激光跟蹤儀測量基準立方鏡中心點位置的精測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)測量技術領域，具體涉及激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在光學基準立方鏡測量中心點位上的應用。
【背景技術】
[0002]航天器上有安裝精度要求的設備，常用光學基準立方鏡作為設備安裝精度測量的測量基準，一般為20mmX20mmX20mm規(guī)格的正立方體，加工精度為3"。而該基準立方鏡中心位置在航天器結構基準上的坐標值，通常是代表用戶所需要被測量設備在航天器結構坐標系的位置精度。而隨著航天器在軌對接、姿態(tài)控制等的高精度的需求，對基準立方鏡中心點位測量的不確定度也提出更高的需求。如1m內滿足0.1mm不確定度測量需求，或在20m內實現(xiàn)0.2mm的需求。
[0003]以往航天器基準立方鏡中心的測量采取2臺經瑋儀前方交會測量原理，需要兩個操作人員，通過人眼進行瞄點，通過測量基準立方鏡正交的2個面中心點，再向鏡內縮進1mm的量值，來計算基準立方鏡中心點位置的方法，該方法受測量環(huán)境、場地及2臺經瑋儀架設位置所限，人為瞄點操作差異等對經瑋儀測量系統(tǒng)測量點位測量的不確定度影響較大，在5m內可做到小于0.2mm的測量精度，總之經瑋儀測量系統(tǒng)測量精度低、速度慢，效率較低。
[0004]目前，國內外精測所用的儀器設備主要包括:經瑋儀測量系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)、三坐標測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、激光雷達掃描測量系統(tǒng)等等。精度最高的測量系統(tǒng)屬激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，最高測量精度達到< 0.5ym/m;80m測量量程內測量精度可達到(10 μ m ;采用速率彡1000點/秒，而針對基準立方鏡中心點的測量，無疑激光跟蹤儀測量是精度最高的。而如何實現(xiàn)激光跟蹤儀對立方鏡中心的測量及如何保證測量精度是至關重要的。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種新的激光跟蹤儀測量基準立方鏡中心點位置的精測方法，旨在提高測量精度和工作效率。
[0006]為達到以上目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0007]一種激光跟蹤儀測量基準立方鏡中心點位置的精測方法，包括如下步驟:
[0008]I)根據(jù)被測量基準立方鏡的位置，調節(jié)激光跟儀架設的高度并固定位置；
[0009]2)激光跟蹤儀測量系統(tǒng)進行聯(lián)機預熱30分鐘，啟動電腦進人激光跟蹤儀標校程序，利用1.5"靶鏡、1.5"的平面底座進行前視/后視精度標定和補償；
[0010]3)退出標校菜單，進人SA軟件測量系統(tǒng)，進行選型聯(lián)機，并選擇點測量菜單；
[0011]4)用IFM干涉測量，選擇0.5"小靶鏡在立方鏡的三個正交面上分別均勻選擇不低于5個測量點，測量順序按照逆時針測量方式；
[0012]5)選取符合右手法則的方式，構造平面，偏移量選取向下偏移0.5"小靶鏡的半徑尺寸(6.35mm)，分別對應定義為A面、B面、C面；
[0013]6)選取構造坐標系的方式為三個面的方法，將A面、B面、C面擬合成坐標系，偏移量選取立方鏡長度的二分之一，最終得到由三個正交面構造的坐標系設為基準立方鏡坐標系；
[0014]7)基準立方鏡坐標系的原點坐標值即為激光跟蹤儀測量的基準立方鏡中心點位置。
[0015]其中，0.5"小靶鏡的半徑尺寸為6.35mm。
[0016]本發(fā)明完全取代了用經瑋儀測量基準立方鏡中心位置的方法，具有如下效果:
[0017]本發(fā)明的測量方法較之經瑋儀、激光雷達、攝影測量等測量系統(tǒng)，是測量基準立方鏡中心精度最高的方法。而且，測量精度受儀器擺放位置的影響小，測量精度穩(wěn)定性好，速度快，大大提高了測量效率。
【附圖說明】
[0018]圖1為基準立方鏡三個正交面及中心位置示意圖。
[0019]其中:1-1為立方鏡A面；1-2為立方鏡B面；1_3為立方鏡C面；1_4為立方鏡中心點。
[0020]圖2為本發(fā)明的激光跟蹤儀的設置示意圖。
[0021]其中:2-1為激光跟蹤儀'2-2為激光跟蹤儀支架。
[0022]圖3為本發(fā)明的方法中立方鏡鏡面測量點的設置方向示意圖。
[0023]其中:3-1為基準鏡面上的第I點；3_2為基準鏡面上的第2點；3_3為基準鏡面上的第3點。
[0024]圖4為本發(fā)明的方法中激光測量附件的示意圖。
[0025]其中:4-1為激光跟蹤儀1.5"測量靶球；4_2為激光跟蹤儀1.5"底座；4_3為激光跟蹤儀0.5"測量革巴球。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖對本發(fā)明的測量過程進行詳細說明，這些說明僅僅是示意性的，并不旨在對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。
[0027]1.激光跟蹤儀測量基準立方鏡中心的所需設備及附件
[0028]激光跟蹤儀測量系統(tǒng)包括激光跟蹤儀機頭、激光跟蹤儀專用支架、筆記本電腦、激光跟蹤儀控制箱、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)配置標校軟件TrackerCalib及Spatial Analyzer測量軟件(簡稱SA軟件)。
