基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)

方厚招，薛景賽，孫延博，賈奧男，王潤澤，王 瑞

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

在衛(wèi)星工程領(lǐng)域，當(dāng)星體結(jié)構(gòu)和機構(gòu)因熱變形或機械振動發(fā)生變化時，相應(yīng)的載荷安裝底座會相對于其基準(zhǔn)產(chǎn)生變形，進(jìn)而使得載荷指向相對原始位置發(fā)生小角度的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生相應(yīng)的偏差，影響高精度測量載荷的測量精度。因此，有必要精確測量衛(wèi)星載荷指向微小轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的小角度變化量。

目前，角度測量技術(shù)主要有機械式、電磁式和光電式3 種[1]。隨著光電半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展，光電式測量技術(shù)因其測量精度高、易于數(shù)字化以及適用于多種環(huán)境等優(yōu)勢，而被更多地應(yīng)用在高精度角度測量中。Lee 等[2]研究通過激光跟蹤儀實現(xiàn)目標(biāo)點三維位置坐標(biāo)和姿態(tài)角度的測量，但所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，且整體系統(tǒng)適應(yīng)性較差。國內(nèi)很多學(xué)者同樣進(jìn)行了小角度測量方法的研究，但有些方法僅設(shè)計了一維角度測量，且實際測角精度受環(huán)境干擾較大[3]；有些三維姿態(tài)角測量方法的測量精度不高，且所需設(shè)備較為笨重，適用性不強[4]。在航天領(lǐng)域，有多位學(xué)者通過光學(xué)成像傳感器并結(jié)合視覺測量和圖像處理技術(shù)來實現(xiàn)目標(biāo)姿態(tài)及角度信息的獲取[5-6]，其中基于單目相機的測量系統(tǒng)可獲取較多精確信息，但對圖片像素要求較高，圖像處理算法較為復(fù)雜，同時高像素圖片的傳輸速度及算法處理時間會制約系統(tǒng)的實時性。還有一些新的小角度測量技術(shù)雖然具有較高的測量精度和靈敏度（尤其是激光干涉法），但相應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在較高的測量精度下進(jìn)行自動化測試，使用條件苛刻、環(huán)境適應(yīng)性差、成本高，尚不具備在軌應(yīng)用條件。而位置敏感探測器[7-8]（position sensitive detector,PSD）具有結(jié)構(gòu)簡單小巧，對被測環(huán)境背景和光學(xué)系統(tǒng)要求低，且無須存儲大量測試數(shù)據(jù)等優(yōu)勢[9-10]，為設(shè)計體積小、重量輕的小角度高精度實時測量系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

本文為滿足衛(wèi)星載荷指向高精度測量需求，設(shè)計了基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)，力求實現(xiàn)體積小、重量輕、測量精度高，適用于在軌小角度變化測量。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

PSD[11]是基于光電橫向效應(yīng)對光點位置敏感的探測器，當(dāng)光束照射在其光敏面不同位置時，PSD 將對應(yīng)輸出不同的電信號，對輸出的電信號進(jìn)行處理即可得到準(zhǔn)確的位置信息。PSD 可分為一維PSD 和二維PSD[12]，常見的二維PSD 有雙面結(jié)構(gòu)、四邊形結(jié)構(gòu)、枕形結(jié)構(gòu)以及直角形結(jié)構(gòu)等。

本文設(shè)計的基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)主要由高精度采集控制器、激光PSD 組件（含激光發(fā)射器、分光鏡組件和新型PSD）及反射器組成，見圖1。激光發(fā)射器主要實現(xiàn)激光束的產(chǎn)生和發(fā)射，分光鏡組件用于和2 個反射器配合實現(xiàn)光學(xué)測量。高精度采集控制器負(fù)責(zé)發(fā)送遙控指令，實現(xiàn)對激光發(fā)射器及PSD 的供電和控制，同時完成對PSD 輸出信號的采集、存儲和運算，最終獲取載荷指向的小角度變化。系統(tǒng)選用的新型PSD 為二維四邊形PSD。

