激光通信粗指向機構軸系精度測量方法

葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

激光通信粗指向機構軸系精度測量方法

葉 壯 張述卿 劉雪鵬 李 臣 李 光 李興光

（北京控制工程研究所，北京 100190）

基于某型號CPA機構的研制過程，介紹了角秒級軸系傾角回轉誤差和垂直度測量的工藝難點。結合測試實例介紹了此CPA機構軸系精度測量的測量原理、配置方法以及數據處理過程。該工藝方法的實施為機構順利研制奠定了基礎，并對同類高精度空間跟蹤指向機構軸系精測有借鑒和推廣意義。

激光通信粗指向機構；軸系組件；垂直度；傾角回轉誤差

1 引言

在無線通信領域，激光通信具有頻帶寬、速率高、抗干擾能力強的特點，是下一代空間通訊技術重要的發展方向。自上世紀80年代，歐美等具有宇航能力的發達國家就已經開始空間激光通信系統的研制。2001年11月，歐空局SILEX系統成功進行了首次星間激光通信試驗[1]。此后，美日等國也相繼研制了各自的空間激光通信終端，并成功開展了星地或星間的激光通信試驗。目前在國內，以航天院所、中科院和高校為主要力量的多家單位在理論基礎、關鍵技術和終端系統等不同領域、不同階段開展研究，并取得了一定成果。

空間激光通信終端通常由光學分系統、通信分系統、跟蹤捕獲分系統和總控分系統組成。其中捕獲跟蹤分系統（簡稱APT）包括粗、精兩級指向機構，功能是驅動光學負載實現捕獲、對準和跟蹤，是激光通信鏈路建立的前提。激光通信粗指向機構（簡稱CPA）作為捕獲跟蹤分系統的主要組成部分，負責光學負載的大范圍二維轉動，保證光學信號進入并穩定在后部精跟蹤端視場內。雖然名為粗指向機構，但相較于射頻通信系統采用的天線驅動機構，其指向精度要求更高，軸系精度測量難度更大。

行業內軸系精度標定方法主要參考GJB 1801，在機床、儀器等行業廣泛應用[2～8]。本文所述的CPA機構是為某衛星通信終端研制的重點單機。其角秒級軸系精度達到了目前國內空間跟蹤指向類機構的領先水平?；谠撔吞朇PA機構的結構特點，介紹了一種角秒級軸系精度的標定方法。

2 CPA機構簡介

如圖1所示，該CPA機構采用經緯儀式結構，由垂直布局的方位軸系和水平布局的俯仰軸系組成，兩軸系通過U形框架連接，光學負載安裝在U形框架內由兩軸系共同驅動實現二維轉動。

圖1 某型號CPA機構外觀圖

為實現機構高指向精度，該CPA機構在軸系裝配階段需精確測量以下兩項精度指標。

a. 軸系傾角回轉誤差；

b. 軸系回轉軸線平均線與安裝基準面垂直度誤差。

其中，傾角回轉誤差表征軸系在轉動過程中回轉軸線的穩定程度，而回轉軸線與安裝基準的垂直度則表征機構軸系安裝的角位置關系。上述兩項軸系精度是CPA機構實現高精度指向的前提。

3 工藝難點分析

為滿足轉動功能需求，以軸承為核心的軸系機械結構不可避免地存在由零件形位誤差、裝配位置誤差、結構間隙、低剛度零組件微變形等因素累積而成的結構誤差，這些結構誤差共同作用對軸系精度產生影響。對于角秒級精度的軸系組件，常規方法中的很多可忽略的微小誤差因素都需要予以關注，進而增加了精度測量的工藝難度。其主要難點體現在方法設計、基準法線和回轉軸線標定以及數據分析處理三個方面。

在工藝方法設計層面，需要考慮測量儀器的精度和使用特點。常規機械接觸式測量方法無法滿足角秒級精度需求，需要建立以高精度光學測量設備為核心的測量裝置。工裝設計時應合理布局結構和設計精度，避免裝配應力產生微變形而影響測試結果。此外，在實際操作時還需要考慮測試溫度、地基平臺穩定度等環境因素的影響。

在法線和軸線標定層面，需要評估零組件形貌誤差對標定精度的影響，準確將虛擬的基準法線和軸線轉移到可測量的光學鏡面上。對于基準面法線，工裝、零件微米級的形面誤差都可能影響標定精度，如何保證法線標定的準確性和可重復性是一項主要難點；對于測量軸線，如何保證理論軸線與工藝鏡面垂直一致，避免安裝工藝誤差是需要解決的主要問題。

在數據處理層面，一方面利用特征數據甄別工藝誤差，另一方面重復測量實現數據互驗是減小隨機誤差提高測量準確度和置信度的重要手段。而這些方法的應用都不免會使計算過程更加繁復，如何提高計算效率也是測量工藝方法最終實現的重要前提。

4 測量原理介紹

為滿足該CPA機構高精度軸系標定需要，構建了圖2所示以自準直儀、平晶和平面反射鏡為主要組成的光學測量裝置。平晶用于標定安裝基準面；平面反射鏡隨軸系轉動用于標定回轉軸線。用自準直儀測量反射鏡轉動過程的法線傾角變化和兩鏡面法線間的角度關系，從而標定傾角回轉誤差和垂直度誤差。