[0029]測量所需工裝附件:膠槍及適量膠棒(外購即可)、規(guī)格為20mmX20mmX20mm立方鏡、激光跟蹤儀1.5"靶鏡、0.5"靶鏡、1.5"的平面底座(靶球及底座是激光跟蹤儀測量系統(tǒng)標配的附件)。
[0030]I)根據(jù)圖1基準立方鏡的位置，在距離3m?5m的距離，放置本發(fā)明的激光跟蹤儀
2-1和支撐激光跟蹤儀的激光跟蹤儀支架2-2，其具體結構參見圖2。調節(jié)激光跟蹤儀支架到合適高度(確定基準立方鏡的三個正交面3-1基準鏡A面、3-2基準鏡B面、3-3基準鏡C面都能被激光跟蹤儀測量頭跟蹤到，設置方向參見圖3)。將膠棒裝入膠槍中，插電進行預熱；用預熱好的膠槍將激光跟蹤儀支架固定。
[0031]2)連接激光跟蹤儀、控制箱及筆記本電腦的連線；啟動電腦，進人TrackerCalib程序，對激光跟蹤儀進行預熱30分鐘。利用4-1激光跟蹤儀1.5"靶鏡、4-2激光跟蹤儀1.5"的平面底座，在基準立方鏡擺置的附近，進行前視/后視精度標定和補償，補償結果控制在0.0Olmm以內，其中激光測量附件的示意圖見圖4。
[0032]3)退出標校菜單，進人SA軟件測量系統(tǒng)，進行聯(lián)機操作，然后選擇點測量菜單。
[0033]4)用IFM干涉測量，選擇4-3激光跟蹤儀0.5 "小靶鏡，分別在圖1基準立方鏡的A面、B面、C面三個正交面上，測量順序按照圖3中標明的3-1基準鏡面第I點；3-2基準鏡面第2點；3-3基準鏡面第3點；逆時針測量方式；均勻選擇不低于5個測量點進行測量。
[0034]5)通過點測量獲取其在激光跟蹤儀坐標系下的三維點坐標值。將測量每個面上的點通過最小二乘擬合，計算出最小二乘擬合平面，構造平面時，選取符合右手法則的方式，選取偏移量向下偏移6.35mm(0.5"小靶鏡的半徑尺寸)，分別對應定義為A面、B面、C面。
[0035]6)用A面、B面、C面三個正交面構造坐標系，偏移量選取二分之一的立方鏡的長度，最終得到由A面、B面、C面三個正交面構造的坐標系設置為基準立方鏡坐標系；
[0036]7)基準立方鏡坐標系的原點坐標值即為激光跟蹤儀測量的圖1中所示的1-4基準鏡中心點位置。
[0037]測量的基準立方鏡規(guī)格尺寸可有所不同，基準鏡面上的選取點也可不同，基準立方鏡的加工精度也可有差異，但均可采用該方法測量基準立方鏡面上的點，及構造面及坐標系，即數(shù)據(jù)處理方法同前就可得到立方鏡中心點位置的坐標值。
[0038]本發(fā)明的測量方法能夠滿足在1m范圍內測量基準立方鏡(規(guī)格20mmX20mmX20mm,面與面之間夾角小于3")中心位置測量擴展不確定度達到U =
0.07mm，K = 2(置信區(qū)間95% )的精度。
[0039]盡管上文對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發(fā)明的精神和所附的權利要求所記載的范圍。
【主權項】
1.一種激光跟蹤儀測量基準立方鏡中心點位置的精測方法，包括如下步驟: 1)根據(jù)被測量基準立方鏡的位置，調節(jié)激光跟儀架設的高度并固定位置； 2)激光跟蹤儀測量系統(tǒng)進行聯(lián)機預熱30分鐘，啟動電腦進人激光跟蹤儀標校程序，利用1.5"靶鏡、1.5"的平面底座進行前視/后視精度標定和補償； 3)退出標校菜單，進人SA軟件測量系統(tǒng)，進行選型聯(lián)機，并選擇點測量菜單； 4)用IFM干涉測量，選擇0.5"小靶鏡在立方鏡的三個正交面上分別均勻選擇不低于5個測量點，測量順序按照逆時針測量方式； 5)選取符合右手法則的方式，構造平面，偏移量選取向下偏移0.5"小靶鏡的半徑尺寸(6.35mm)，分別對應定義為A面、B面、C面； 6)選取構造坐標系的方式為三個面的方法，將A面、B面、C面擬合成坐標系，偏移量選取立方鏡長度的二分之一，最終得到由三個正交面構造的坐標系設為基準立方鏡坐標系； 7)基準立方鏡坐標系的原點坐標值即為激光跟蹤儀測量的基準立方鏡中心點位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中，0.5"小靶鏡的半徑尺寸為6.35mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基準立方鏡中心位置的精測方法，利用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)實現(xiàn)對立方鏡中心位置的測量，該方法在飛船二期型號中得到了充分的驗證。具體方法是：通過激光跟蹤儀及標準配置的0.5″的小靶鏡，對基準立方鏡的三個正交面進行點位測量，利用最小二乘擬合計算每個面的平面，再通過三個正交面平移擬合計算成三個坐標系，坐標原點即為所要的基準立方鏡中心位置。本發(fā)明完全取代了用經緯儀測量基準立方鏡中心位置的方法，滿足在10m范圍內測量基準立方鏡中心位置精度在0.07mm的精度，測量精度受儀器擺放的位置的影響小，測量精度穩(wěn)定，精度高，速度快，大大提高了測量效率。
【IPC分類】G01B11-00
【公開號】CN104596420
【申請?zhí)枴緾N201510037500
【發(fā)明人】任春珍, 劉浩淼, 王偉, 易旺民, 馬強, 萬畢樂, 郭潔瑛, 閆榮鑫, 段晨旭, 劉笑, 阮國偉, 陶力
【申請人】北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月26日