光學遙感衛星平臺結構熱變形試驗及測量技術研究

黃杰 羅達 侯鵬 尤超藍 孔祥森 付鑫

(1 上海衛星工程研究所，上海 201109)(2 上海衛星裝備研究所，上海 200240)

隨著我國衛星技術的不斷發展，對光學遙感衛星探測范圍、分辨率、穩定性等指標要求越來越高。為了高精度確定氣象云圖每個像元的地理位置，更精準實施天氣預報，我國第二代地球靜止軌道氣象衛星首次采用圖像定位與配準技術[1]。諸多因素中熱變形是影響光學遙感衛星在軌探測精度和圖像定位與配準能力的重要因素，根據工程實際研究經驗，平臺結構熱變形、相機結構及機構熱變形、星敏感器安裝熱變形等是熱變形主要組成部分[2-4]。通過掃描鏡鏡面與掃描鏡轉軸需采用熱特性接近的材料可以適當降低相機機構的熱變形變化量級[5]，而平臺結構熱變形涉及因素較多，通過材料特性匹配、關鍵部位結構板采用膨脹系數低的碳纖維材料等設計措施可適度降低熱變形的影響[6-7]。但是，要更準確預測衛星平臺在軌熱變形量級和規律，必須建立在準確的地面模擬試驗的基礎上[8]。

為了解決某高軌光學遙感衛星對熱變形的特殊要求[9]，更準確獲取平臺結構熱變形引起兩臺相機安裝面指向變化，以及兩相機安裝面之間的相對指向變化，進而外推衛星在軌熱變形規律，本文設計了衛星平臺結構熱變形試驗，試驗模擬在軌典型外熱流工況對衛星平臺實施加熱控制，使用數字近景攝影測量技術對熱變形引起兩臺相機安裝面絕對指向變化、兩相機安裝面之間的相對指向變化情況進行實時測量和分析。通過平臺結構熱變形測量結果與仿真分析結果的對比分析，為在軌衛星熱變形的合理預測提供了技術基礎。

1 數字近景攝影測量基本原理

數字近景攝影測量原理如圖1所示，該系統一般包括相機、定向棒、基準尺、標志和輔助測量棒等，物方坐標系O-XYZ用來定義物方點坐標，一般選取測量設備坐標系，原點O位于設備物理中心，Z軸沿光軸方向，X平行于設備旋轉軸，Y方向符合右手法則；像平面坐標系o-xy用來表示像點在像平面上的位置，坐標原點o為像片的幾何中心，x平行于像素的水平采樣方向；像空間坐標系S-xyz用來定義像點在像方空間的位置，坐標原點S在投影中心，x軸y軸平行于像平面坐標系x軸y軸。通過兩臺相機在不同的位置對同一物體進行拍攝，獲取被測目標的兩張以上不同角度的像片，從而構成立體像對，設物方點Pi(Xi,Yi,Zi)由i個攝站(i條光線)相交，則共有i個共線方程，如式(1)所示[4,10]。

(1)

利用最小二乘原理，將多個光線(束)的共線方程聯立求解(光線束法平差)，可以求得物方點的空間坐標P(X,Y,Z)為

(2)

式中：i=1，2，3；j=1，2，3；M為旋轉矩陣，其內各元素aij,bij,cij通過相機標定獲得；x,y,z為物點對應像平面坐標；x0,y0,z0為初始像平面中心點；Δx,Δy,Δz為像平面中心偏移量；f為相機焦距；Xi,Yi,Zi為相應物方點坐標；XSj,YSj,ZSj為像片外方位元素的平移量。

2 衛星平臺結構熱變形試驗及測量方案設計

2.1 熱變形試驗及測量方案

衛星平臺結構熱變形試驗及測量方案如圖2(a)所示，衛星固定于專用的支撐架上，根據衛星外熱流情況(春分0時，春分6時，夏至0時、夏至6時、夏至12時、夏至18時6個典型外熱流工況)布置多個分區的紅外燈陣，通過控制不同區域燈陣的熱流密度實現溫度梯度的模擬，以滿足各工況下衛星主要結構件溫度水平達預期目標值。試驗采用熱電偶測溫，用以測量及控制星體不同區域溫度水平。兩臺數字照相機置于衛星平臺上方，以視場能夠覆蓋整個頂板為準，兩臺相機的安裝腳(A相機14個，B相機12個)及附近蒙皮處粘貼靶標點，作為熱變形試驗過程中的測量點，如圖2(b)所示，靶標點(圖中黑點表示)盡可能粘貼在相機安裝腳(圖中方框表示)附近，或因操作空間限制的區域而粘貼在頂板蒙皮上。

