微米级高精度地在卫星中定位

海德汉直线光栅尺只需极小的安装空间

点击数:369 发布时间:2018-10-29
大利Airworks公司为OHB工程师伸出援助之手,为OHB提供一种特殊的安装工具IOU-PIT(光学仪器高精度安装工具)。在超净车间刚开始看到这款高性能的仪器时,引人注意的是吊车起吊的重物,而不是这款安装工具,这是高精度定位非常细小和轻质部件的安装工具,部件重量不超过20 kg。
微米级高精度地在卫星中定位

OHB Systems公司正在制造一款地表监测的全新超谱卫星EnMAP。该卫星中含5面反光镜、6个棱镜和三个摄像头以及电子组件,且正在被准确地安装在狭小空间中,部件之间的空间通常仅十分之一毫米。安装期间,必须杜绝这些部件接触,否则可能损坏这些敏感的部件。海德汉LIP 581直线光栅尺和POSITIP 880数显装置为其立下奇功。

正如“星际迷航”电影片头中所说:“太空,最后的疆域。”OHB的EnMAP卫星项目经理Gavin Staton和责任工程师Dave Mussett当然希望他们在卫星中能有更多的空间,尽管“外太空浩瀚无垠,但制造卫星时,我们实在无法获得宽敞的空间。不仅如此,我们的任务是最大限度地减少空间和重量。”因此,我们必须巧妙地利用安装空间中的每一个立方毫米,以最大限度地减少卫星的质量和尺寸,确保卫星在太空中和在陆地轨道上飞行。制造过程中,还必须保持极高的稳定性,这是该项目的难点,例如EnMAP卫星内迷宫般的布局。

由Airworks开发和制造的IOU-PIT安装工具位于OHB Systems公司ISO 5级超净车间中的数吨重量的大理石平台上,该超净车间为欧洲最大,IOU-PIT安装工具采用海德汉LIP  581直线光栅尺
由Airworks开发和制造的IOU-PIT安装工具位于OHB Systems公司ISO 5级超净车间中的数吨重量的大理石平台上,该超净车间为欧洲最大,IOU-PIT安装工具采用海德汉LIP  581直线光栅尺

杆、撑杆和敲击—组装中的严峻挑战

OHB Systems正在德国慕尼黑以西的Wessling工厂制造EnMAP卫星。A96高速公路上的大多数开车人在驶过不起眼的办公楼前时都无法想象该楼内的高科技程度。该办公楼的外表面丝毫看不出这里是欧洲最大的ISO 5级超净车间,这里正在组装EnMAP卫星。更准确地说,在这里组装部分而不是整个卫星,最初只组装该项目的核心组件 - 光学设备。

核心组件位于其外壳内,其底板由铝块铣削加工制成。其底座、外壁和内撑杆组成高刚性的单元,在该单位内安装复杂的光电设备的所有其它部件并进行连线。安装第一件时,尽管空间较大,但只能从一个方向接近该位置,也需要极高的精度。较大倾角的撑杆严重限制运动的自由度。

每增加一个部件,工作区中的空间就减少一些,直到可运动的范围减少到只有几个百分之一毫米。不仅光学组件—反光镜、棱镜和摄像头—不允许相互磕碰,外壳、工具也不允许任何接触,因为这些表面都非常敏感。即使轻微的划伤也影响光学系统成像,甚至可能导致无法使用。“无法使入射光正确地衍射,无法准确聚焦,反光镜无法正确地为摄像头导光。也就是说摄像头无法接收完整光照和光谱,严重时可能无任何光线到达摄像头。这将造成图像变形或不可用,甚至完全没有图像—这意味着EnMAP整个任务的失败,”Gavin Staton介绍光学组件无差错安装的重要性时说。

高精度的要求和在超净车间中的应用是IOU-PIT安装工具难以制造和使用海德汉光栅尺的决定性原因
高精度的要求和在超净车间中的应用是IOU-PIT安装工具难以制造和使用海德汉光栅尺的决定性原因

微米级高精度组装的安装工具

意大利Airworks公司为OHB工程师伸出援助之手,为OHB提供一种特殊的安装工具IOU-PIT(光学仪器高精度安装工具)。在超净车间刚开始看到这款高性能的仪器时,引人注意的是吊车起吊的重物,而不是这款安装工具,这是高精度定位非常细小和轻质部件的安装工具,部件重量不超过20 kg。IOU-PIT体积相当庞大,其尺寸达3040 mm x 2510 mm x 2300 mm和重量达2.5吨。难以制造的原因是IOU-PIT的要求十分严格,也就是说在超净车间安装和使用需要极高的精度。一方面需要极高的机械刚性,另一方面不允许使用超净车间禁止使用的许多材质。

