仪测量系统、全站仪测量系统、激光跟踪测量系统、摄影测量系统、激光扫描测量系统等【lJ。其中，激光雷达测量系统作为一种新型激光扫描测量系统，与其他测

3、量系统相比具有测量范围大、精度高、非接触、适用性强、自动化程度高等优点，已越来越多地应用在航天领域【2。J。卫星发动机的主要作用是在星箭完成分离后为卫星的变轨提供动力以及对卫星的姿态进行调整控制。卫星发动机的精度测量对于飞行姿态控制有重要的作用，是卫星总装精度测量的一项重要内容。目前，发动机精度测量方法主要是：在发动机上安装工装，利用经纬仪测量工装上的立方镜来测出发动机的几何轴线。该方法测量速度慢、效率低。激光跟踪仪技术也被用于发动机的精度测量，测量精度较高且速度较快，取得了较好的实际效果【4。5】，但该方法是接触式测量，需要靶球或

4、探针接触发动机表面，并且会受实际星体状态及发动机尺寸大小等多种因素的影响。激光雷达可实现非接触测量，而且适用性较好，因此开展基于激光雷达的卫星发动机精度测量方法的研究，对于提高测量精度和工作效率，具有重要的意义。1基于激光雷达的卫星发动机精度测量卫星发动机的关键尺寸参数对其性能有着重要影响。发动机的喷管部件在加工和装配过程中会存在某些形位误差，并且会通过累积和放大作用最终影响到发动机推力线偏离设计的方向。在卫星总装过程的不同阶段需要对发动机进行多次测量。激光雷达的测量方式主要有靶球单点测量、物体表面单点测量和物体表面扫描测量3种16

5、J。在获取测量的目标信息之后，利用SpatialAnalyzer(简称SA)专业处理软件对原始数据进行处理分析，生成被测目标的特征量。基于激光雷达的发动机精度测量主要包括雷达测量坐标系的建立、发动机内部轮廓的扫描、几何中心轴线的测量3部分内容。1．1建立雷达测量坐标系激光雷达可获取被测对象表面上单个点的距离、方位角及俯仰角，并且可以转换成规定的笛卡尔坐标系中相应的三维坐标值。雷达基准建立过程如图1所示。n+lO。．

6、≯●n“雷达举标系O。OcO。图1建立雷达测量基准Fig．1Measurementbenchmarkestablish

7、mentforlaserradar收稿日期：2013—02．25；修回日期：2013—05—14作者简介：陶力(1987一)，男，硕士学位，从事航天器精度测量工作。E-mail：taolitju@gmail．com。第3期陶力等：基于激光雷达的卫星发动机精度测量：亨法卫星总装精度测量时，测量的基准坐标系是星体上粘贴的立方镜所确定的坐标系01xt,vlzl。在星体周围地面上粘贴4个靶球基座，利用两台经纬仪建立测站，以立方镜所确定的坐标系为基准，测量A、B、C、D这4个靶球中心在立方镜坐标系下的坐标值，分别记为@Al'YAI，ZAl)、

8、OBl'Ym，ZBl)、(xci，Ycl，ZCl)、(XDl'Yol，zm)。随后，利用激光雷达在雷达默认的系统坐标系02x2Y222下测量同样的4个靶球中心坐标，分别为OA2，YA2，zA2)、(xB2，YB2，ZB2)、@c2，Yc2，zc2)、‰2，YD2，ZD2)。此时，就可以计算出雷达默认坐标系02x2Y222与立方镜基准坐标系01xlylzI之间的位置关系。设坐标系0lxlylZl到坐标系02x2Y222的旋转矩阵为40、平移矢量为死，则有【7J『Xil]『Xi：]Yn

9、=4Yi2I+7"o，i=A，B，C，D，(1)L

10、zi,-JL乙2_JCOS口。COS8。COS，。Hro=l娲l。H把已知的点坐标(xil，Yfl，Zil)、C№，妇，纫)代入式(1)就可以由最dx--乘法求出旋转矩阵Ao和平移矢量死。此时，确定了雷达默认坐标系和立方镜基准坐标系之