常溫常壓條件下所測定的相機安裝面指向，作為整個熱變形試驗的基礎工況，然后根據每個既定工況的外熱流條件實施衛星平臺的加熱，達到設定溫差并穩定后，采用數字近景攝影測量法對兩相機安裝面指向情況進行測量。按照設定的6個典型工況重復以上測量工作便完成整個熱變形試驗的數據測量。

2.2 安裝腳測量數據對系統精度影響分析

衛星平臺頂板上的靶標測點分布如圖2(b)所示，由于試驗空間受限，不是所有靶標點均可以順利布置在相機安裝腳鏟刮片上，個別位置必須布置在鏟刮片周圍的蒙皮上。攝影測量相機在測量拍照過程中難免受到工裝設備等的遮擋，造成個別安裝腳測量數據缺失。

為了避免有效評估靶標點不在鏟刮片上，安裝腳數據不足對測量精度的影響，分別利用鏟刮片上靶標點和蒙皮上靶標點進行相機安裝面指向進行擬合，如表1所示。結果表明，利用蒙皮上測點擬合平面與鏟刮片上測點擬合平面的法向變化相差8.8″，誤差為測量值3.8%，由此判定：相機安裝面的法向變化數據擬合過程中，可以使用蒙皮上的部分測點數據。

為了有效評估安裝腳攝影數據不足對測量精度的影響，分別采用2個安裝腳測點數據缺失、4個安裝腳測點數據缺失情況下的數據擬合相機安裝面，結果如表2所示。其中，φ、θ、ψ分別代表繞不同坐標軸旋轉的歐拉角，本文中默認轉換順序為Y-X-Z。

表1 靶標點位置對測量精度的影響Table 1 Influence of target punctuation positionon measurement accuracy

表2 安裝腳數據不足對測量精度的影響Table 2 Influence of insufficient data onmeasurement accuracy

結果表明，缺少2個安裝腳攝影靶標數據對指向的影響約20″(誤差約10%)，缺少4個安裝角對指向的影響約60″(約30%)，靶標點數據缺少的越多對指向的影響越明顯，因此試驗設定攝影測量結果有效判據為：安裝腳靶標測點丟失小于2個。

3 衛星平臺結構熱變形仿真及試驗結果

按照本文設計的熱變形試驗及測量方案(圖2)，某光學遙感衛星平臺實施了熱變形試驗，試驗過程中將相機結構件及星敏感器支架安裝在平臺結構頂板上，模擬平臺結構和相機的剛度耦合情況。為避免局部溫度過高影響衛星電子學產品，單機采用配重件、熱控件模擬。使用紅外燈陣對衛星平臺施加溫度梯度，模擬在軌6種典型外熱流工況。

在每個工況實施并穩定后，利用結構平臺上方兩臺相機進行數據采集，解算，進而得到該工況相對基準工況的變化情況。各種工況下相機安裝面指向及兩相機間指向測量結果如表3所示。

表3 相機安裝面指向絕對變形量試驗測量結果Table 3 Test results of absolute deformation test of camera mounting surface

地面試驗結果表明，A相機安裝面最大變形57.5″，B相機安裝面最大變形79.3″，滿足105″指標要求；兩相機間φ、θ、ψ方向角度試驗測量結果如圖3所示，θ方向的變化遠大于φ、ψ方向，衛星在軌期間重點關注該方向的變化，滿足150″指標要求，為衛星在軌運行期間熱變形預測提供了依據。

4 結論

通過平臺結構熱變形試驗，獲取了6種典型溫度工況下平臺結構熱變形引起的相機安裝面、兩相機間的指向變化規律，同時對比了有限元仿真結果，結論如下：①試驗結果與仿真結果趨勢基本一致，驗證了平臺結構熱變形設計的合理性，進而得出仿真模型參數進一步修正的依據。②A相機安裝面最大變形57.5″，B相機安裝面最大變形79.3″，可為在軌運行初期熱變形預測提供依據。

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