一种天线姿态精度测量系统及测量方法与流程

本发明涉及移动平行测试技术领域，更具体涉及一种天线姿态精度测量系统及测量方法。

背景技术

在卫星天线暗室测试过程中天线阵面与测试采样架探头行走面之间的位置精度关系至关重要，目前相关单位都是用机械式百分表固定在采样架探头位置，利用采样架行走路径，不断用百分表触针接触天线阵面来进行数据测量，最后根据测量数据，来调整天线阵面姿态，由于采样架移动过程很慢，移动时百分表需要将触针往后拔起，不然会划伤阵面，导致整个测量过程耗时耗力，且安全风险大，采样架行走系统是由后台人员操控，整个数据点采集位置后台人员是不清楚的，只能由前线专业人员告知后台人员一步一步的操作采样架行走到指定位置进行测量，所以有时会发生人为操作失误与行走系统发生错误指令，导致百分表测针有撞击阵面的风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于规避百分表配上采样架同时行走碰撞被测天线阵面和采样架行走错误导致的风险，提高测量速度。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种天线姿态精度测量系统，包括待测天线阵面和采样架，还包括关节臂、数据采集及计算系统以及电缆组件，所述关节臂设置在采样架与天线阵面之间，所述关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统进行数据通信，所述关节臂用于采集待测天线阵面上的待测点到采样架行走平面的距离，所述数据采集及计算系统实时接收关节臂采集的测量空间中的任意点坐标数值，以关节臂设备自身原点坐标为基准计算出任意点的相对坐标值，然后以多个点坐标拟合出需要的几何元素，并根据拟合的几何元素特征计算出各几何元素之间的位置关系，获取待测天线阵面的姿态精度。

进一步地，所述的几何元素包括点、直线、平面、圆中的一种或一种以上。

进一步地，所述各几何元素之间的位置关系包括平面到平面的距离、点到平面的距离或平面与平面间的角度。

本发明还保护一种采用所述的天线姿态精度测量系统进行天线姿态测量的方法，包括以下步骤：

将关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统连接，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，采集关节臂设备自身原点坐标，然后用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面一侧位置时的上下各至少一个点位坐标，同时采集采样架测头在天线阵面下方时，其下表面前后各至少一个点位坐标；

将采样架从待测天线阵面一侧位置移动到待测天线阵面相对应的另一侧位置再采集采样架测头上下各至少一个点位坐标，同时采集采样架测头在天线阵面下方时，其下表面前后各至少一个点位坐标；

用数据采集及计算系统将采集到的点坐标进行拟合，拟合出采样架行走路径的垂直平面p1和采样架行走路径的水平平面p2；

将采样架移出待测天线阵面所在区域，在同一坐标系下用关节臂继续采集天线阵面外表面水平中线上的左右对称位置各一个点的坐标，选取天线阵面垂直中线上下对称位置各一个点的坐标，继续用关节臂采集天线阵面下表面左右对称位置各一点的坐标，分别记录其坐标值；并将6个点的位置做点标记；

用数据采集及计算系统分别计算天线阵面表面水平垂直中线上的左右上下对称位置各一个点到p1的垂直距离，分别获得控制天线阵面的横滚方向精度和控制天线阵面的俯仰方向精度；再用数据采集及计算系统计算天线阵面下表面左右对称位置各一个点到p2的垂直距离，获得控制天线阵面的水平方向精度，通过调整横滚方向精度、俯仰方向精度以及水平方向精度来调整天线阵面的整体姿态精度。

进一步地，所述测量方法的具体过程如下：

将关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统连接，将关节臂设备自身原点坐标设为(x0、y0、z0)，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，首先用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面左侧位置时的上下两个点位坐标，分别记为(x1、y1、z1)与(x2、y2、z2)，同时采集采样架测头在下方位置时的下表面前后2个点位坐标，分别记为(x3、y3、z3)与(x4、y4、z4)；

