CN111947834A - 一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，包括：在进行卫星横向质心测量时，通过质测台测量得到卫星在竖直状态下、卫星与质测工装的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₁，并结合竖直状态下空载的质测工装的质心位置，解算得到卫星横向质心；在进行卫星纵向质心测量时，通过质测台测量得到卫星在水平状态下、卫星与质测工装的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₅，并结合水平状态下空载的质测工装的质心位置，解算得到卫星纵向质心。通过本发明所述的方法，减小了卫星安装误差以及工装变形误差，显著提高了卫星质心的测量精度。

Description

一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法

技术领域

本发明属于卫星质心测量技术领域，尤其涉及一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法。

背景技术

随着世界航空航天领域的快速发展，各国对航天器的质量特性参数测量工作的重视程度不断增加，对质量特性测量精度也越来越高。航天器的质量特性测量工作是航天器总装集成与测试(AIT)过程中重要的一个环节，对运载器和航天飞行器的发射、入轨以及在轨运行都有着至关重要的影响。对于重力梯度试验卫星和引力波测量试验卫星，整星质心测量结果直接影响型号任务的成败，因此世界各国的相关研究人员都在致力于研究高精度质心测量的方法研究中。

经过多年的研究发展，质心测量方法已经日益成熟，主要包括单点测量法、三点测量法、天平法和静平衡法，国内外众多厂家和科研机构也推出了各类质心测量综合测试台，并对影响质心测量精度的各种因素进行了深入研究。浙江大学201510862267.6号专利公开了一种皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量装置，该发明可通过纯机械结构一次安装固定卫星完成三个方向的质心和转动惯量测量工作，上述发明结构简单、安装方便，主要解决卫星多次安装引起的安装误差，并分析了该测量装置的称重传感器测量误差和工装定位误差所引起的整星质量特性测量误差。

为提高卫星质心测量精度，研究人员主要关注质心综合测试台的机械制造误差、传感器测量误差以及卫星安装定位误差等因素，并从上述因素进行误差分析并提出改进措施。但是，现有方法主要存在以下问题：

(1)对于卫星安装定位误差，往往通过在安装过程中使用定位销进行定位，并提高定位销的机械加工精度以减小卫星安装误差引起的质心测量误差。但是机械加工和定位误差不能完全消除，对于高精度质心测量，该误差依然对质心测量有重要影响。

(2)对于质心测量误差，研究人员对于测量卫星纵向质心时，卫星水平安装至L型翻转支架上引起的工装变形误差往往通过提高加工精度来克服，没有考虑在质心测量过程中使用相关精度测量技术以消除工装制造误差以及工装变形误差。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，减小了卫星安装误差以及工装变形误差，显著提高了卫星质心的测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，包括：

选择测量项目；

当选择的测量项目为卫星横向质心测量时，将卫星通过质测花盆与质测台连接固定，并通过质测台测量得到卫星在竖直状态下、卫星与质测花盆的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₁；

根据质心位置Ⅰ₁和质测花盆在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₃；

根据质心位置Ⅰ₃，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅰ，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₄。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，将卫星通过质测花盆与质测台连接固定，包括：

将质测花盆与质测台连接固定；

将卫星吊装至质测花盆上，并与质测花盆连接固定；

其中，卫星与质测花盆、测花盆与质测台之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，通过如下步骤确定转换矩阵Ⅰ：

在卫星通过质测花盆与质测台连接固定后，通过激光跟踪仪测量得到在卫星横向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅰ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅰ；

根据点位坐标Ⅰ和角度关系矩阵Ⅰ，解算得到卫星横向质心测量时对应的转换矩阵Ⅰ；其中，转换矩阵Ⅰ为：卫星在竖直状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，还包括：

当选择的测量项目为卫星纵向质心测量时，将卫星通过质测花盆、L型翻转支架与质测台连接固定，并通过质测台测量得到卫星在水平状态下、卫星、质测花盆和L型翻转支架的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₅；

