CN104748714B - 一种星载索网可展开天线形面精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，具体包括如下步骤：天线测量前准备工作，拍摄照片，导入测量装置计算测量点坐标，坐标转换，曲面拟合，计算天线形面精度。本发明的测量方法测量效率高、速度快，对于索网式可展开天线一次测量时间约为一个小时；设备简便易于拆装，前期准备工作耗费时间少；非接触式测量，测量过程中不需要直接接触天线反射面；测量稳定性好，本发明方法不易受到环境因素干扰；测量精度高，最大测量误差为0.2mm，完全可以满足可展开天线的测量要求；测量成本与其他测量方法相比较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种本发明涉及一种天线精度测量方法，特别是索网式可展开天线形面精度测量方法。
背景技术
天线反射面的形面精度是天线结构的主要机械性能指标之一，它与天线的最短工作波长密切相关。形面精度的好坏会直接影响到天线的工作效率。
可展开天线是一种特殊的空间结构，其工作环境对天线的形面精度有很高的要求。因此，对于可展开天线的形面精度测量显得尤为重要。
一般来说，可展开天线形面精度测量的一种理想方法应具有如下特点：
(1)测量装置易拆装，且测量过程可遥控进行。
(2)测量速度尽可能快，测量周期尽可能短。这样，可最大限度减少天线工作环境因素对测量精度的影响。
(3)测量精度尽可能高，以便获得最真实的误差情况。
目前，天线形面精度测量方法大致可分为接触式和非接触式两大类。接触式测量方法即通过与天线反射面直接接触的某种方式来测得反射面形面精度；非接触式测量方法则是通过摄影、无线电、激光等现代技术而不必与反射面直接接触来获取反射面形面精度。
接触式测量方法主要包括样板比较法、软管水平仪测量法、水准仪与标尺测量法。因其在测量过程中会与反射面接触而产生较大误差，故现今很少会使用接触式测量法。
目前，常用的非接触式测量方法有：双经纬仪交会法，该方法使用两台经纬仪交互测量，其工作量大、实地测量时间长、受温度影响较大；激光测量法，这种方法采用激光雷达扫描仪对天线反射面测量，它的测量速度快、精度高，但是成本高、对使用者的操作要求较高。
因此，综合考虑实用性与经济性，在兼顾测量速度和精度的前提下，提出一种新型可展开天线反射面形面精度测量方法是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对目前可展开天线反射面形面精度测量现状提出一种新型非接触式测量方法，可有效解决目前采用的测量方法测量精度低、成本高、工作量大以及受环境因素影响大的问题。
本发明采用的技术方案是：一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，依次包括如下步骤：
步骤1)在可展开天线表面均匀布置编码点，编码点数量大于4个；
步骤2)在可展开天线表面每一个节点处布置标志点。
步骤3)在天线周围放置两根测量标尺，且两测量标尺非平行放置。
步骤4)调整数码相机参数；
步骤5)手持数码相机绕天线一周对可展开天线进行拍摄，拍摄照片时前一张照片与后一张照片有公共的编码点；
步骤6)将照片导入摄影测量装置，解算出每个标志点和编码点的三维坐标；
步骤7)将测量得到的每个标志点和编码点的离散点坐标进行处理转化为计算用新坐标；
步骤8)对转换后的新坐标采用最小二乘法拟合算出天线的最佳吻合抛物面；
步骤9)根据最佳吻合抛物面可求得每一个标志点和编码点即测量点处的位移误差，计算出天线的形面精度，计算公式如下：
其中δ为每一个测量点的位移误差，i为测量点的编号，m为测量点的数目。
其中，步骤1)中，相邻编码点之间间距为400～600mm。
步骤2)中，相邻标志点之间间距等于天线节点间距离。
步骤3)中，两根测量标尺需同时被一张照片捕获。
步骤5)中，相机距离天线1～2m，每隔20°拍摄一张照片，一次测量拍摄的照片总数不少于20张。
本发明的有益效果：本发明的一种星载索网可展开天线形面精测量方法，提供了一种新的非接触式可展开天线形面精度测量方法，测量效率高、速度快，对于索网式可展开天线一次测量时间约为一个小时；设备简便易于拆装，前期准备工作耗费时间少；非接触式测量，测量过程中不需要直接接触天线反射面；测量稳定性好，本发明方法不易受到环境因素干扰；测量精度高，最大测量误差为0.2mm，完全可以满足可展开天线的测量要求；测量成本与其他测量方法相比较低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但它们不对本发明构成限定。