圖2 工裝結構示意圖

該方法將利用CPA機構軸系內的通光口徑，采取分步標定的方式將基準法線和回轉軸線先后置于同一自準直儀視場內，實現了傾角回轉誤差和垂直度誤差的同時測量。

在基準面法線標定方面，由于平晶具有亞微米級面形的優勢，在與微米級安裝基準平面貼合時具有較高的準確性和可重復性。此外，在工裝設計時，使用非金屬零件支撐平晶安裝，通過尺寸鏈控制，讓非金屬零件承受定量可控的微變形，既能使平晶與基準面緊密貼合也能避免結構微應力變形或平晶面形破壞對測量結果產生的負面影響。

在回轉軸線標定方面，利用軸系轉動實現虛擬回轉軸線平均線的擬合。此外，在軸線回轉過程中，平面反射鏡安裝誤差具有一階特性，可以利用頻域分析消除。

4.1 安裝配置及數據采集

如圖3所示，將被測軸系牢固安裝在安裝底板上，并置于穩定的光學平臺。用尼龍托盤工裝將平晶靠緊被測軸系安裝基準面。利用五棱鏡折轉光路，將自準直儀沿軸線方向準直平晶，當前自準直儀軸、軸示數即為安裝平面法線基準，記為X和Y。保持自準直儀和五棱鏡位置不變，在被測軸系轉動端安裝平面反射鏡。驅動被測軸系轉動，在均布點位置，記錄自準直儀測量讀數，第點坐標記為X和Y。

圖3 軸系精度標定過程說明圖

4.2 數據計算與誤差評定

4.2.1 傾角回轉誤差計算

a. 計算零次和一次傅里葉系數a0、a0和a1、a1、b1、b1：

b. 計算第點傾角誤差E：

c. 評定被測軸系傾角回轉誤差：

4.2.2 軸線垂直度計算

計算軸線垂直度：

4.3 計算說明

由于自準直儀測量坐標系的正交特性，軸采樣數據實際是同一誤差在軸相位相差90°時采樣數據的重復測量，所以，傾角回轉誤差和垂直度誤差的兩軸計算數據具有相互驗證性，提升了測量結果的置信度。由于傾角回轉誤差具有一定的隨機性，因此在結果評定時按式（10）進行最大包絡。

為提升效率和工藝過程的可操作性，編寫了專用計算程序。程序讀取采樣數據后能夠自動生成測試結果，并以圖形化方式顯示誤差幅值、相位以及頻域特征等信息。計算程序的使用不僅簡化了原本復雜的計算過程，同時使計算結果更為直觀，方便后續工序進行軸系校調。

5 經緯儀式CPA機構軸系精度計算示例

以該經緯儀式CPA機構方位軸精度標定為例。按上述方法搭建如圖4所示測量裝置，自準直儀準直基準面平晶建立測量基準，如表1所示，安裝平面反射鏡后轉動軸系在間隔15°的24個位置記錄自準直儀測量數據。

圖4 CPA機構方位軸精度測量

表1 測量數據 （″）

按式（10）和式（11）計算得到該軸系傾角回轉誤差小于2.3″，回轉軸線平均線與方位軸安裝面垂直度誤差5.3″，誤差分布和傾角相位如圖5所示。采樣數據的頻域特征如圖6所示，平面反射鏡安裝工藝誤差產生的一階諧波分量幅值占數據主要部分，計算時按式（7）和式（8）被消減。

圖5 傾角回轉誤差和垂直度誤差分布圖

圖6 采樣數據頻域特征圖

6 結束語

基于某型號經緯儀式CPA機構的研制過程，介紹了該產品角秒級軸系精度測試的工藝原理、方法和實現過程。通過合理選擇工藝裝備、優化工裝設計、消除工藝誤差等方式，解決了高精度軸系基準法線和回轉軸線標定的工藝難題。并在工藝實現的基礎上編寫專用計算程序提高了計算效率，增加了測量工藝的可實現性。該工藝方法的實施為該經緯儀式CPA機構順利研制奠定了基礎，并對同類高精度空間跟蹤指向機構軸系精測有借鑒和推廣意義。目前該CPA產品已經隨衛星發射入軌，在軌運行良好。

1 姜會林，佟首峰，張立中，等. 空間激光通信技術與系統[M]. 北京：國防工業出版社，2010

2 賈宏進，秦石喬，胡浩軍，等. 軸系傾角回轉誤差與垂直度測量方法[J]. 計量技術，2008(11)：25～28

3 孫郅佶，安晨輝，楊旭，等. 超精密機床主軸回轉誤差在線測試與評價技術[J]. 制造技術與機床，2015(9)：118～123

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Measurement Method of Spindle Precision for Laser Communication Coarse Pointing Assembly

Ye Zhuang Zhang Shuqing Liu Xuepeng Li Chen Li Guang Li Xingguang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

Based on the development of a certain model CPA (Coarse Pointing Assembly), the technical difficulties in measuring the wobble error and the verticality of the arcsec level spindle are explained in this paper. The measurement principle, configuration and data processing method are introduced in the illustration of the CPA spindle test case. This measurement method is significant for development of the CPA, and can be applied to the similar space high-precision pointing and tracking mechanism.

laser communication coarse pointing assembly；spindle；verticality；wobble error

葉壯（1984），工程師，機械電子工程專業；研究方向：空間機構精密裝配工藝。

2019-12-10