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生結構的熱變形；另外，航天器會因在軌環(huán)境下的重力釋放而產生微變形。對于天線、空間望遠鏡、太陽電池陣等對自身結構穩(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，同時對于其結構改進、優(yōu)化設計也具有指導作用，進而為高精度、長壽命、高可靠性航天器的研制提供技 術支撐。

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

本文綜述了近20年來國外著名的應用攝影測量技術進行的航天器變形測量試驗及我國變形測量技術的發(fā)展，在此基礎上總結出其關鍵技術，并提出適合我國國情的航天器變形測量技術發(fā)展建議。

1 攝影測量技術

1.1 測量原理

攝影測量技術是數(shù)字近景攝影測量技術的簡稱，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數(shù)學計算后得到待測點精確的三維坐標的一種測量方法。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，應用光束平差法便可求解所有標志點的精確三維坐標。設物方點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、攝影設備及設備的布站方式有較大關系。隨著CCD 技術和計算機技術的不斷進步，攝影測量精度不斷提高。對于10 m 范圍內的物體，攝影測量精度可以達到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 典型產品

目前用于變形測量比較成熟的攝影測量設備有美國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)字攝影測量產品，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。天線內直徑5 m，外直徑6.5 m，質量為4 kg。試驗最終的測試精度為面內優(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太陽帆結構進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志點，但對于此類極薄的薄膜被測件來說，標志點將增加其質量和剛度，而這是不允許的。因此，該試驗中采用了投影儀發(fā)射圓形標志光的方法來取代實物標志點，同時也省去了粘貼大量標志點的時間。應用該項技術，該中心分別于2004年和2005年在φ30 m 容器內進行了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 噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）和Northrop Grumman 于2008年9月在噴氣推進實驗室的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)境模擬容器內利用V-STARS 攝影測量系統(tǒng)完成了“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”（The James Webb Space Telescope，JWST）的集成有效載荷平臺（Integrated Science Instrument Module，ISIM）結構在常溫和低溫（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 結構熱真空環(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）望遠鏡和“赫歇爾”（Herschel）望遠鏡是歐空局于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鏡。

2006年，ESTEC 利用攝影測量法在LSS 大型空間環(huán)模設備內對“普朗克”望遠鏡進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”望遠鏡的反射鏡、主體結構框架和固定安裝機構等。該望遠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 個回光反射標志點（反射鏡及框架上的亮點）的“普朗克”望遠鏡，圖6(b)顯示了2 臺測試相機及望遠鏡在容器內的安裝位置。

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

在此基礎上，ESTEC 于2008年在LSS 大型空間環(huán)模設備內利用攝影測量法完成了“赫歇爾”望遠鏡在真空低溫環(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的旋轉臺上，可繞自身軸線360°旋轉，見圖9(a)。反射鏡和鋁平臺上共粘貼了485 個回光反射標識點和98 個測溫熱電偶。鋁平臺上裝有熱管，用來控制反射鏡的溫度，當熱沉溫度在-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 國內發(fā)展現(xiàn)狀

國內應用攝影測量法進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 的回光反射標志點RRT和26 個編碼標志點，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構真空低溫環(huán)境下變形測量技術開展了大量的研究工作并進行了相關試驗，具備了較為豐富的經(jīng)驗。其在“十一五”裝備預先研究項目“真空低溫環(huán)境下大型展開結構的非接觸變形測量”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果及測量精度[18-19]。該研究所還應用美國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、星敏組合體結構件[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，同時進行著二維低溫移動平臺及低溫標志點等關鍵技術的攻關，這是該研究所首次將攝影測量技術應用于航天器型號的真空低溫環(huán)境下變形測量試驗。

4 攝影測量技術的關鍵技術

綜合攝影測量技術的測量原理及其在國內外航天器變形測量試驗中的應用，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。其關鍵技術主要包括：

1）高質量“準二直影像”的獲取。目前，國內外主要采用圓形定向回光反射標志RRT 和編碼標志來獲取高質量“準二直影像”。

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

3）基于編碼標志和自動匹配技術的自動化測量技術。對編碼標志進行自動識別和采用多張像片相應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)字相機的標定與自標定。相機標定結果直接影響測量結果的精度，需要研究相機的畸變規(guī)律、不同標定方法和結果，以及自標定算法。

5）真空高低溫環(huán)境用標志點。普通的攝影標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志。

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

5 對我國航天器變形測量技術發(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、復雜化、高可靠性及批量化的特點，對各種航天器結構（包括大型可展開充氣拋物面天線、大型空間望遠鏡、各種航天器的框架結構等）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

通過調研、整理、分析、總結攝影測量技術及其在國內外航天器變形測量領域的應用情況、關鍵技術以及未來我國航天器對變形測量技術的需求，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)，以滿足型號任務需求。中國空間技術研究院作為我國衛(wèi)星和飛船的主要研制單位，雖在變形測量領域開展了很多工作，但至今還未在真空低溫環(huán)境下進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 結束語

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

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