图1本发明测量方法流程图。
图2测量所需编码点示意图。
图3测量所需标志点示意图。
图4测量所需标尺示意图。
图5测量点在天线反射面分布示意图。
图6测量结果三维点云图。
图7拟合后天线效果示意图。
图8为实施例2的测量示意图。
图9为实施例2的各测量点原始坐标。
图10为实施例2的转化后测量点坐标。
图11为实施例2的拟合后天线效果示意图。
图中：1、天线；2、编码点；3、标志点；4、测量标尺。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，依次包括如下步骤，如图1所示：
步骤1)在可展开天线表面均匀布置编码点，编码点数量大于4个。
步骤2)在可展开天线1面每一个节点处布置标志点3。
步骤3)在可展开天线1围放置两根测量标尺4，且两测量标尺4非平行放置。
步骤4)调整数码相机参数；
步骤5)手持数码相机绕天线一周对可展开天线进行拍摄，拍摄照片时前一张照片与后一张照片有公共的编码点；
步骤6)将照片导入摄影测量装置，解算出每个标志点和编码点的三维坐标；
步骤7)将测量得到的每个标志点和编码点的离散点坐标进行处理转化为计算用新坐标；
步骤8)对转换后的新坐标采用最小二乘法拟合算出天线的最佳吻合抛物面；
步骤9)根据最佳吻合抛物面可求得每一个标志点和编码点即测量点处的位移误差，计算出天线的形面精度，计算公式如下：
其中δ为每一个测量点的位移误差，i为测量点的编号，m为测量点的数目。
其中，步骤1)至步骤4)为图1中的天线测量前的准备阶段。编码点2、标示点3、测量标尺4示意图如图2、图3、图4所示。测量点在天线反射面分布如图5所示，即测量时编码点、标志点及测量标尺的防止形式。测量结果三维点云图如图6所示，从图6可以解算出各个测量点的坐标。
本实施例中，步骤1)中，相邻编码点2之间间距为400～600mm，尽量均匀布置，且编码点2的布置要便于测量装置解算测量。编码点2相当于测量空间内的基准点，一方面为照片拍摄时定位，另一方面当将照片导入摄影测量装置时，可通过编码点定位，解算出各个标志点的三维坐标。
作为一种优选，编码点的数量为10～15个。
步骤2)中，相邻标志点3之间间距等于天线节点间距离，标志点数目等于天线节点数目。
步骤3)中，两根测量标尺4需同时被一张照片捕获。两根测量标尺4放置于天线周围，两根测量标尺4之间的间距尽量接近，保证多张照片能够同时拍摄到标尺。
步骤4)中，根据测量地点的采光情况调整合适的数码相机参数，包括像素、焦距、光圈、白平衡模式、ISO感光度、曝光模式等，以确保拍摄的照片清晰。
步骤5)中，相机距离天线1～2m，每隔20°拍摄一张照片，一次测量拍摄的照片总数不少于20张。
步骤6)中使用的摄影测量装置为天远三维摄影测量装置。通过将照片导入该摄影测量装置，可解算出每个标志点和编码点的三维坐标。
步骤7)中，三维离散点坐标坐标转换计算思想如下：
(1)在测量标尺上提取3个不共线的点A，B，C。
(2)由步骤(1)的3点坐标可得到，为新坐标系的x轴方向向量，为新坐标系下的y轴方向向量，为新坐标系下的z轴方向向量。
(3)原坐标系下的x轴方向向量为(1,0,0),y轴方向向量(0,1,0),z轴方向向量(0,0,1)。
(4)由公式可求得两个向量之间的夹角，由此可得到新坐标系x轴与原坐标系x轴之间的夹角α，同理可求得y轴夹角β，夹角γ。
(5)由坐标转换公式可将原坐标系的测量点坐标转换到所需的坐标系。其中(x*,y*,z*)T是新坐标系下测量点坐标值，(x,y,z)T是原坐标系下的测量点的坐标值，R(α)、R(β)、R(γ)是坐标旋转矩阵分别为
步骤8)中，最佳吻合抛物面计算方法如下：
(1)天线反射面的设计方程为可知所要拟合的最佳吻合抛物面方程即为z＝ax2+by2+cxy+dx+ey+f。
(2)将转换后的测量点坐标值全部带入最佳吻合抛物面方程，写成矩阵形式即为：
(3)用广义逆法求解上述方程的最小二乘解，可解得抛物面系数a,b,c,d,e,f的值。
步骤9)中，由于天线的反射面精度z向误差对其影响最大，故根据最佳吻合抛物面方程求得每一个测量点的z向误差Δzi，令位移误差δi＝Δzi，其中i＝0,1,2…，m(m为测量点的数目)。