IOU-PIT由位于意大利Monfalcone的Airworks公司工程师开发和制造。Airworks是一个独立的开发机构,他们开发先进的高科技项目,包括航空航天项目,Stefano Picinich负责IOU-PIT设备。“实际上,关于IOU-PIT的主要机械系统的设计,我们接触了多家定位系统的高端供应商。不幸的是,项目要求太高,快速打消了他们对项目的兴趣。最后,我们无法找到一个有勇气将我们的设备转换成实际工具的合作伙伴,”Picinich伴有苦笑地回忆开发过程时说。“因此,我们自己进行制造,幸运的是我们找到了测量技术合作伙伴海德汉公司,海德汉像我们一样没有畏惧高精度的要求。”

在卫星中安装光学系统需要超净和触敏的环境
在卫星中安装光学系统需要超净和触敏的环境

海德汉直线光栅尺和数显装置—准确地确定工具的顶端

海德汉增量式敞开直线光栅尺LIP 581以要求的高分辨率计算IOU-PIT各轴的位置值。该光栅尺提供位置值,在5 mm间距范围上其基线误差小于0.175 µm和细分误差仅±12 nm。而海德汉POSITIP 880数显装置显示位置值。

IOU-PIT以两个阶段移动EnMAP卫星的部件:由电机驱动的三个基本轴预定位部件,运动速度无影响。可选两种运动速度:1 mm/s和0.1 mm/s,或形象地说用蜗牛般速度和十分之一的蜗牛般速度。IOU-PIT的最大行程较大,达1250 mm x 1125 mm x 650 mm,500 mm行程上的最大位置误差仅50 µm。

在到安装位置的最后几毫米和几微米位置时,以及在卫星狭小工作区内进行运动时,由OHB的技术员借助安装工具完全由手动方式操作。一微米、一微米地移动部件,穿过迷宫中已安装的撑杆、部件和电缆直到达到最终位置。“这期间,我们必须紧紧盯住要安装的部件和数显装置,”Dave Mussett介绍这项精细的手动操作时说。“结果是我们设立了两道保险—首先我们自己目视观察物体,其次用显示清晰的POSITIP 880显示屏非常准确地显示位置值。”安装过程每天都由OHB Systems公司进行确认,他们信赖Airworks的IOU-PIT安装工具。到目前位置,全部部件都已准确地安装到位,而且毫发未损—这要归功于海德汉的直线光栅尺和数显装置。

从该俯视图可见卫星壳内狭小的工作区和定位安装工具需要的高精度
从该俯视图可见卫星壳内狭小的工作区和定位安装工具需要的高精度

EnMAP项目

EnMAP(环境遥感和分析计划)是德国地表监测的超谱卫星项目。成像光谱仪测量由地表反射的太阳光辐射,光谱范围从可见光到短波红外线,以精确地描述地表状况及其变化。这样可以反映全球范围的环境、农业、土地利用、水资源管理和地质方面的最新变化。

EnMAP卫星携带的成像光谱仪可以用250个窄带的连续光谱绘制地表图。因此,EnMAP卫星提供有关植被、土地利用、岩石面和水资源的量化和诊断信息。这些信息也提供岩石的矿物成份、空气污染对植被寿命的影响以及土壤污染的程度。

该卫星在650公里的轨道上记录地表扫描的数据,扫描分辨率为30 x 30米。该卫星可沿垂直于飞行方向进行不超过±30度的倾斜,在同一个地点进行4天的比较性观测,为此EnMAP非常适用于记录空间-时间变化,例如植被的侵害过程或周期。光谱地表观测提供大量信息,大量不同的自然环境如何形成生态系统以及如何扩散—例如受人影响的海岸带和人文景观以及草原、沙漠和森林区。

EnMAP项目由位于波茨坦的德国地学研究中心(GFZ)负责科学指导,DLR宇航中心负责该项目的整体管理。OHB Systems公司是整个项目的主要承包商,开发专用的超谱遥感卫星,包括仪器和飞行器总线。位于德国奥伯法芬霍芬的DLR负责建立和设立地面设施。卫星的操作和数据接收由德国太空控制中心(GSOC)及德国遥感数据中心(DFD)和遥感技术研究院(IMF)共同执行。

已为OHB Systems公司完成的工作,该公司是EnMAP的主承包商,也是与DLR签订合同的合同方,资金来自德国联邦经济事物和能源部,该项目参考号为50 EP 0801。