根据质心位置Ⅰ₅、质测花盆与L型翻转支架的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆，解算得到卫星在水平状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₇；

根据质心位置Ⅰ₇，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅱ，解算得到卫星在水平状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₈。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，将卫星通过质测花盆、L型翻转支架与质测台连接固定，包括：

将卫星与质测花盆的组合体吊装至L型翻转支架，将质测花盆与L型翻转支架的一侧连接固定；

将卫星、质测花盆与L型翻转支架的组合体翻转90°后，使L型翻转支架的另一侧置于质测台上，并将L型翻转支架的另一侧与质测台连接固定；

其中，卫星与质测花盆、测花盆与L型翻转支架、L型翻转支架与质测台之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，通过如下步骤确定转换矩阵Ⅱ：

在卫星通过质测花盆、L型翻转支架与质测台连接固定后，通过激光跟踪仪测量得到在卫星纵向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅱ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅱ；

根据点位坐标Ⅱ和角度关系矩阵Ⅱ，解算得到卫星纵向质心测量时对应的转换矩阵Ⅱ；其中，转换矩阵Ⅱ为：卫星在水平状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，在进行卫星横向质心测量之前，还包括：

将质测花盆与质测台连接固定，测量得到竖直状态、且未安装卫星时，质测花盆在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，在进行卫星纵向质心测量之前，还包括：

将质测花盆通过L型翻转支架与质测台连接固定，测量得到水平状态、且未安装卫星时，质测花盆与L型翻转支架的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，

卫星机械坐标系表示为O-XYZ，定义如下：坐标系的原点O为星箭对接面中点，XOY平面为星箭对接面，Z轴朝上；

质测台坐标系表示为O₁-X₁Y₁Z₁，定义如下：坐标系原点O₁为质测台的中心，X₁O₁Y₁平面为质测台的平面，Z₁轴朝上。

在上述联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法中，

质心位置Ⅰ₄包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Y轴的坐标值；

质心位置Ⅰ₈包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Z轴的坐标值；或，卫星在质测台坐标系下的Y轴的坐标值和Z轴的坐标值。

本发明具有以下优点：

本发明公开了一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，通过实测卫星机械原点在质测台坐标系下的点位坐标、卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系，通过实测值替代理论值，能够有效避免卫星与质测花盆之间的定位误差、质测花盆与质测台之间的定位误差、卫星与L型翻转支架之间的定位误差、L型翻转支架与质测台之间的定位误差、以及质测花盆和L型翻转支架的制造误差，减小了工装变形引起的测量误差，提高了卫星质心的测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种卫星横向质心测量时的安装示意图；

图2是本发明实施例中一种卫星纵向质心测量时的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

在本实施例中，该联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，包括：

步骤101，选择测量项目。

在本实施例中，测量项目具体可以包括：卫星横向质心测量和卫星纵向质心测量，可以根据情况选择先进行卫星横向质心测量，再进行卫星纵向质心测量；当然，也可以先进行卫星纵向质心测量，再进行卫星横向质心测量，本实施例对此不作限制。

步骤102，当选择的测量项目为卫星横向质心测量时，将卫星通过质测花盆1与质测台2连接固定，并通过质测台2测量得到卫星在竖直状态下、卫星与质测花盆1的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₁。

在本实施例中，如图1，可以将质测花盆1与质测台2连接固定，然后，将卫星吊装至质测花盆1上，并与质测花盆1连接固定。其中，卫星与质测花盆1、测花盆1与质测台2之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定，定位精度在0.1mm以上。

优选的，可以通过如下步骤确定转换矩阵Ⅰ：在卫星通过质测花盆1与质测台2连接固定后，通过激光跟踪仪4测量得到在卫星横向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅰ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅰ；根据点位坐标Ⅰ和角度关系矩阵Ⅰ，解算得到卫星横向质心测量时对应的转换矩阵Ⅰ。其中，转换矩阵Ⅰ为：卫星在竖直状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

