CN108871223B - 一种卫星天线热变形自动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种卫星天线热变形自动测量系统及方法，包括测量相机、相机温度控制系统、悬臂及自旋机构、数据传输控制分析系统，测量相机，用于获得被测卫星天线在不同工作环境下的图片，所述图片中包含摄影单点靶标、编码点和基准尺；相机温度控制系统，用于在不同高、低温工作环境下保护测量相机，使其工作在可承受的温度范围内；悬臂及自旋机构，用于驱动测量相机绕被测天线的旋转和相机自身的旋转；数据传输控制分析系统，用于控制测量相机、温度控制系统及悬臂及自旋机构的工作，并根据测量图片及基准尺给出的长度基准，计算得到摄影单点靶标、编码点的空间坐标，再根据摄影单点靶标、编码点的空间坐标计算得到天线热变形。该发明大幅提高了天线热变形测量的能力、精度和效率。

Description

一种卫星天线热变形自动测量系统及方法

技术领域

本发明主要涉及卫星天线热变形自动测量系统及方法，属于天线机械测量技术领域。

背景技术

为了确保高精度星载天线的在轨性能，验证设计、材料和工艺的可靠性，同时修正热变形分析模型，高精度星载天线均要在地面进行热变形测试验证。

某卫星S/Ka天线为伞状可展开结构，尺寸较大，型面精度要求优于0.3mm(RMS)，各温度工况热变形不大于0.25mm(RMS)，对其进行高低温环境下热变形测试是目前国内针对大型伞天线的首次测量，需要采用非接触摄影测量方法进行测量，但是由于被测天线尺寸大、测量精度要求高、测量环境特殊的技术特点，具有较大的技术难度。

传统的进行高低温热变形试验时均采用人工手持测量相机进入高低温箱对天线进行拍照测量，效率较低，由于人体能够承受的温度范围有限，同时高低温环境会影响相机性能而对测量精度产生一定的影响，所以实验过程中仅能获得较窄温度范围内带有温度影响误差的测量数据。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，基于摄影测量系统非接触、快速等优点，结合专研温度控制系统、自动旋转系统及传输控制分析系统，设计形成了一种卫星天线热变形自动测量系统及方法，成功的解决了高低温环境进行高精度高效率测量的问题。

本发明的技术解决方案是：一种卫星天线热变形自动测量系统，该系统包括测量相机、相机温度控制系统、悬臂及自旋机构、数据传输控制分析系统，其中：

测量相机，用于获得被测卫星天线在不同工况下的图片，所述图片中包含摄影单点靶标、编码点和基准尺；

相机温度控制系统，用于在不同工况下保护测量相机，使其工作在可承受的温度范围内；

悬臂及自旋机构，用于驱动测量相机绕被测天线的旋转和相机自身的旋转；

数据传输控制分析系统，用于控制测量相机自动采集图片、根据相机工作环境温度实时自动调节相机温度控制系统工作温度、控制悬臂及自旋机构自动运动，并根据测量图片及基准尺给出的长度基准，计算得到摄影单点靶标、编码点的空间坐标，再根据摄影单点靶标、编码点的空间坐标计算得到天线热变形。

所述不同工况为：常压或真空下，不同温度工况，温度范围为[-100℃,100℃]。

所述测量相机正常工作温度范围为[15℃,25℃]。

所述相机温度控制系统包括专用相机防护罐、冷热气体处理机及气体管道，测量相机置于相机防护罐内，相机防护罐带有光学石英玻璃窗口，经现场精密标定后为测量相机提供清晰无畸变的拍摄窗口；冷热气体处理机将干燥氮气制冷或者加热，使气体温度达到恒定设定值，该气体通过管道输送至相机防护罐，与相机防护罐内气体进行热交换，热交换后的空气再引至罐外，实现温度平衡，使罐内温度保持在相机正常工作的温度范围内。