将采样架从待测天线阵面左侧位置移动到待测天线阵面右侧位置，再采集采样架测头上下两个点位坐标，分别记为(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)，同时采集采样架测头在下方位置时的下表面前后2个点位坐标，分别记为(x7、y7、z7)与(x8、y8、z8)；

用数据采集及计算系统将采集到的8个点坐标进行最佳拟合，用(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)4个点坐标拟合出采样架行走路径的垂直平面p1；用(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)、(x7、y7、z7)与(x8、y8、z8)4个点坐标拟合出采样架行走路径的水平平面p2；

将采样架移出待测天线阵面所在区域，在同一坐标系下用关节臂继续采集天线阵面外表面水平垂直中线对称位置上的点坐标，即选取天线阵面左右对称位置各一个点记为d1、d2，其坐标值分别为(x9、y9、z9)与(x10、y10、z10)，；选取天线阵面上下对称位置各一个点，记为d3、d4，其坐标值分别为(x11、y11、z11)与(x12、y12、z12)，继续用关节臂采集天线阵面下表面左右对称位置各一点，记为d5、d6,，其坐标值分别为(x13、y13、z13)与(x14、y14、z14)；

用数据采集及计算系统计算d1、d2、d3以及d4到p1的垂直距离，分别记为h1、h2、h3、h4；再用数据采集及计算系统计算d5、d6到p2的垂直距离分别记为h5、h6，其中h1、h2控制天线阵面的横滚方向精度，h3、h4控制天线阵面的俯仰方向精度，h5、h6控制天线阵面的水平方向精度，通过调整h1、h2、h3、h4、h5、h6的精度来调整天线阵面的整体姿态精度。

本发明还保护一种天线姿态精度测量系统，包括待测天线阵面、采样架以及载荷舱，还包括关节臂、数据采集及计算系统、电缆组件、自准直经纬仪以及搭载在载荷舱顶部的一块基准四方棱镜与搭载在载荷舱底部两块基准四方棱镜，所述自准直经纬仪与关节臂相互独立，所述关节臂设置在采样架与天线阵面之间，所述关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统进行数据通信，所述关节臂用于采集待测天线阵面上的待测点到采样架行走平面的距离，所述自准直经纬仪用于测量空间中四方棱镜任意一面与大地的绝对角度，通过测量载荷舱上方的一个基准棱镜的两个垂直面与大地的夹角，就可以确定载荷舱在俯仰与水平方向的精度；

再通过关节臂测量载荷舱下方2个基准四方棱镜的正面到采样架的距离，来确定横滚方向的精度，通过上述方法测量载荷舱在水平、俯仰、横滚三个方向的精度，获取天线姿态精度调整信息。

进一步地，所述测量方法包括以下步骤：

将关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统连接，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，采集关节臂设备自身原点坐标，然后用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面两侧位置时的上下各一个点位坐标，分别记录其坐标值，用这些点坐标拟合出采样架行走路径的垂直平面p1；

用关节臂采集载荷舱底部与天线阵面平行的2个基准棱镜的水平面上的各一个中心点，分别记录其坐标值，用数据采集及计算系统计算各中心点到p1的垂直距离，通过各中心点到p1的距离控制载带荷舱阵面的横滚方向精度；

用自准直经纬仪测量载荷舱顶部与天线阵面平行的基准棱镜的水平面和与天线阵面垂直的垂直面的绝对角度，即与大地的夹角，其中载荷舱顶部与天线阵面平行的基准棱镜的水平面的绝对角度控制载荷舱的俯仰方向精度，载荷舱顶部与天线阵面垂直的垂直面的绝对角度控制载荷舱水平方向精度，从而通过调整载荷舱的横滚方向精度、载荷舱的俯仰方向精度以及载荷舱水平方向精度来调整带载荷舱阵面的姿态精度。

