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1、 “高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量 孙刚 杨再华 万毕乐 张成立 代卫兵 北京卫星环境工程研究所 北京市航天产品智能装配技术与装备工程技术研究中心 摘 要： 为了精确测量“高分二号” (GF-2) 卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态, 建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和 CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成, 通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行
2、标定, 制定自动测量规划, 然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时, 可启动 CCD 相机对被测对象局部区域进行搜索识别, 并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证, 结果显示:该系统姿态测量精度可以达到 5, 与标准值比对最大偏差为 4.1;该测量系统已用于 GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中, 重复标准差最大为 3.5, 满足 GF-2 对机上设备安装姿态测量精度的需求。关键词： 卫星集成; 姿态矩阵; 空间相机; 星敏感器; 角度测量; 自动准直; 作者简介：孙刚 (1972-) , 男
3、, 黑龙江哈尔滨人, 博士, 研究员, 1996 年于哈尔滨工业大学获得学士学位, 1999 年于中国空间技术研究院获得硕士学位, 2014 年于西北工业大学获得博士学位, 主要从事航天器数字化总装与测试技术研究。E-mail:sungang_作者简介：杨再华 (1980-) , 男, 河北涞水人, 硕士, 高级工程师, 2002 年于长春理工大学获得学士学位, 2005 年于清华大学获得硕士学位, 主要从事航天器总装相关的大尺寸几何量精度测量研究。E-mail:收稿日期：2017-02-09基金：国家高分专项天基部分资助项目 (No. (2011) 1199) High precision
4、automatic measurement for alignment of camera and star-sensor in GF-2SUN Gang YANG Zai-hua WAN Bi-le ZHANG Cheng-li DAI Wei-bing Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; Abstract： To alignment the posture between the camera and the star-sensor on the GF-2 satellite, a high precision
5、automatic measurement system was established.For the measuring system, a high precision measurement algorithm based on multi-sensor fusion, an automatic measurement plane based on design data, and a cube mirror normal measurement method based on geometric figure recognition were investigated.The sys
6、tem was mainly constituted by a double column guideway system, a precision turntable, and an autocollimation theodolite assisted with CCD camera.The instrument posture was calculated by fusing the data of the pitch angle and the horizontal angle of the theodolite and the rotation angle of the turnta
7、ble.In measurement, the system was fixed and calibrated, and anautomatic measurement plan was generated firstly.Then the theodolite was driven to the desired location and desired angle.If there was no collimated light from the mirror to the theodolite, the CCD camera would search the cube mirror and
8、 calculate the deviationt of the theodolite.Then the location and angles of the theodolite were adjusted and the posture of the cube mirror of the instrument was measured.Experimental results indicate that the precision of the system is within 5and the maximum deviation compared to the standard valu