圖1 基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)組成示意Fig.1 Diagram of the space load pointing measurement system based on laser PSD

基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)的主要工作原理為：激光發(fā)射器發(fā)出一束激光經(jīng)過分光棱鏡分成2 束，分別發(fā)射至反射器1 和反射器2 處，并分別被反射至PSD1 和PSD2 的光敏面；PSD1 和PSD2 感應(yīng)激光后形成光電流，再經(jīng)過電流?電壓變換處理后輸出給高精度采集控制器，最后通過高精度采集控制器中的載荷指向解算算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲取載荷指向的角度變化。當(dāng)載荷軸線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時，經(jīng)反射器反射的光線會發(fā)生對應(yīng)偏轉(zhuǎn)，通過PSD 光敏面測量光點偏移量可計算出載荷軸線的角度變化。

系統(tǒng)設(shè)計要求為：測量范圍±0.15°，俯仰角和傾斜角測量精度優(yōu)于0.002°，角度穩(wěn)定性優(yōu)于0.000 4°（3.5 h），重約6 kg，最大包絡(luò)尺寸219 mm×160 mm×140 mm。

2 載荷指向解算算法

2.1 測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)的布局和坐標(biāo)系定義如圖2 所示，Ox、Oy和Oz構(gòu)成右手系；反射器1 的水平傾角為α=62°，距激光PSD組件PSD1 光敏面的直線距離為L=0.838 m；反射器2 距激光PSD 組件PSD2 光敏面的水平距離為B=0.740 m；反射器1 和反射器2 的中心高度差H=0.448 m。

圖2 載荷指向測量系統(tǒng)布局和坐標(biāo)系示意Fig.2 Layout and coordinate system diagram of the load pointing measurement system

如圖3 所示，PSD1 通過Sx和Sy可以測量出載荷軸在PSD1 載體坐標(biāo)系繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動角度θ′x和θ′y，PSD2 通過Sz可以測量出載荷軸在基準(zhǔn)坐標(biāo)系繞z軸的轉(zhuǎn)動角度θz，計算式如下：

圖3 載荷指向測量系統(tǒng)測量原理示意Fig.3 Measurement principle diagram of the load pointing measurement system

PSD1 載體坐標(biāo)系由基準(zhǔn)坐標(biāo)系繞x軸順時針旋轉(zhuǎn)(90°?α)獲得，故可得到關(guān)系式

并解算出基準(zhǔn)坐標(biāo)系的角度變化為：

該測量系統(tǒng)的PSD1 和PSD2 有效光敏面積為20 mm×20 mm（如圖4 所示，b=10 mm）。PSD1的光點位置坐標(biāo)計算式為：

圖4 二維四邊形PSD 實物及光點位置坐標(biāo)示意Fig.4 Physical object and laser point position coordinates of the 2D quadrilateral PSD

式中：X1、X2、Y1、Y2為PSD1 的電流輸出；(Sx,Sy)為激光光點相對于PSD1 中心的坐標(biāo)位置。

參前述系統(tǒng)測量原理，將式(7)和式(8)代入式(5)和式(6)，可以得到相對基準(zhǔn)繞x軸轉(zhuǎn)動的俯仰角θx、繞y軸轉(zhuǎn)動的傾斜角θy為

式中，X3、X4為PSD2 的電流輸出。

2.2 軟件實現(xiàn)時序

基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)通過以下指令順序控制激光器的開啟以及采集頻率，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度測量：

1）發(fā)送“激光PSD 組件上電”指令，對激光PSD 組件同步供電，上電同步誤差≤10 ms；

2）發(fā)送“標(biāo)校測量開始”指令；

3）延時(2±0.1) s 采集激光PSD 組件各路輸出電壓，采樣頻率1 kHz，8 路輸出電路分別采集100 組數(shù)據(jù)，采集完成后開啟激光器；

4）延時(4±0.1) s 采集激光PSD 組件各路輸出電壓，采樣頻率1 kHz，8 路輸出電路分別采集100 組數(shù)據(jù)，采集完成后關(guān)閉激光器；