所述的冷热气体处理机包括流量控制器、换热器、加热器、节流装置、干燥过滤器、风冷冷凝器、油分离器、压缩机、PID控制器，其中：干燥氮气经流量控制器进入换热器，在工作环境温度低于常温的工况下，压缩机不工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量和加热器功率，使干燥氮气以恒定流量和设定温度进入相机防护罐，实现热交换；而在工作环境温度高于常温的工况下，压缩机工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量并经节流装置降压后，将干燥氮气经压缩机压缩，再由油分离器分离压缩气体中润滑油杂质，经冷凝干燥过滤后再次进入换热器，如果气体温度未达到设定低温，再次进行上述过程循环制冷，若气体温度达到设定低温，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制加热器功率，使干燥氮气以恒定温度进入相机防护罐，实现热交换。

所述悬臂及自旋机构包括悬臂旋转机构和相机自旋转机构，悬臂旋转机构又包括支撑结构和悬臂机构，支撑结构安装于被测天线周围，给悬臂旋转机构提供稳定的支撑，相机自旋机构安装于悬臂机构上，悬臂机构带动相机自旋机构绕被测天线进行0°～360°往返圆周转动，自旋机构上安装防护罐，带动测量相机和测量相机防护罐构成的防护罐整体绕相机光轴做0°、90°、-90°三个角位置的旋转，每个角位置可驻留保持。

测量相机固定拍摄角度和高度，相机在每个测量位置测量相机光轴指向天线中心位置并与天线主轴方向夹角为30°～60°，相机距离天线口面高度H为被测天线口面尺寸D的

防护罐内测量相机采用数据电缆通过罐体法兰上的真空穿墙插座与数据传输控制分析系统相连，冷热气体处理机、悬臂及自旋机构电机通过控制电缆与数据传输控制分析系统相连。

本发明的另一个技术解决方案是：一种卫星天线热变形自动测量系统及方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将被测天线固定放置到整个测量系统的中心位置，天线主轴线与悬臂旋转轴线重合，在被测天线表面上均匀布设摄影单点靶标和编码点；

(2)、将测量使用基准尺安放在天线中心或者天线边缘并固定，基准尺高度与天线口面高度持平；

(3)、根据温度工况及相机防护罐实测温度值，控制相机保护罐内温度，确保相机防护罐内温度保持在相机可承受范围内；

(4)、控制悬臂旋转机构和防护罐自旋转机构旋转带动测量相机运动，对天线进行如下拍摄，获取不同角度的照片：

①控制防护罐自旋转机构旋转到0°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

②控制防护罐自旋转机构旋转到-90°位置，将悬臂机构从360°开始向0°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

③控制防护罐自旋转机构旋转到+90°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

至此一个温度工况的自动测量照片拍摄完毕，即一个工况的测量照片共包含

照，热变形测量时分别对不同温度工况的天线进行拍摄，这些照片实时下传；

(5)、分别将各工况所采集照片通过摄影测量软件MPS进行扫描、定向、匹配、光束法平差及坐标系转换处理，得到在各温度工况下，天线表面上所有摄影单点靶标在天线设计坐标系下的空间点坐标，再以常温工况下的点坐标为基准，将每个温度工况下各测量点坐标减去常温下对应点坐标得到一组差值，这些偏差值的平均值即为每个高、低温工况下的天线热变形量。

所述步骤(2)中当基准尺放置在天线中心时，尺子表面水平向上摆放，当基准尺放置在天线边缘时，基准尺表面与天线口面夹角为135°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用专用相机防护罐和冷热气体机组成相机温度自动调节控制系统，使测量相机同时满足真空、常压测量环境，确保在较宽的外部环境温度范围内(-100℃～100℃)可以保持相机所处的局部小环境温度满足(20℃±5℃)的要求。

(2)本发明通过采用悬臂机构和自旋机构，实现相机在设定的轨道下自动行走和测量过程中的自标定，保证了测量过程的自动化和测量网型的最优化。

(3)本发明通过控制系统控制冷热气发生机的工作温度、实现悬臂旋转机构和相机自旋机构的自动旋转、控制测量相机的图像自动采集及实时传输，实现整个热变形测量系统的自动化。

附图说明

图1为本发明的相机温度控制系统

图2为测量系统的悬臂机构和自旋机构。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种卫星天线热变形自动测量系统，该测量系统包括测量相机、相机温度控制系统、悬臂及自旋机构、数据传输控制分析系统，其中：