9、e is 4.1.The system has been used in the assembly of GF-2 satellite, its maximum measuring standard deviation is 3.5, and satisfies the system requirements for higher precisions and rapid speeds.Keyword： satellite assembly; posture matrix; angle measurement; autocollimation; automatic measurement; R
10、eceived： 2017-02-091 引言“高分二号” (GF-2) 卫星是中国第一颗分辨率达到 1m、目标定位精度达到50m 的民用遥感卫星, 经在轨测试显示, 卫星影像清晰, 定位精度达到国际先进水平1。为了达到高分辨率和高定位的要求, GF-2 卫星平台装载了 2 台相同的高分辨率相机和 3 台高精度有源像元传感器 (Active Pixel Sensor, APS) 星敏感器。相机可实现幅宽为 45km、分辨率为 1 m 的成像能力, 星敏感器可满足卫星 0.01的定姿精度要求。但为了实现 GF-2 卫星无控制点时 50m 的定位精度, 需要在卫星装配期间测量 2 台相机和 3 台
11、星敏感器之间相对姿态关系2-4, 角度测量精度应优于 6。相机和星敏感器的基准为光学基准立方镜, 用基准立方镜的镜面法线代表设备坐标系坐标轴的指向5。因此对设备相对参考基准的姿态的测量, 即是对基准立方镜镜面法线相对参考基准立方镜镜面法线的空间夹角矩阵的测量6。由于相机和星敏感器上光学立方镜的距离较远, 任意两条镜面法线为远间距的异面直线, 无法用小角度的准直仪和转台等经一次测量而实现, 且测量精度要求达到角秒量级, 难度较高。目前国内外航天企业星上设备安装姿态的测量主要采用的是经纬仪布站测量方法。即用多台带有准直功能的高精度经纬仪, 分别准直被测设备上的基准立方镜, 然后再通过经纬仪之间的互
12、瞄进行传递, 从而计算出镜面法线之间的夹角矩阵。解放军信息工程大学的李广云教授、哈尔滨工业大学的唐文彦教授、长城计量研究院马骊群研究员等分别对多台经纬仪布站测量方法开展了较为深入的研究7-9。但由于通过人眼观测的经纬仪测量, 会受到经纬仪布站远近、光照等环境因素的影响, 现场测量精度一般只能达到十几角秒, 且测量效率较低。针对远间距的异面直线夹角的测量, 天津大学的裘祖荣教授、张国雄教授课题组提出了基于摄影测量的异面直线夹角测量方法10, 即在不同被测设备或部件上固定多个靶标点, 通过 CCD 成像测量靶标点拟合不同直线实现异面直线间的夹角测量。但该方法测量精度只能达到角分量级, 且不适用于以
13、光学立方镜为基准的异面直线间的夹角测量。本文针对 GF-2 的测量需求, 建立了一套高精度自动化测量系统。该系统综合利用精密导轨、自准直经纬仪、精密转台和 CCD 相机, 对不同传感器的数据进行融合以实现光学立方镜之间姿态角度矩阵的高精度自动化测量。文中还对所采用的基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型和基于图像识别的立方镜法线搜索算法分别进行了讨论, 实验证明该系统角度测量精度达到 5, 满足了 GF-2 卫星上设备安装姿态的测量要求。2 测量系统构成图 1 为高精度测量系统原理图。系统主要由精密转台、二维龙门导轨、带有CCD 成像辅助装置的自准直经纬仪、隔
14、振平台、全局基准镜、辅助一维导轨工装以及计算机软件系统组成。图 1 测量系统原理图 Fig.1 Principle diagram of measuring system 下载原图自准直经纬仪系统是 1 台经过了改造的 TM5100A 徕卡电子经纬仪, 加装了与经纬仪相对固定的 CCD 辅助成像装置, 并进行了姿态标定。CCD 成像辅助装置在小范围内搜索被测立方镜, 提取立方镜的边缘, 计算镜面法线, 引导经纬仪实现精确自动准直。自准直经纬仪精确准直镜面后可以得到镜面法线在经纬仪坐标系下的水平角和俯仰角。二维龙门导轨用于承载自准直经纬仪系统沿二维方向平行移动, 以定位到可以准直到被测镜面的最优
15、位置。二维导轨与自准直经纬仪之间有一个精密的二维调平装置, 可以实现自准直经纬仪精确自动调平, 调平精度优于 1。精密转台用于承载卫星以实现卫星绕转台轴线的精密转动, 使被测项目朝向自准直经纬仪。测量时被测卫星通过定位销钉及螺钉被固定于精密转台的上端框上。测量前通过电子水平仪将精密转台精确调平, 根据需要将转台转动一定角度 , 使星上被测项目的立方镜镜面法线朝向自准直经纬仪。精密转台的转角精度优于 3, 调平精度优于 2。全局基准镜的镜面法线平行于水平面且指向不变。自准直经纬仪每次准直完被测镜面会得到水平角 s, 经纬仪位置不动, 自动旋转并准直全局基准镜会得到水平角 j。从而得到被测镜面法线
16、在全局坐标系下的方位角 = s- j。全局基准镜的引入可以消除自准直经纬仪沿二维导轨平行移动过程中的角度偏差。计算机及软件系统不仅可以采集经纬仪码盘水平角 、俯仰角 、精密转台的转动角度 和 CCD 图像, 还可以控制二维导轨、自准直经纬仪以及精密转台的转动, 并计算得到最终的测量结果。此外, 为了减少外界环境振动对测量的干扰, 分别将精密转台和导轨系统固定于隔振平台上。3 相机星敏夹角测量流程3.1 测量任务概述GF-2 卫星上需要高精度测量的任务主要是 2 个光学相机和 3 个星敏感器。每个设备上有 1 块立方镜, 立方镜上 3 条互相正交的镜面法线代表了设备的坐标系, 如图 2 所示。测量时只需要测量每个立方镜的其中 2 条法线即可, 第 3 条法线可以通过叉乘的方法计算得到。首先在全局基准镜坐标系下测量每个镜面法线矢量, 最后以相机 A 的立方镜坐标系为参考坐标系计算其它矢量与相机 A 的夹角矩阵
