大型航天器装配精度检测技术发展综述

简要介绍了大型航天器装配检测对航天器研制的意义,如舱段结构尺寸精度测量、设备安装位姿测量、机构位姿动态监测、结构变形监测等。分析了美国NASA、欧洲ESA以及中国等世界主要宇航机构大型航天器装配检测技术现状,列出了当前常用的装配检测方法和技术指标,剖析了测量原理。结合未来大型航天器尺寸越来越大、精度要求越来越高、任务越来越复杂等特点和装配检测需求,讨论了未来大型航天器装配检测技术的发展趋势,重点分析了多系统集成测量技术的发展、定制化的测量传感器研制以及自动化测量设备开发等发展趋势。     

基于先验子图检测的失效航天器SLAM方法

基于激光雷达的航天器位姿估计技术是当前在轨服务研究热点。针对失效航天器位姿估计,将通用的图优化SLAM技术应用到空间非合作目标的研究中。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,利用失效航天器自身运动特点,提出一种基于先验子图检测改进的SLAM算法。在该算法中,通过激光雷达和惯性测量单元分别采集失效航天器及周围环境的点云数据、服务航天器的运动信息,构建出服务场景下航天器的相对位姿图;再采用先验子图检测方法建立不连续的位姿节点间的约束关系;最后用约束信息对位姿图进行优化。仿真结果表明,相较于通用的SLAM算法的位姿估计,该方法减小了累积误差,提高了相对位姿估计精度,可以为后期的导航、控制等在轨任务提供信息。     

基于普吕克直线的交会对接相对位姿确定算法

为了描述航天器交会对接中的相对位置和姿态测量信息,提出了结合特征线的双目视觉测量以及普吕克直线方程来进行航天器交会对接的相对位姿测量算法。传统算法中航天器的相对位姿是分开测量和计算的,普吕克直线方程则统一描述了两个航天器的相对位姿信息。首先采用双目视觉算法计算得到目标航天器中两条非共面直线在追踪航天器下的坐标值,然后根据普吕克直线方程得到这两条直线在两个坐标系下的相对位姿关系,最后通过采用奇异值分解的方法解算出两个航天器间的相对位姿信息。仿真结果表明该算法不仅实现了位置和姿态的统一测量,而且能够满足航天器交会对接相对位姿的测量要求,验证了该算法的科学合理性与解算快捷性。     

可见光/激光组合的相对位姿测量研究

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题，提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零，完成粗校准环节；然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算，获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明，在现有技术条件下，该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点，实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度，为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。     

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

基于激光扫描的火箭对接装配测量及调整技术

针对某型运载火箭水平和垂直对接高精度、高效率的装配需求，提出采用大尺寸非合作目标三维形貌测量仪辅助对接的方法。通过激光扫描测量运载火箭部段点云数据，拟合火箭对接面的形貌，反馈给对接执行机构调整位姿参数。理论分析和试验验证表明，该方法可有效提高对接装配精度和效率。     

基于多传感器测量的航天器舱段自动 对接位姿调整方法

针对航天器舱段对接通常采用的手工操作方式效率低、精度差和可靠性难以保证的问题,研发了一种基于多传感器测量的舱段自动对接装置,其中舱体位姿的测量和调整是保证对接质量和效率的关键因素。提出了一种基于激光轮廓传感器和CCD图像传感器等多传感器协同测量的舱段六自由度位姿估计和调整方法。首先,采用激光轮廓传感器对舱体进行扫描,获取位姿三维点云信息,并采用改进的最小二乘法对被测舱段位姿进行求解;然后,通过CCD图像传感器获取舱段对接孔位置,通过圆拟合计算角度偏差,求解和拟合的结果将反馈至控制系统进行调姿和对接。采用Gocator 2350激光轮廓传感器及大恒MER-1810-21U3C工业相机进行舱体测量和对接实验,结果表明,舱体位姿调整精度和效率均达到对接要求。该方法结合了激光轮廓传感器的可靠性和机器视觉的灵活性,有效提高了自动对接系统的效率、稳定性和一致性,足以满足未来军用以及民用的需求。      