测量相机，用于获得被测卫星天线在不同工况下的图片，所述图片中包含摄影单点靶标、编码点和基准尺；

相机温度控制系统，用于在不同高低温工作环境下保护测量相机，使其工作在可承受的温度范围内；所述不同工况为：常压或真空下不同温度工况，温度范围为[-100℃,100℃]。

悬臂及自旋机构，用于驱动测量相机绕被测天线的旋转和相机自身的旋转，保证测量过程中具有良好地空间测量网型并完成相机内部参数(例如：相机焦距和畸变参数等)的自标定；

数据传输控制分析系统，用于控制测量相机自动采集图片、根据相机工作环境温度实时自动调节相机温度控制系统工作温度、控制悬臂及自旋机构自动运动，并根据测量图片及基准尺给出的长度基准，计算得到摄影单点靶标、编码点的空间坐标，再根据摄影单点靶标、编码点的空间坐标计算得到天线热变形。

所述测量相机为高精度工业测量相机，像素高于1600万，焦距长于24mm，视场角宽于84°×84°，自带环形闪光灯，并能进行有线或无线传输，正常工作温度范围为[15℃,25℃]。

为了解决测量相机在高低温环境中的防护问题，实现天线热变形测量，项目设计了一套相机温度控制系统以保护相机的正常工作。所述相机温度控制系统包括专用相机防护罐、冷热气体处理机及气体管道，测量相机置于相机防护罐内，相机防护罐带有光学石英玻璃窗口，经现场精密标定后为测量相机提供清晰无畸变的拍摄窗口；冷热气体处理机将干燥氮气制冷或者加热，使气体温度达到恒定设定值，该气体通过管道输送至相机防护罐，与相机防护罐内气体进行热交换，热交换后的空气再引至罐外，实现温度平衡，使罐内温度保持在相机正常工作的温度范围内，即：使罐内温度在外部环境温度达到±100℃时仍保持在相机工作可承受的20℃±5℃正常温度范围内。带有防护罐的相机测量前经过专业精密标定，以此消除了石英玻璃窗口折射带来的测量系统误差。

如图2所示，所述的冷热气体处理机包括流量控制器、换热器、加热器、节流装置、干燥过滤器、风冷冷凝器、油分离器、压缩机、PID控制器，其中：干燥氮气经流量控制器进入换热器，在温度低于常温的工况下，压缩机不工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量和加热器功率，使干燥氮气以恒定流量和温度进入相机防护罐，实现热交换；而在温度高于常温的工况下，压缩机工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量并经节流装置降压后，将干燥氮气经压缩机压缩，再由油分离器分离压缩气体中润滑油杂质，经冷凝干燥过滤后再次进入换热器，如果气体温度未达到设定低温，再次进行上述过程循环制冷，若气体温度达到设定低温，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制加热器功率，使干燥氮气以恒定温度进入相机防护罐，实现热交换。

为了解决高低温箱内测量相机的运动问题，同时为满足相应的测量精度，项目采用了相机固定拍摄角度和高度，通过悬臂旋转机构和自旋机构围绕天线周围环形拍摄的方式。所述悬臂及自旋机构包括悬臂旋转机构和相机自旋转机构，悬臂旋转机构又包括支撑结构和悬臂机构，支撑结构安装于被测天线周围，给悬臂旋转机构提供稳定的支撑，相机自旋机构安装于悬臂机构上，悬臂机构带动相机自旋机构绕被测天线进行0°～360°往返圆周转动，自旋机构上安装防护罐，带动测量相机和测量相机防护罐构成的防护罐整体绕相机光轴做0°、90°、-90°三个角位置的旋转，每个角位置可驻留保持。

测量相机固定拍摄角度和高度，相机在每个测量位置测量相机光轴指向天线中心位置并与天线主轴方向(悬臂旋转轴)夹角为30°～60°，相机距离天线口面高度H为被测天线口面尺寸D的

天线热变形测量时，固定安装在带有石英玻璃窗口的常压防护罐内的测量相机，整体通过相机自旋转机构安装于悬臂旋转机构上，由悬臂旋转机构带动，对下方的天线进行360°环拍测量，采用此种测量布局方式，单个摄站的拍摄范围基本上能够覆盖整个天线，拍摄交会角良好，能够保证获得良好的点位测量精度。同时经过精密标定的带有防护罐的相机，在每个设站位置依靠相机旋转机构绕相机光轴转动多角度拍摄，完成自标定，提高测量精度。