5）發(fā)送“標(biāo)校測量停止”指令；

6）發(fā)送“激光PSD 組件斷電”指令，對激光PSD組件同步斷電，斷電同步誤差≤10 ms。

其中需要說明的是，步驟3+步驟4 為1 個完整測量周期，系統(tǒng)在完成了1 個測量周期但未收到“標(biāo)校測量停止”指令時，自動重復(fù)進(jìn)行步驟3+步驟4，直至收到“標(biāo)校測量停止”指令并完成最后1 個完整周期測量后停止測量。完成整個測試時序后，軟件通過計算100 組數(shù)據(jù)的平均值作為數(shù)學(xué)模型中的輸入?yún)?shù)，最終獲取高精度的小角度變化量。

3 載荷指向測量系統(tǒng)實驗與分析

3.1 系統(tǒng)精度測試實驗

對系統(tǒng)精度進(jìn)行實驗測試，以美國生產(chǎn)的精度在萬分位的自準(zhǔn)直儀的測試值為參考值；令反射器1在俯仰和傾斜2 個方向分別旋轉(zhuǎn)-0.150°、-0.125°、-0.100°、-0.075°、-0.050°、-0.025°、0.000°、0.025°、0.050°、0.075°、0.100°、0.125°、0.150°，讀取并記錄載荷指向測量系統(tǒng)所測載荷軸線在測量坐標(biāo)系下修正后相對基準(zhǔn)繞x軸轉(zhuǎn)動的俯仰角θ′x、繞y軸轉(zhuǎn)動的傾斜角θ′y。系統(tǒng)精度測試設(shè)備連接見圖5。

圖5 系統(tǒng)精度測試設(shè)備連接Fig.5 Connection for system accuracy testing device

系統(tǒng)精度測試中，高精度自準(zhǔn)直儀和測量系統(tǒng)的俯仰角測量數(shù)據(jù)記錄如表1 所示，可以得到基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)相對于高精度自準(zhǔn)直儀的俯仰角測量偏差在±0.002°以內(nèi)。

表1 系統(tǒng)精度測試的俯仰角測量數(shù)據(jù)Table 1 Pitch angle measurement data of system precision testing

系統(tǒng)精度測試中，高精度自準(zhǔn)直儀和測量系統(tǒng)的傾斜角測量數(shù)據(jù)記錄如表2 所示，可以得到基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)相對于高精度自準(zhǔn)直儀的傾斜角測量偏差在±0.002°以內(nèi)。

表2 系統(tǒng)精度測試的傾斜角測量數(shù)據(jù)Table 2 Inclination angle measurement data of system precision testing

由表1 和表2 可以看出，基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)的載荷俯仰角和傾斜角測量范圍為±0.15°，測量精度優(yōu)于0.002°，具有高精度測量的性能。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試實驗

在基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)研制過程中對該系統(tǒng)進(jìn)行了角度穩(wěn)定性測試，結(jié)果如圖6 所示?？梢钥吹?，該測量系統(tǒng)在超過210 min（3.5 h）的測試過程中，角度穩(wěn)定性均優(yōu)于0.000 4°，表明該測量系統(tǒng)在滿足高精度角度測量的同時具有強穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)角度穩(wěn)定性測試Fig.6 Testing of angle stability of the system

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于激光PSD 的空間載荷指向測量系統(tǒng)，俯仰角和傾斜角測量范圍±0.15°，測量精度優(yōu)于0.002°，且角度測量穩(wěn)定性優(yōu)于0.000 4°（3.5 h），具備高精度及高穩(wěn)定性；同時，實現(xiàn)了體積小、重量輕，適用于在軌小角度變化測量。該系統(tǒng)不僅可滿足在軌因熱變形等因素產(chǎn)生的載荷指向小角度轉(zhuǎn)動的測量要求，同時可滿足地面測試中的小角度高精度測量需求。