进一步地，所述测量方法具体过程如下：

将关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统连接，将关节臂设备自身原点坐标设为(x0、y0、z0)，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，首先用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面左侧位置时的上下两个点位坐标及(x1、y1、z1)与(x2、y2、z2)，采集采样架测头在待测天线阵面右侧位置时的上下两个点位坐标及(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)，用(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)4个点坐标拟合出采样架行走路径的垂直平面p1；

用关节臂采集载荷舱底部与天线阵面平行的2个基准棱镜的水平面上的各一个中心点，分别记为d7、d8，其坐标值分别为(x15、y15、z15)、(x16、y16、z16)，用数据采集及计算系统计算d7、d8到p1的垂直距离分别为h7、h8，通过h7、h8控制载荷舱的横滚方向精度；

用自准直经纬仪测量载荷舱顶部与天线阵面平行的基准棱镜的水平面和与天线阵面垂直的垂直面的绝对角度即与大地的夹角分别为a1、a2；a1控制载荷舱的俯仰方向精度，a2控制载荷舱水平方向精度，通过调整h7、h8、a1、a2来调整带载荷舱阵面的姿态精度。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、通过一种坐标系变换的算法实时采集空间中任意点坐标数据，将空间中任意点的坐标值变换到同一坐标系内；通过拟合采集的坐标点来构建采样架行走路径平面，取代采样架不断行走测量的方式，大大提高测量效率，节约人员，规避采样架行走错误行为造成碰撞被测天线阵面的风险。

2、可以在带载荷舱情况下省去制作百分表专用延长夹具，避免采样架测头带百分表延长夹具行走移动测量载荷舱底部与天线阵面平行的基准棱镜的水平面上的中心点时抖动降低测量精度，同时可以规避百分表撞坏基准棱镜的水平面的风险，大大提高测量效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的单块阵面测量系统结构结构示意图；

图2为本发明实施例1的单块阵面测量系统测量原理示意图，其中(a)主视图，示意水平方向精度，(b)俯视图，示意横滚方向精度，(c)为左视图，示意俯仰方向精度；

图3为本发明实施例1的单块阵面测量系统测量展示示意图；

图4为本发明实施例2的带载荷舱的多块天线阵面姿态精度测量原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的测量系统结构如图1所示，包括关节臂1、数据采集及计算系统3以及连接关节臂1与数据采集及计算系统3的电缆组件2、待测天线阵面4。所述关节臂1设置在采样架与天线阵面4之间，所述关节臂1通过电缆组件2与数据采集及计算系统3进行数据通信，所述关节臂1用于采集待测天线阵面4上的待测点到采样架行走平面的距离，所述数据采集及计算系统3实时接收关节臂1采集的测量空间中的任意点坐标数值，以关节臂1设备自身原点坐标为基准计算出任意点的相对坐标值，然后以多个点坐标拟合出需要的几何元素，并根据拟合的几何元素特征计算出各几何元素之间的位置关系，获取待测天线阵面的姿态精度。

所述卫星天线姿态精度主要是指三个位置方向上的精度即水平方向、横滚方向、俯仰方向。

本实施例的测量系统进行单阵面天线姿态精度调整的具体过程为：

将关节臂设备自身原点坐标设为(x0、y0、z0)，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，首先用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面左侧位置时的上下两个点位坐标，分别记为(x1、y1、z1)与(x2、y2、z2)，同时采集采样架测头测在天线阵面下方时其下表面前后2个点位坐标，分别记为(x3、y3、z3)与(x4、y4、z4)；

将采样架从待测天线阵面左侧位置移动到待测天线阵面右侧位置，再采集采样架测头上下两个点位坐标，分别记为(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)，同时采集采样架测头测在天线阵面下方时其下表面前后2个点位坐标，分别记为(x7、y7、z7)与(x8、y8、z8)；

用数据采集及计算系统将采集到的8个点坐标进行最佳拟合，用(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)4个点坐标拟合出采样架行走路径的垂直平面p1；用(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)、(x7、y7、z7)与(x8、y8、z8)4个点坐标拟合出采样架行走路径的水平平面p2；