数字化组合测量辅助飞机装配质量检测技术

针对单独使用激光跟踪仪测量大型飞机壁板类组件装配质量时存在曲面数据细节信息不易采集、测量效率低等问题,提出基于激光跟踪仪和关节臂测量仪的大型飞机壁板类组件数字化复合测量方法.在保证测量精度的前提下,将关节臂测量仪(AACMM)融入到激光跟踪仪测量场中,使用两种设备进行集成检测,对大型飞机部件成形细节信息进行全面采集.同时根据飞机部件装配过程测量环节的测量特征,在Spatial Analyzer软件基础上开发了飞机壁板类组件数字化复合测量工具集,实现了对测量过程中所涉及到的设备、数据的集中管控.通过实例,验证了测量方法的有效性和效率.      

基于正交设计的3-RPS并联机构精度分析与综合

为了分析3-RPS并联机构在整个工作空间内各个位姿参数对位姿误差的影响程度,并且使该机构在整个工作空间内都满足精度要求,利用正交设计的思想对该机构进行了精度分析与精度综合.根据正交设计的思想,把该机构的3个位姿参数看成对位姿误差有影响的3个因素,用位姿误差的极差值作为敏感系数,通过极差分析得到了位姿参数对位姿误差的影响程度.以敏感系数的比值为依据合理划分各个因素的水平数,使排列的正交表为精度综合提供更加合理的位姿,对表中的各个位姿进行精度综合,得到了给定精度要求下的21项几何原始误差的公差值.结果表明:用正交设计的思想可以分析清楚位姿参数对位姿误差的影响程度,精度综合结果使机构在整个工作空间内满足精度要求,为物理样机的研制提供了参考.      

基于双焦单目视觉的航天器间相对位姿确定算法

文章首先利用双焦成像算法确定航天器间的相对位置,再利用相对位置确定两个航天器间的相对姿态,最终获取相对位姿参数的解析解。在给定相机两个独立焦距条件下,对双焦深度估计误差进行分析,指出影响其精度的因素,并对相对位姿参数估计精度进行了讨论。最后,对该算法进行数学仿真,仿真结果表明该算法能够满足航天器相对位姿确定精度和实时计算要求。     

真空计量概述

近代真空技术作为一种实用的基础技术,由于它提供了稀薄的气体氛围和清洁的环境条件,获得了越来越广泛的应用。由此,对真空计量提出了不断增长的需要和发展。现在,它已成为计量学的一个新的独立分支。     

基于量子化、芯片化的先进计量测试技术发展动态

计量是国家质量基础的重要组成部分，产品质量的提升离不开科学、精准的计量。工业发达国家极为重视计量测试技术的发展。通过搜集、整理量子效应计量、芯片级计量等国内外大量文献资料，归纳分析了近年来国外先进计量测试技术发展动态与趋势。以量子技术和基本物理常数为基础建立量子计量基标准，将大幅提高测量准确度和稳定性，结合量子效应的微加工技术实现芯片尺度的测量等，微纳尺度计量技术也在科学研究、精密测量、智能制造等领域得到广泛应用。本文可为我国计量技术发展提供借鉴。     

批产航天器自测试系统设计

集成快检、存储快检与射前快检成为批产航天器亟待解决的问题。传统航天器综合测试模式存在测试效率低、测试改装部署繁琐、测试成本高、测试周期长和难以深入产品内部探查的问题,不能很好地适应批产研制与测发需求。针对该问题,从航天器可测试性与自测试设计出发,研究航天器自测试功能单元的设计方法、自测试通信交互模式、基于结构模型与行为模型的自测试诊断模型设计方法,设计了分层的自测试系统架构,通过总线快速调度自测试流程,提升快速检修能力,满足批产航天器快检需求。     