拟合之后的天线反射面效果如图7所示。
本实施例提供了一种新的非接触式可展开天线形面精度测量方法测量效率高、速度快，对于索网式可展开天线一次测量时间约为一个小时；设备简便易于拆装，前期准备工作耗费时间少；非接触式测量，测量过程中不需要直接接触天线反射面；测量稳定性好，本发明方法不易受到环境因素干扰；测量精度高，最大测量误差为0.2mm，完全可以满足可展开天线的测量要求；测量成本与其他测量方法相比较低。
实施例2
本实施例为具体的测量实例，以测量某2m口径可展开天线1为例，其测量步骤如图1所示。
步骤1)在可展开天线表面均匀布置编码点，编码点数量大于4个。
步骤2)在可展开天线1面每一个节点处布置标志点3。
步骤3)在可展开天线1围放置两根测量标尺4，且两测量标尺4非平行放置。
以上三步布置完成后效果如图8所示。
步骤4)调整数码相机参数。
步骤5)手持数码相机绕天线1一周对可展开天线1进行拍摄，拍摄照片时前一张照片与后一张照片有公共的编码点2。
步骤6)将照片导入摄影测量装置，解算出每个标志点和编码点的三维坐标；导入摄影测量装置为公知技术，这里不做详细描述。
经过步骤6)，可测得各个标志点3和编码点2的坐标，各测量点坐标值如表1所示。
表1测量点坐标值
步骤7)将测量得到的每个标志点和编码点的离散点坐标进行处理转化为计算用新坐标；
测量得测量点原始坐标，即转化前个测量点坐标如图9所示，经过转化后的各测量点坐标如图10所示。
步骤8)对转换后的坐标采用最小二乘法拟合算出天线1的最佳吻合抛物面。拟合后的最佳抛物面方程为：
z＝0.000157*x^2+0.0001433*y^2+0.003*x-0.002745y+0.748
拟合后的天线示意图如图11所示。
步骤9)根据最佳吻合抛物面可求得每一个标志点和编码点即测量点处的位移误差。
由于天线的反射面精度z向误差对其影响最大，故根据最佳吻合抛物面方程z＝0.000157*x^2+0.0001433*y^2+0.003*x-0.002745y+0.748，求得每一个测量点的z向误差Δzi，令位移误差δi＝Δzi，其中i＝0,1,2…，61，代入公式：
计算出天线的形面精度，计算公式如下：
其中δ为每一个测量点的位移误差，i为测量点的编号。
可计算出天线的形面精度为1.18mm。
本实施例没有详细叙述的部分属本行业的常用手段或方法，这里不一一叙述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行另外详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，依次包括如下步骤：
步骤1)在可展开天线表面均匀布置编码点，编码点数量大于4个；
步骤2)在可展开天线表面每一个节点处布置标志点；
步骤3)在天线周围放置两根测量标尺，且两测量标尺非平行放置；
步骤4)调整数码相机参数；
步骤5)手持数码相机绕天线一周对可展开天线进行拍摄，拍摄照片时前一张照片与后一张照片有公共的编码点；
步骤6)将照片导入摄影测量装置，解算出每个标志点和编码点的三维坐标；
步骤7)将测量得到的每个标志点和编码点的离散点坐标进行处理转化为计算用新坐标；
步骤8)对转换后的新坐标采用最小二乘法拟合算出天线的最佳吻合抛物面；
步骤9)根据最佳吻合抛物面可求得每一个标志点和编码点即测量点处的位移误差，计算出天线的形面精度，计算公式如下：
其中δ为每一个测量点的位移误差，i为测量点的编号，m为测量点的数目。
2.如权利要求1所述的一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，其特征在于：步骤1)中，相邻编码点之间间距为400～600mm。
3.如权利要求1所述的一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，其特征在于：步骤3)中，两根测量标尺需同时被一张照片捕获。
4.如权利要求1所述的一种星载索网可展开天线形面精度测量方法，其特征在于：步骤5)中，相机距离天线1～2m，每隔20°拍摄一张照片，一次测量拍摄的照片总数不少于20张。
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