步骤103，根据质心位置Ⅰ₁和质测花盆1在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₃。

在本实施例中，由于质心位置Ⅰ₁是卫星与质测花盆1的组合体的质心位置，因此要扣除质测花盆1的质心位置，才能得到单纯的横向状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₃。

优选的，在进行卫星横向质心测量之前，可以将质测花盆1与质测台2连接固定，测量得到竖直状态、且未安装卫星时，质测花盆1在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂。

优选的，卫星机械坐标系可以表示为O-XYZ，定义如下：坐标系的原点O为星箭对接面中点，XOY平面为星箭对接面，Z轴朝上。质测台坐标系可以表示为O₁-X₁Y₁Z₁，定义如下：坐标系原点O₁为质测台2的中心，X₁O₁Y₁平面为质测台2的平面，Z₁轴朝上。

步骤104，根据质心位置Ⅰ₃，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅰ，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₄。

步骤105，当选择的测量项目为卫星纵向质心测量时，将卫星通过质测花盆1、L型翻转支架3与质测台2连接固定，并通过质测台2测量得到卫星在水平状态下、卫星、质测花盆1和L型翻转支架3的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₅。

在本实施例中，如图2，可以将卫星与质测花盆1的组合体吊装至L型翻转支架3，将质测花盆1与L型翻转支架3的一侧连接固定；将卫星、质测花盆1与L型翻转支架3的组合体翻转90°后，使L型翻转支架3的另一侧置于质测台2上，并将L型翻转支架3的另一侧与质测台2连接固定。其中，卫星与质测花盆1、测花盆1与L型翻转支架3、L型翻转支架3与质测台2之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定，定位精度在0.1mm以上。

优选的，可以通过如下步骤确定转换矩阵Ⅱ：在卫星通过质测花盆1、L型翻转支架3与质测台2连接固定后，通过激光跟踪仪4测量得到在卫星纵向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅱ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅱ；根据点位坐标Ⅱ和角度关系矩阵Ⅱ，解算得到卫星纵向质心测量时对应的转换矩阵Ⅱ。其中，转换矩阵Ⅱ为：卫星在水平状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

步骤106，根据质心位置Ⅰ₅、质测花盆1与L型翻转支架3的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆，解算得到卫星在水平状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₇。

在本实施例中，由于质心位置Ⅰ₅是卫星、质测花盆1与L型翻转支架3三者之间的质心位置，因此要扣除质测花盆1和L型翻转支架的质心位置，才能得到单纯的纵向状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₈。

优选的，在进行卫星纵向质心测量之前，可以将质测花盆1通过L型翻转支架3与质测台2连接固定，测量得到水平状态、且未安装卫星时，质测花盆1与L型翻转支架3的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆。

步骤107，根据质心位置Ⅰ₇，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅱ，解算得到卫星在水平状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₈。

在本实施例中，通过步骤104得到的质心位置Ⅰ₄具体可以包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Y轴的坐标值；通过步骤107得到的质心位置Ⅰ₈具体可以包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Z轴的坐标值；或，卫星在质测台坐标系下的Y轴的坐标值和Z轴的坐标值；进而，基于步骤104和步骤107也就实现了对卫星三个方向的质心测量。

其中，需要说明的是，激光跟踪仪4可以采用任一测量精度能够达到0.01mm+5ppm的激光跟踪仪。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，包括：

选择测量项目；

当选择的测量项目为卫星横向质心测量时，将卫星通过质测花盆(1)与质测台(2)连接固定，并通过质测台(2)测量得到卫星在竖直状态下、卫星与质测花盆(1)的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₁；

根据质心位置Ⅰ₁和质测花盆(1)在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₃；

根据质心位置Ⅰ₃，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅰ，解算得到卫星在竖直状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₄。

2.根据权利要求1所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，将卫星通过质测花盆(1)与质测台(2)连接固定，包括：

将质测花盆(1)与质测台(2)连接固定；

将卫星吊装至质测花盆(1)上，并与质测花盆(1)连接固定；

其中，卫星与质测花盆(1)、测花盆(1)与质测台(2)之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定。

