一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置的制作方法

本发明涉及一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置，属于空间展开机构精密装配技术领域。

背景技术：

零重力又可称为失重或减重力，是太空环境的一个最重要的特征。卫星、飞行器和空间站等航天系统在轨飞行以前，为保证系统的高精度和可靠性，必须在地面上对其空间机构各子系统进行动力学试验。然而，地面的重力环境会导致无法通过常规试验方法获得机构的性能特性。因此，空间展开机构的地面测试需要精确模拟其所处的零重力环境。需要对展开试验依托的地面试验装备，即零重力模拟装备的技术状态予以严格调置及保持，为实现零重力展开试验提供技术基础。

以太阳翼作为代表的空间展开机构类产品，是卫星系统的重要功能部件，其在轨技术状态，直接关系卫星的工作性能和使用寿命。地面零重力展开试验，是模拟其在轨运行环境，验证其运动性能、反映其装配质量的重要手段。而零重力环境的实现水平，依赖于地面试验装备，即零重力模拟装备的技术状态调置及保持能力。

空间展开机构产品往大尺寸设计、多维度运动方向发展，与之配合的零重力装备，相较以往长度、高度尺寸大为增加，而与零重力状态实现相关的装备精度指标要求并未相应降低。在零重力装备的技术状态实现上，常规采用经纬仪测量方法。限于仪器的远位测距精度及高位视准角度，在测量范围及测量精度上无法满足新型装备的设计指标要求。传统测量方法应用中使用呈悬空状态的细长状金属杆作为测量辅助装备。随着零重力装备高度尺寸增加(超过10m)，配套测量辅助装备为达到静止状态以满足仪器测量条件，需要极长的静置时间，而零重力装备待测目标数量增多，单次完整测量需要使用更多的时间。另外，目标采样操作采用人工瞄准方式，采样时间和采样精度上完全依赖测量人员能力及素质。考虑零重力装备技术状态保证中涉及多次调整、反复测量环节，随着测量对象数量增多，测量条件更为复杂，而对应的测量思路，存在实施效率低，操作强度大，可靠性低等特点，不再适用新型装备测量需求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，零重力装备的技术状态难以实现单次完整测量的问题，提出了一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置，包括水平激光调置模块、数据采集模块、数据处理模块、装联工装、光学反射镜，其中：

水平激光调置模块：制备测量用激光光束，于自然水平状态下，沿对应光路向安装于装联工装上的光学反射镜发射激光光束；

数据采集模块：测量装联工装相对自然水平基准的角度偏移信息并传输至数据处理模块；接收光学反射镜反射的激光光束进行光电转换，对所得电学信息进行数字化处理并获取光学反射镜位姿信息，并传输至数据处理模块；