防护罐内测量相机采用数据电缆通过罐体法兰上的真空穿墙插座与数据传输控制分析系统相连，冷热气体处理机、悬臂及自旋机构电机通过控制电缆与数据传输控制分析系统相连。

在天线整个热变形测量过程中，外部数据传输控制分析系统控制测量相机、温度控制系统、悬臂旋转机构及相机自旋转机构按照设定的参数工作，实现指令发送及数据传输。相机防护罐内相机采用电缆通过舱体法兰上的真空穿墙插座与外部分析控制系统相连，可实现远程相机图像采集控制功能，同时将所采集数据实时下传至外部分析系统。外部机构控制系统能自动控制冷热气发生机的工作温度、能实现悬臂旋转机构和相机自旋机构的自动旋转，实现整个热变形测量系统的自动化。

本发明还提供了一种卫星天线热变形自动测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将被测天线固定放置到整个测量系统的中心位置，天线主轴线与悬臂旋转轴线重合，在被测天线表面上均匀布设摄影单点靶标和编码点；

(2)、将测量使用基准尺安放在天线中心或者天线边缘并固定，基准尺高度与天线口面高度持平；当基准尺放置在天线中心时，尺子表面水平向上摆放，当基准尺放置在天线边缘时，基准尺表面与天线口面夹角为135°。

(3)、根据温度工况及相机防护罐实测温度值，控制相机保护罐内温度，确保相机防护罐内温度保持在相机可承受范围内；

(4)、控制悬臂旋转机构和防护罐自旋转机构旋转带动测量相机运动，对天线进行如下拍摄，获取N张不同角度的照片：

①控制防护罐自旋转机构旋转到0°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

②控制防护罐自旋转机构旋转到-90°位置，将悬臂机构从360°开始向0°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

③控制防护罐自旋转机构旋转到+90°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

至此一个温度工况的自动测量照片拍摄完毕，即一个工况的测量照片共包含

张，热变形测量时分别对常温、高温及低温各温度工况的天线进行拍摄，这些照片实时下传；

(5)、分别将各工况所采集照片通过摄影测量软件MPS进行扫描、定向、匹配、光束法平差及坐标系转换处理，得到在各工况下，天线表面上所有摄影单点靶标在天线设计坐标系下的空间点坐标，再以常温工况下的点坐标为基准，将每个温度工况下各测量点坐标减去常温下对应点坐标得到一组差值，这些偏差值的均方根值(RMS)即为每个温度工况下的天线热变形量。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于包括测量相机、相机温度控制系统、悬臂及自旋机构、数据传输控制分析系统，其中：

测量相机，用于获得被测卫星天线在不同工况下的图片，所述图片中包含摄影单点靶标、编码点和基准尺；所述不同工况为：常压或真空下；

相机温度控制系统，用于在不同工况下保护测量相机，使其工作在可承受的温度范围内；所述相机温度控制系统包括专用相机防护罐、冷热气体处理机及气体管道，测量相机置于相机防护罐内，相机防护罐带有光学石英玻璃窗口，经现场精密标定后为测量相机提供清晰无畸变的拍摄窗口；冷热气体处理机将干燥氮气制冷或者加热，使气体温度达到恒定设定值，该气体通过管道输送至相机防护罐，与相机防护罐内气体进行热交换，热交换后的空气再引至罐外，实现温度平衡，使罐内温度保持在相机正常工作的温度范围内；所述的冷热气体处理机包括流量控制器、换热器、加热器、节流装置、干燥过滤器、风冷冷凝器、油分离器、压缩机、PID控制器，其中：干燥氮气经流量控制器进入换热器，在工作环境温度低于常温的工况下，压缩机不工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量和加热器功率，使干燥氮气以恒定流量和设定温度进入相机防护罐，实现热交换；而在工作环境温度高于常温的工况下，压缩机工作，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制气体流量并经节流装置降压后，将干燥氮气经压缩机压缩，再由油分离器分离压缩气体中润滑油杂质，经冷凝干燥过滤后再次进入换热器，如果气体温度未达到设定低温，再次进行上述过程循环制冷，若气体温度达到设定低温，PID控制器根据相机防护罐内实际温度控制加热器功率，使干燥氮气以恒定温度进入相机防护罐，实现热交换；