3.根据权利要求1所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，通过如下步骤确定转换矩阵Ⅰ：

在卫星通过质测花盆(1)与质测台(2)连接固定后，通过激光跟踪仪(4)测量得到在卫星横向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅰ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅰ；

根据点位坐标Ⅰ和角度关系矩阵Ⅰ，解算得到卫星横向质心测量时对应的转换矩阵Ⅰ；其中，转换矩阵Ⅰ为：卫星在竖直状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

4.根据权利要求1所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，还包括：

当选择的测量项目为卫星纵向质心测量时，将卫星通过质测花盆(1)、L型翻转支架(3)与质测台(2)连接固定，并通过质测台(2)测量得到卫星在水平状态下、卫星、质测花盆(1)和L型翻转支架(3)的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₅；

根据质心位置Ⅰ₅、质测花盆(1)与L型翻转支架(3)的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆，解算得到卫星在水平状态下、卫星在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₇；

根据质心位置Ⅰ₇，结合质测台坐标系与卫星机械坐标系的转换矩阵Ⅱ，解算得到卫星在水平状态下、卫星在卫星机械坐标系下的质心位置Ⅰ₈。

5.根据权利要求4所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，将卫星通过质测花盆(1)、L型翻转支架(3)与质测台(2)连接固定，包括：

将卫星与质测花盆(1)的组合体吊装至L型翻转支架(3)，将质测花盆(1)与L型翻转支架(3)的一侧连接固定；

将卫星、质测花盆(1)与L型翻转支架(3)的组合体翻转90°后，使L型翻转支架(3)的另一侧置于质测台(2)上，并将L型翻转支架(3)的另一侧与质测台(2)连接固定；

其中，卫星与质测花盆(1)、测花盆(1)与L型翻转支架(3)、L型翻转支架(3)与质测台(2)之间均采用一面两销的定位方式进行连接固定。

6.根据权利要求4所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，通过如下步骤确定转换矩阵Ⅱ：

在卫星通过质测花盆(1)、L型翻转支架(3)与质测台(2)连接固定后，通过激光跟踪仪(4)测量得到在卫星纵向质心测量时、卫星机械坐标系的原点在质测台坐标系下的点位坐标Ⅱ以及卫星机械坐标系与质测台坐标系的角度关系矩阵Ⅱ；

根据点位坐标Ⅱ和角度关系矩阵Ⅱ，解算得到卫星纵向质心测量时对应的转换矩阵Ⅱ；其中，转换矩阵Ⅱ为：卫星在水平状态下时，质测台坐标系与卫星机械坐标系之间的转换矩阵。

7.根据权利要求1所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，在进行卫星横向质心测量之前，还包括：

将质测花盆(1)与质测台(2)连接固定，测量得到竖直状态、且未安装卫星时，质测花盆(1)在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₂。

8.根据权利要求4所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，在进行卫星纵向质心测量之前，还包括：

将质测花盆(1)通过L型翻转支架(3)与质测台(2)连接固定，测量得到水平状态、且未安装卫星时，质测花盆(1)与L型翻转支架(3)的组合体在质测台坐标系下的质心位置Ⅰ₆。

9.根据权利要求4所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，

卫星机械坐标系表示为O-XYZ，定义如下：坐标系的原点O为星箭对接面中点，XOY平面为星箭对接面，Z轴朝上；

质测台坐标系表示为O₁-X₁Y₁Z₁，定义如下：坐标系原点O₁为质测台(2)的中心，X₁O₁Y₁平面为质测台(2)的平面，Z₁轴朝上。

10.根据权利要求9所述的联合激光跟踪仪的卫星高精度质心测量方法，其特征在于，

质心位置Ⅰ₄包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Y轴的坐标值；

质心位置Ⅰ₈包括：卫星在质测台坐标系下的X轴的坐标值和Z轴的坐标值；或，卫星在质测台坐标系下的Y轴的坐标值和Z轴的坐标值。

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