将采样架移出待测天线阵面所在区域，在同一坐标系下用关节臂继续采集天线阵面表面水平垂直中线上的点坐标，即选取天线阵面左右对称位置各一个点记为d1、d2，其坐标值分别为(x9、y9、z9)与(x10、y10、z10)，；选取天线阵面上下对称位置各一个点，记为d3、d4，坐标,其坐标值分别为(x11、y11、z11)与(x12、y12、z12)，继续用关节臂采集天线阵面下表面左右对称位置各一点，记为d5、d6,，其坐标值分别为(x13、y13、z13)与(x14、y14、z14)；

如图2为单块阵面姿态精度测量系统测量展示示意图，用数据采集及计算系统计算d1、d2、d3以及d4到p1的垂直距离，分别记为h1、h2、h3、h4，再用数据采集及计算系统计算d5、d6到p2的垂直距离分别记为h5、h6，其中h1、h2控制天线阵面的横滚方向精度，h3、h4控制天线阵面的俯仰方向精度，h5、h6控制天线阵面的水平方向精度，通过调整h1、h2、h3、h4、h5、h6的精度来调整天线阵面的姿态精度。

本实施例的单块阵面姿态精度测量系统测量原理如图3所示，单块天线姿态精度调整即将三个方向的h1与h2调整到一定公差范围内即可。

实施例2

当多块天线单板组合安装到载荷舱后，最后在载荷舱上一起展开，形成一块大型阵面，而此时的姿态调整在展开前进行。本实施例的测量系统在实施例1的系统的基础上增加了2台自准直经纬仪通过对设置在载荷舱顶部的一块基准四方棱镜与载荷舱底部两块基准四方棱镜进行测量来调整载荷舱姿态，水平与俯仰方向精度通过测量载荷舱顶部的一块基准四方棱镜两个面的角度，横滚方向精度过测量载荷舱底部两块基准四方棱镜镜面到采样架行走路径面的距离；

载荷舱姿态精度测量原理如图4所示，其中图4(a)示意用自准直经纬仪测量顶部棱镜的两个面，得出的a1与a2两个角度值，通过调整阵面使得a1与a2满足要求即可，图4(b)示意用关节臂测量底部2个棱镜表面到采样架行走面的距离a3与a4，通过调整天线阵面，使得a3与a4满足在一定公差范围内即可；如果达不到上述要求，就需不断通过调整被测对象，让其满足理论要求。

本实施例的测量系统中数据采集与计算系统主要是实现通过将空间中任意点坐标转换到同一坐标系内，从而测量计算出空间中多点坐标，来通过计算拟合成最佳的虚拟平面，然后再通过测量被测物体上的任意点坐标，来计算此点到虚拟平面的距离。其具体计算过程为：

将关节臂通过电缆组件与数据采集及计算系统连接，将关节臂设备自身原点坐标设为(x0、y0、z0)，将关节臂放置在待测天线阵面与采样架之间，首先用关节臂采集采样架测头在待测天线阵面左侧位置时的上下两个点位坐标及(x1、y1、z1)与(x2、y2、z2)，采集采样架测头在待测天线阵面右侧位置时的上下两个点位坐标及(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)，用(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、(x5、y5、z5)与(x6、y6、z6)4个点坐标拟合出采样架行走路径的垂直平面p1；

用关节臂采集载荷舱底部与天线阵面平行的2个基准棱镜的水平面上的各一个中心点，分别记为d7、d8，其坐标值分别为(x15、y15、z15)、(x16、y16、z16)，用数据采集及计算系统计算d7、d8到p1的垂直距离分别为h7、h8，h7、h8控制载荷舱的横滚方向精度；

用自准直经纬仪测量载荷舱顶部与天线阵面平行的基准棱镜的水平面和与天线阵面垂直的垂直面的绝对角度即与大地的夹角分别为a1、a2；a1控制载荷舱的俯仰方向精度，a2控制载荷舱水平方向精度，通过调整h7、h8、a1、a2来调整载荷舱姿态精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。