数据处理模块：根据数据采集模块发送的装联工装的角度偏移信息、光学反射镜位姿信息，进行数据编译、处理，并获取测量结果；

装联工装：装载光学反射镜，搭建对应光路，并装载数据采集模块的电子倾角仪；

光学反射镜：反射水平激光调置模块发射的测量用激光光束。

所述水平激光调置模块包括支撑调节装置、电子水平仪、自准直仪，其中：

支撑调节装置：为自准直仪提供高位工作环境，保证电子水平仪于指定高度处为自然水平状态；

电子水平仪：调节自准直仪为自然水平状态，保证自准直仪测量环境稳定；

自准直仪：制备测量用激光光束，与光学反射镜共同搭建对应光路，向光反射镜发射激光光束。

所述数据采集模块包括电子倾角仪、二维光敏位置传感器，其中：

电子倾角仪：安装于装联工装上，采集装联工装相对自然水平基准的角度偏移信息，并将角度偏移信息发送至数据处理模块；

二维光敏位置传感器：装联于支撑调节装置上，接收自准直仪经由反射镜反射的激光光束，进行光电转换及信息数字化处理，获取光学反射镜位姿信息并传输至数据处理模块。

所述数据处理模块安装于自准直仪激光光路另一侧，与自准直仪紧贴安装。

所述装联工装包括基准导轨、辅助导轨、横跨杆、横跨杆固定架，所述横跨杆、基准导轨、辅助导轨位于同一水平面内，横跨杆架设于基准导轨、辅助导轨间，电子倾角仪、光学反射镜均架设于横跨杆上，所述横跨杆通过横跨杆固定架进一步固定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置，采用了激光干涉和自准直测量技术，以激光作为光源，采用空间干涉法，确保了极高的远位测距精度；以光学镜作为光路调置元件，引入自准直法，整体采用光路高位布局方案，规避了高位视角问题，同时提高了测量装置对角度或位移变化的灵敏度及精度。相比现有技术，解决了高位、广域、密集目标的快速采样问题，提高了测量精度和采样效率；

(2)本发明采用了最新的二维光敏位置传感器技术，予以光电信号接收、转换及计算一体化设计，实现了测量目标自动识别、采样功能；嵌入了图像实时处理、分析模块，实现对装备调整阶段处于低频振动的测量目标，予以精确的平衡点坐标值解算，规避了常规测量方法中的目标静置环节。相比现有技术，实现了数据采集自动化，增加了动态目标测量功能，节省目标静止时间，提高了测量效率；

(3)本发明采用了多参数数据实时处理技术，可对测量数据予以自动处理、分析，规避了传统方法中的手工记录、人工计算方式；可对零重力装备基准导轨的多项参数，包括水平度、直线度，予以同步解算，对零重力装备调整操作予以同步指导。相比现有技术，测量效率和测量可靠性大为提高。

附图说明

图1为发明提供的测量装置结构示意图；

图2为发明提供的装联工装结构示意图；

图3为发明提供的零重力装置数据处理原理图；

图4为发明提供的现有太阳翼展开架测试结构；

图5为发明提供的测量流程示意图；

具体实施方式

一种基于水平自准直技术的空间机构零重力装备测量装置，可实现对长距离、高位置条件下的广域密集目标予以完整、精确、高效的数据采样，可应用于零重力装备调整过程及状态的位姿参数检测，主要包括水平激光调置模块、数据采集模块、数据处理模块、装联工装，通过水平激光调置模块、光学反射镜形成对应光路，应用水平自准直技术和二维光敏位置传感器技术，经合理光路设计和装联方案，对呈水平状态的准直光斑中心在二维光敏传感器的位移信息予以相应处理，实效对零重力装备基准导轨的直线度、水平度参数的测量；应用电子水平装置结合特定装联方案，实现对零重力装备辅助导轨水平度参数的测量，具体测量流程示意图如图5所示，其中：

水平激光调置模块用于制备测量用激光光束，于自然水平状态下，沿对应光路向安装于装联工装上的光学反射镜发射激光光束；

水平激光调置模块包括支撑调节装置、电子水平仪、自准直仪，具体为：

支撑调节装置：为自准直仪提供高位工作环境，保证电子水平仪于指定高度处为自然水平状态；

电子水平仪：调节自准直仪为自然水平状态，保证自准直仪测量环境稳定；

自准直仪：制备测量用激光光束，与光学反射镜共同搭建对应光路，向光学反射镜发射激光光束；

数据采集模块用于测量装联工装相对自然水平基准的角度偏移信息并传输至数据处理模块；接收光学反射镜反射的激光光束进行光电转换，对所得电学信息进行数字化处理并获取光学反射镜位姿信息，并传输至数据处理模块；