PROBA-3 mission and the Shadow Position Sensors: Metrology measurement concept and budget

PROBA-3 is a space mission of the European Space Agency that will test, and validate metrology and control systems for autonomous formation flying of two independent satellites. PROBA-3 will operate in a High Elliptic Orbit and when approaching the apogee at 6·10⁴ Km, the two spacecraft will align to realize a giant externally occulted coronagraph named ASPIICS, with the telescope on one satellite and the external occulter on the other one, at inter-satellite distance of 144.3 m. The formation will be maintained over 6 hrs across the apogee transit and during this time different validation operations will be performed to confirm the effectiveness of the formation flying metrology concept, the metrology control systems and algorithms, and the spacecraft manoeuvring. The observation of the Sun’s Corona in the field of view [1.08;3.0]R_Sun will represent the scientific tool to confirm the formation flying alignment. In this paper, we review the mission concept and we describe the Shadow Position Sensors (SPS), one of the metrological systems designed to provide high accuracy (sub-millimetre level) absolute and relative alignment measurement of the formation flying. The metrology algorithm developed to convert the SPS measurements in lateral and longitudinal movement estimation is also described and the measurement budget summarized.     

航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用

围绕航天器向大尺度、远距离发展所涉及的大尺度部件在轨展开技术中新工艺、新材料、新结构等，对现有航天器大尺度部件的折展机构进行了统计与分析，系统梳理了在轨航天器折展机构的技术参数、结构与组成等。介绍了折纸艺术、自回弹材料与记忆合金等新工艺、新材料在航天器太阳帆板、天线等大尺度部件上的应用。重点分析并梳理了新型结构的特性及其工作原理，包括：充气展开式、单轴旋转式、径向扩展式、单元重构式、延长伸展式等。最后，结合即将开展的载人登月与月球基地建设、太阳系探测等深空探测任务，对在轨航天器大尺度部件的折展结构与机构的发展趋势进行了展望。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式：地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

航天器电缆网测试方法探索

对航天器电缆网的特点、测试原理进行了详细的论述,并据此提出了电缆网测试仪应具备的功能及其亟待解决的问题。     

计量测试与航天科技

随着科学技术的发展,计量测试技术已渗透到国民经济的各个领域,从科研生产到贸易结算、从医疗卫生到人身安全、从环境保护到衣食住行.可以形象地说没有计量,人们就如同"盲人"一样生活在一片漆黑世界里.航天作为高科技产业,对计量更有着很强的依赖性.无论是火箭还是导弹,无论是卫星还是飞船,计量工作作为研制生产不可分割的一部分,贯穿于设计、加工、总装、测试和发射的全过程,并为评定航天产品的综合水平提供权威的依据.未来航天领域新工艺、新材料、新器件的应用,载人飞行技术的发展,航天测控、发射技术的提高,都对计量测试技术提出更高的要求.回顾国外航天大国航天事业的发展,计量在保证产品质量方面发挥了不可低估的作用.我国的航天事业正处在一个新的发展阶段."科技要发展,计量须先行".计量工作应抓住机遇,以型号需求为牵引,扎扎实实地为型号服务,为我国航天事业的发展贡献更大力量.     

考虑星历误差的天文测角/时间延迟量测组合导航方法

基于太阳震荡的时间延迟是一种新型天文导航量测量，可以提供探测器相对反射天体的距离信息，与星光角距量测量结合，可以提高导航性能。然而，星光角距量测模型与时间延迟量测模型均含有火卫一相对火星的位置矢量，火卫一的星历误差将影响导航精度。针对这一问题，提出了一种基于在线估计的天文测角/时间延迟量测组合导航方法，建立了包含火卫一位置及速度的状态模型，利用星光角距及时间延迟量测量同时对火卫一的位置和速度进行在线估计，仿真结果表明，提出的方法可以有效抑制火卫一星历误差对组合导航精度的影响，为探测器提供高精度的自主导航信息。