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基于激光跟蹤儀的天基望遠鏡安裝測量技術
發布時間：2017-09-01
引 言
天基硬X 射線調制望遠鏡是大型空間望遠鏡，由12 個小的X 射線望遠鏡組成，測量時各望遠鏡的局部坐標系必須統一到天文坐標系中，才能夠得到在天文坐標系中的測量結果。由于望遠鏡鏡管的安裝是隨機的，無法保證其空間方位，因此，安裝之后必須測量出鏡管坐標系與天文坐標系之間的空間方位關系，工作時由軟件對各望遠鏡測量結果加以計算和補償。天基硬X 射線調制望遠鏡坐標系方位測量方案關系到望遠鏡集成測試階段的成功，因此，在設計階段對此方案加以預先研究，文中涉及的工作正是在此背景下開展的。
1 測量方案
1.1 測量原理
衛星在天文坐標系中的方位由星敏感器決定，因此，決定望遠鏡鏡管在天文坐標系中的方位實際上是決定鏡管坐標系與星敏感器坐標系的關系。
每一個小的望遠鏡都由準直管和探測器組成，望遠鏡坐標系建立在探測面上，探測面與準直管的軸線垂直。同樣，星敏感器由光學系統和探測面組成，星敏感器坐標系也建立在其探測面上，探測面與星敏感器視軸垂直。設計中鏡管和星敏感器安裝在同一個基準平臺上(安裝基準)，如圖1 所示(為簡潔起見，圖1 中只示出一只鏡管)，鏡管軸線與星敏感器光學軸線在空間平行，這一關系可由機械加工和安裝予以保證，也即保證了望遠鏡坐標系與星敏感器坐標系的有一根軸在空間平行(設為Z 軸，下同)，因此，望遠鏡測量坐標系與星敏感器測量坐標系的平面方位關系(XOY 面)是實現兩個坐標系空間一致的關鍵。如果能夠精確測量兩個坐標系之間的平面方位關系，通過坐標系轉換即可實現望遠鏡與星敏感器坐標系的空間一致。
1.2 測量方案
1.2.1 測量對象和測量儀器
分析測量原理之后，還需要分析測量對象以便選擇適當的儀器設備。本測量對象尺寸為2~5 m，測量距離5 m 左右，根據硬X 射線望遠鏡的設計指標，經分析坐標系方位測量精度應優于30″，測量對象為靜態，對測量頻率要求不高，被測對象位于室內安裝現場，振動和遮擋干擾比較小。根據被測對象的上述特點，采用美國API 公司產的TrackerII Plus 激光跟蹤儀作為主要測量設備，該儀器測量范圍達數十米，測量精度高(5~10×10-6)，體積小，質量輕，攜帶安裝方便，特別適合于工業現場大尺寸高精度測量。經過誤差分析，坐標系方位測量精度優于25′′ ，滿足測量要求。值得注意的是，本測量中實際測量對象――望遠鏡坐標系和星敏感器坐標系均為不可見，因此，必須采取適當的技術措施，使其成為激光跟蹤儀能夠“看見”的幾何參數。
1.2.2 測量方案
(1) 望遠鏡坐標系方位測量
如圖1 所示，以望遠鏡安裝基準面作為測量基準，在安裝平臺面上沿望遠鏡準直管圓周輻射線方向作機械刻劃延長線，引出準直管的方位(XOY 平面上的方位)，該方位即為望遠鏡坐標系在XOY 面上的方位。機械刻劃由數控機床加工，線形規則，加工精度高，為便于測量中反射器的移動，將機械刻劃的截面作成梯形，同時，盡量增加機械刻劃的長度以提高激光跟蹤儀直線測量精度，機械刻劃如圖2 所示。測量時，激光跟蹤儀在平臺安裝面上建立工件坐標系，反射器沿梯形機械刻劃移動時，可測出該機械刻劃直線的方位，即望遠鏡坐標系在XOY 面上的方位，激光跟蹤儀反射器及其梯形基座如圖3、圖4 所示。為了方便后續測量和計算，可以將機械刻劃線設定為工件坐標系某一個坐標軸(例如X 軸)。
(2) 星敏感器坐標系方位測量
為了便于星敏感器的測量，擬設計人造星源裝置，人造星源裝置由點光源、可調節孔徑光闌、滑軌、支架等組成，如圖5 所示。將人造星源裝置用支架固定在平臺安裝基準面上，調節孔徑光闌至適當的亮度，沿滑軌移動人造星點，由星敏感器測出星點直線移動軌跡的方位。同時，在滑架上安裝反射器，由激光跟蹤儀測得滑軌直線移動的軌跡方程，并將其投影到平臺安裝面上。為了提高測量精度，可測量多個位置，采用最小二乘法擬合得到星點直線移動軌跡。這樣，由同一組星點軌跡在不同坐標系中的方位，可計算出激光跟蹤儀坐標系和星敏感器坐標系的方位關系。由于工件坐標系的坐標軸就是望遠鏡鏡管的坐標軸，于是可得到望遠鏡坐標系相對于星敏感器坐標系的方位角。
1.2.3 測量方案特點
該方案具有如下特點：
(1) 該方案中，以星敏感器直接測量結果與激光跟蹤儀測量結果相比較，星敏感器地面測量狀態與太空使用狀態一致，有利于提高工作精度。
(2) 望遠鏡和星敏感器的安裝都以安裝平臺表面作為基準，由機械加工精度和安裝精度保證望遠鏡鏡管軸線(Z 軸)與星敏感器坐標系Z 軸平行，即兩個坐標系的XOY 面相互平行，簡化了測量方案。
(3) 星點光源采用準直光源模擬，令準直光源沿滑軌移動，模擬星點在空間的軌跡。由于兩個坐標系的XOY 面相互平行，所以只需要測出星點軌跡在各自坐標平面上的投影即可，星點移動面與望遠鏡安裝平臺基準面之間的平行度要求不高，降低了對星點模擬裝置結構精度的要求。
(4) 星點光源的亮度可調節，以便與星敏感器探測性能相匹配，可避免亮度太高使探測器飽和，也不至于亮度太低影響探測器的信噪比，有利于提高星敏感器探測精度。
(5) 地面環模實驗中當溫度不太高時，本方案同樣適用于對坐標系相互關系的實時測量。當溫度升高到影響反射器正常工作時，可以采用電子經緯儀工業測量系統。此時，只需在被測元素上粘貼適當的測量標記即可。
2 結束語
天基X 射線望遠鏡坐標系與星敏感器的安裝測量是一項十分重要的工作，測量方案必須在設計階段就應該加以考慮，這對于保證望遠鏡上天后按設計要求開展觀測至關重要。文中提出了望遠鏡集成安裝階段的測量原理，分析了測量對象的特點，選擇激光跟蹤儀作為主測量設備，并對測量精度進行了初步估算。下一步將細化測量方案，完成機械刻劃及人造星源裝置的結構設計，詳細分析測量系統及測量過程中的誤差來源并給出相應的對策，對測量過程進行仿真，同時，對環境模擬試驗過程中坐標系之間相互關系的實時變化，提出具體測量方案。隨著我國十一五計劃以及國家中長期科技發展計劃中各項空間應用探測項目的逐步實施，地面安裝集成測試以及環境模擬過程中的實時測量將變得更加重要，文中提出的測量方案將對類似空間探測有效載荷的安裝測試具有一定的借鑒意義。
摘自：中國計量測控網