数据采集模块包括电子倾角仪、二维光敏位置传感器，其中：

电子倾角仪：安装于装联工装上，采集装联工装相对自然水平基准的角度偏移信息，并通过无线通信模功能将角度偏移信息发送至数据处理模块；

二维光敏位置传感器：装联于支撑调节装置上，接收自准直仪经由反射镜反射的激光光束，进行光电转换及信息数字化处理，获取光学反射镜位姿信息并传输至数据处理模块；

数据处理模块：根据数据采集模块发送的装联工装的角度偏移信息、光学反射镜位姿信息，进行数据编译、处理，并获取测量结果；数据处理模块安装于自准直仪激光光路另一侧，与自准直仪紧贴安装；

装联工装用于装载光学反射镜，搭建对应光路，并装载数据采集模块的电子倾角仪；

装联工装包括基准导轨、辅助导轨、横跨杆、横跨杆固定架，所述横跨杆、基准导轨、辅助导轨位于同一水平面内，横跨杆架设于基准导轨、辅助导轨间，电子倾角仪、光学反射镜均架设于横跨杆上，所述横跨杆通过横跨杆固定架进一步固定；

光学反射镜用于反射水平激光调置模块发射的测量用激光光束。

太阳翼在地面和在外太空展开的区别在于地面展开有重力，而在外太空的环境下展开其处于零重力的环境，针对零重力环境设计的太阳翼及其他空间机构，无法克服自身重力，在地面进行展开试验，为了试验验证太阳翼及其他空间展开机构的地面展开，需要重新设计重力卸载装置以模拟其在零重力状态下的展开试验状态。目前，如图4所示，导轨滑车吊挂式零重力是目前应用最广泛的零重力展开方式，适用范围较广，其优点是占用空间相对较小，操作简便，技术成熟，缺点是通过导轨每隔500mm通过双头螺柱与展开架本体连接，由于导轨较长，存在变形，每次展开试验前均需对导轨的水平度和直线度进行测试，对于18米长的展开架，水平度加直线度的测试需要使用经纬仪读取双根导轨每个点的数据，共需测试144个点的数据，测试效率低，占用人员多，因此急需一种全新的替代方案，提升测试效率。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

如图1、图2所示，零重力装备测量装置主要包括水平激光调置模块、数据采集模块、数据处理模块、装联工装、光学反射镜，其中：

数据采集模块的电子倾角仪安装至装联工装中部横跨杆上，光学反射镜安装至装联工装靠近基准导轨的上方，确保施以外力后，上述测量附件可随装联工装在零重力装备的纵向导轨上自由滑动或停驻。

调整水平激光调置模块的支撑调节装置的高度，使自准直仪制备激光光轴大致与光学反射镜的几何中心高度大致相当，然后精确调置支撑调节装置接口部位的调节螺钉，使电子水平仪呈严格的自然水平状态，继续反复调整水平激光调置模块的支撑调节装置的高度，确保电子水平仪呈严格的自然水平状态下，自准直仪制备激光光轴大致与光学反射镜的几何中心高度基本相当，误差不超过2mm。

装联工装推移至零重力装备纵向导轨待测位置，自准直仪制备激光测量光束发射至装联于装联工装上的光学反射镜，反射至装联于水平激光调置模块上的二维光敏位置传感器的感光面上，经数据处理模块处理后，得到反射至感光面上的激光光斑重心在二维光敏位置传感器上的二维坐标值，进一步得到测量光束在光学反射镜的入射点的相对位移，如图3所示，反映高度及左右方向的位移数值，即零重力装备纵向基准导轨该驻点处的水平度测量值lmi、直线度测量值si，电子倾角仪将该驻点处两侧纵向导轨的角度偏移信息传递至数据处理模块，经数学计算处理后得到两侧纵向导轨相对自然水平基准的位移偏差，进一步处理后得到纵向辅助导轨该驻点处的水平度测量值lli。

数据处理模块对上述三类测量值lmi、lli、si继续分析，得到零重力装备导轨的水平度l、直线度评定值s。

结合零重力装备导轨设计指标，确定装备调整方案。本发明所指测量装置可对调整过程予以实时监测、指导，测量操作过程完全相同。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。