悬臂及自旋机构，用于驱动测量相机绕被测天线的旋转和相机自身的旋转；

数据传输控制分析系统，用于控制测量相机自动采集图片、根据相机工作环境温度实时自动调节相机温度控制系统工作温度、控制悬臂及自旋机构自动运动，并根据测量图片及基准尺给出的长度基准，计算得到摄影单点靶标、编码点的空间坐标，再根据摄影单点靶标、编码点的空间坐标计算得到天线热变形。

2.根据权利要求1所述的一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于所述不同温度工况为：温度范围为[-100℃,100℃]。

3.根据权利要求1所述的一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于所述测量相机正常工作温度范围为[15℃,25℃]。

4.根据权利要求1所述的 一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于：所述悬臂及自旋机构包括悬臂旋转机构和相机自旋转机构，悬臂旋转机构又包括支撑结构和悬臂机构，支撑结构安装于被测天线周围，给悬臂旋转机构提供稳定的支撑，相机自旋机构安装于悬臂机构上，悬臂机构带动相机自旋机构绕被测天线进行0°～360°往返圆周转动，自旋机构上安装防护罐，带动测量相机和测量相机防护罐构成的防护罐整体绕相机光轴做0°、90°、-90°三个角位置的旋转，每个角位置可驻留保持。

5.根据权利要求1所述的 一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于测量相机固定拍摄角度和高度，相机在每个测量位置测量相机光轴指向天线中心位置并与天线主轴方向夹角为30°～60°，相机距离天线口面高度H为被测天线口面尺寸D的

6.根据权利要求1所述的 一种卫星天线热变形自动测量系统，其特征在于防护罐内测量相机采用数据电缆通过罐体法兰上的真空穿墙插座与数据传输控制分析系统相连，冷热气体处理机、悬臂及自旋机构电机通过控制电缆与数据传输控制分析系统相连。

7.基于权利要求1所述自动测试系统的一种卫星天线热变形自动测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将被测天线固定放置到整个测量系统的中心位置，天线主轴线与悬臂旋转轴线重合，在被测天线表面上均匀布设摄影单点靶标和编码点；

(2)、将测量使用基准尺安放在天线中心或者天线边缘并固定，基准尺高度与天线口面高度持平；

(3)、根据温度工况及相机防护罐实测温度值，控制相机保护罐内温度，确保相机防护罐内温度保持在相机可承受范围内；

(4)、控制悬臂旋转机构和防护罐自旋转机构旋转带动测量相机运动，对天线进行如下拍摄，获取不同角度的照片：

①控制防护罐自旋转机构旋转到0°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

②控制防护罐自旋转机构旋转到-90°位置，将悬臂机构从360°开始向0°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

③控制防护罐自旋转机构旋转到+90°位置，将悬臂机构从0°开始向360°旋转，每隔一定角度θ°控制相机对天线拍摄一张照片，悬臂机构旋转一周共计拍摄

张照片；

至此一个温度工况的自动测量照片拍摄完毕，即一个工况的测量照片共包含

照，热变形测量时分别对不同温度工况的天线进行拍摄，这些照片实时下传；

(5)、分别将各工况所采集照片通过摄影测量软件MPS进行扫描、定向、匹配、光束法平差及坐标系转换处理，得到在各温度工况下，天线表面上所有摄影单点靶标在天线设计坐标系下的空间点坐标，再以常温工况下的点坐标为基准，将每个温度工况下各测量点坐标减去常温下对应点坐标得到一组差值，这些偏差值的均方根值即为每个温度工况下的天线热变形量。

8.根据权利要求7所述的一种卫星天线热变形自动测量方法，其特征在于：

所述步骤(2)中当基准尺放置在天线中心时，尺子表面水平向上摆放，当基准尺放置在天线边缘时，基准尺表面与天线口面夹角为135°。

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