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基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术
发布时间：2017-09-01
引 言
天基硬X 射线调制望远镜是大型空间望远镜，由12 个小的X 射线望远镜组成，测量时各望远镜的局部坐标系必须统一到天文坐标系中，才能够得到在天文坐标系中的测量结果。由于望远镜镜管的安装是随机的，无法保证其空间方位，因此，安装之后必须测量出镜管坐标系与天文坐标系之间的空间方位关系，工作时由软件对各望远镜测量结果加以计算和补偿。天基硬X 射线调制望远镜坐标系方位测量方案关系到望远镜集成测试阶段的成功，因此，在设计阶段对此方案加以预先研究，文中涉及的工作正是在此背景下开展的。
1 测量方案
1.1 测量原理
卫星在天文坐标系中的方位由星敏感器决定，因此，决定望远镜镜管在天文坐标系中的方位实际上是决定镜管坐标系与星敏感器坐标系的关系。
每一个小的望远镜都由准直管和探测器组成，望远镜坐标系建立在探测面上，探测面与准直管的轴线垂直。同样，星敏感器由光学系统和探测面组成，星敏感器坐标系也建立在其探测面上，探测面与星敏感器视轴垂直。设计中镜管和星敏感器安装在同一个基准平台上(安装基准)，如图1 所示(为简洁起见，图1 中只示出一只镜管)，镜管轴线与星敏感器光学轴线在空间平行，这一关系可由机械加工和安装予以保证，也即保证了望远镜坐标系与星敏感器坐标系的有一根轴在空间平行(设为Z 轴，下同)，因此，望远镜测量坐标系与星敏感器测量坐标系的平面方位关系(XOY 面)是实现两个坐标系空间一致的关键。如果能够精确测量两个坐标系之间的平面方位关系，通过坐标系转换即可实现望远镜与星敏感器坐标系的空间一致。
1.2 测量方案
1.2.1 测量对象和测量仪器
分析测量原理之后，还需要分析测量对象以便选择适当的仪器设备。本测量对象尺寸为2~5 m，测量距离5 m 左右，根据硬X 射线望远镜的设计指标，经分析坐标系方位测量精度应优于30″，测量对象为静态，对测量频率要求不高，被测对象位于室内安装现场，振动和遮挡干扰比较小。根据被测对象的上述特点，采用美国API 公司产的TrackerII Plus 激光跟踪仪作为主要测量设备，该仪器测量范围达数十米，测量精度高(5~10×10-6)，体积小，质量轻，携带安装方便，特别适合于工业现场大尺寸高精度测量。经过误差分析，坐标系方位测量精度优于25′′ ，满足测量要求。值得注意的是，本测量中实际测量对象――望远镜坐标系和星敏感器坐标系均为不可见，因此，必须采取适当的技术措施，使其成为激光跟踪仪能够“看见”的几何参数。
1.2.2 测量方案
(1) 望远镜坐标系方位测量
如图1 所示，以望远镜安装基准面作为测量基准，在安装平台面上沿望远镜准直管圆周辐射线方向作机械刻划延长线，引出准直管的方位(XOY 平面上的方位)，该方位即为望远镜坐标系在XOY 面上的方位。机械刻划由数控机床加工，线形规则，加工精度高，为便于测量中反射器的移动，将机械刻划的截面作成梯形，同时，尽量增加机械刻划的长度以提高激光跟踪仪直线测量精度，机械刻划如图2 所示。测量时，激光跟踪仪在平台安装面上建立工件坐标系，反射器沿梯形机械刻划移动时，可测出该机械刻划直线的方位，即望远镜坐标系在XOY 面上的方位，激光跟踪仪反射器及其梯形基座如图3、图4 所示。为了方便后续测量和计算，可以将机械刻划线设定为工件坐标系某一个坐标轴(例如X 轴)。
(2) 星敏感器坐标系方位测量
为了便于星敏感器的测量，拟设计人造星源装置，人造星源装置由点光源、可调节孔径光阑、滑轨、支架等组成，如图5 所示。将人造星源装置用支架固定在平台安装基准面上，调节孔径光阑至适当的亮度，沿滑轨移动人造星点，由星敏感器测出星点直线移动轨迹的方位。同时，在滑架上安装反射器，由激光跟踪仪测得滑轨直线移动的轨迹方程，并将其投影到平台安装面上。为了提高测量精度，可测量多个位置，采用最小二乘法拟合得到星点直线移动轨迹。这样，由同一组星点轨迹在不同坐标系中的方位，可计算出激光跟踪仪坐标系和星敏感器坐标系的方位关系。由于工件坐标系的坐标轴就是望远镜镜管的坐标轴，于是可得到望远镜坐标系相对于星敏感器坐标系的方位角。
1.2.3 测量方案特点
该方案具有如下特点：
(1) 该方案中，以星敏感器直接测量结果与激光跟踪仪测量结果相比较，星敏感器地面测量状态与太空使用状态一致，有利于提高工作精度。
(2) 望远镜和星敏感器的安装都以安装平台表面作为基准，由机械加工精度和安装精度保证望远镜镜管轴线(Z 轴)与星敏感器坐标系Z 轴平行，即两个坐标系的XOY 面相互平行，简化了测量方案。
(3) 星点光源采用准直光源模拟，令准直光源沿滑轨移动，模拟星点在空间的轨迹。由于两个坐标系的XOY 面相互平行，所以只需要测出星点轨迹在各自坐标平面上的投影即可，星点移动面与望远镜安装平台基准面之间的平行度要求不高，降低了对星点模拟装置结构精度的要求。
(4) 星点光源的亮度可调节，以便与星敏感器探测性能相匹配，可避免亮度太高使探测器饱和，也不至于亮度太低影响探测器的信噪比，有利于提高星敏感器探测精度。
(5) 地面环模实验中当温度不太高时，本方案同样适用于对坐标系相互关系的实时测量。当温度升高到影响反射器正常工作时，可以采用电子经纬仪工业测量系统。此时，只需在被测元素上粘贴适当的测量标记即可。
2 结束语
天基X 射线望远镜坐标系与星敏感器的安装测量是一项十分重要的工作，测量方案必须在设计阶段就应该加以考虑，这对于保证望远镜上天后按设计要求开展观测至关重要。文中提出了望远镜集成安装阶段的测量原理，分析了测量对象的特点，选择激光跟踪仪作为主测量设备，并对测量精度进行了初步估算。下一步将细化测量方案，完成机械刻划及人造星源装置的结构设计，详细分析测量系统及测量过程中的误差来源并给出相应的对策，对测量过程进行仿真，同时，对环境模拟试验过程中坐标系之间相互关系的实时变化，提出具体测量方案。随着我国十一五计划以及国家中长期科技发展计划中各项空间应用探测项目的逐步实施，地面安装集成测试以及环境模拟过程中的实时测量将变得更加重要，文中提出的测量方案将对类似空间探测有效载荷的安装测试具有一定的借鉴意义。
摘自：中国计量测控网
