微米級(jí)高精度地在衛(wèi)星中定位

OHB Systems公司正在制造一款地表監(jiān)測的全新超譜衛(wèi)星EnMAP。該衛(wèi)星中含5面反光鏡、6個(gè)棱鏡和三個(gè)攝像頭以及電子組件，且正在被準(zhǔn)確地安裝在狹小空間中，部件之間的空間通常僅十分之一毫米。安裝期間，必須杜絕這些部件接觸，否則可能損壞這些敏感的部件。海德漢LIP 581直線光柵尺和POSITIP 880數(shù)顯裝置為其立下奇功。

正如“星際迷航”電影片頭中所說：“太空，最后的疆域?！監(jiān)HB的EnMAP衛(wèi)星項(xiàng)目經(jīng)理Gavin Staton和責(zé)任工程師Dave Mussett當(dāng)然希望他們在衛(wèi)星中能有更多的空間，盡管“外太空浩瀚無垠，但制造衛(wèi)星時(shí)，我們實(shí)在無法獲得寬敞的空間。不僅如此，我們的任務(wù)是最大限度地減少空間和重量?！币虼?，我們必須巧妙地利用安裝空間中的每一個(gè)立方毫米，以最大限度地減少衛(wèi)星的質(zhì)量和尺寸，確保衛(wèi)星在太空中和在陸地軌道上飛行。制造過程中，還必須保持極高的穩(wěn)定性，這是該項(xiàng)目的難點(diǎn)，例如EnMAP衛(wèi)星內(nèi)迷宮般的布局。

由Airworks開發(fā)和制造的IOU-PIT安裝工具位于OHB Systems公司ISO 5級(jí)超凈車間中的數(shù)噸重量的大理石平臺(tái)上，該超凈車間為歐洲最大，IOU-PIT安裝工具采用海德漢LIP  581直線光柵尺。

桿、撐桿和敲擊—組裝中的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

OHB Systems正在德國慕尼黑以西的Wessling工廠制造EnMAP衛(wèi)星。A96高速公路上的大多數(shù)開車人在駛過不起眼的辦公樓前時(shí)都無法想象該樓內(nèi)的高科技程度。該辦公樓的外表面絲毫看不出這里是歐洲最大的ISO 5級(jí)超凈車間，這里正在組裝EnMAP衛(wèi)星。更準(zhǔn)確地說，在這里組裝部分而不是整個(gè)衛(wèi)星，最初只組裝該項(xiàng)目的核心組件 - 光學(xué)設(shè)備。

核心組件位于其外殼內(nèi)，其底板由鋁塊銑削加工制成。其底座、外壁和內(nèi)撐桿組成高剛性的單元，在該單位內(nèi)安裝復(fù)雜的光電設(shè)備的所有其它部件并進(jìn)行連線。安裝第一件時(shí)，盡管空間較大，但只能從一個(gè)方向接近該位置，也需要極高的精度。較大傾角的撐桿嚴(yán)重限制運(yùn)動(dòng)的自由度。

每增加一個(gè)部件，工作區(qū)中的空間就減少一些，直到可運(yùn)動(dòng)的范圍減少到只有幾個(gè)百分之一毫米。不僅光學(xué)組件—反光鏡、棱鏡和攝像頭—不允許相互磕碰，外殼、工具也不允許任何接觸，因?yàn)檫@些表面都非常敏感。即使輕微的劃傷也影響光學(xué)系統(tǒng)成像，甚至可能導(dǎo)致無法使用?！盁o法使入射光正確地衍射，無法準(zhǔn)確聚焦，反光鏡無法正確地為攝像頭導(dǎo)光。也就是說攝像頭無法接收完整光照和光譜，嚴(yán)重時(shí)可能無任何光線到達(dá)攝像頭。這將造成圖像變形或不可用，甚至完全沒有圖像—這意味著EnMAP整個(gè)任務(wù)的失敗，”Gavin Staton介紹光學(xué)組件無差錯(cuò)安裝的重要性時(shí)說。

高精度的要求和在超凈車間中的應(yīng)用是IOU-PIT安裝工具難以制造和使用海德漢光柵尺的決定性原因。

微米級(jí)高精度組裝的安裝工具

意大利Airworks公司為OHB工程師伸出援助之手，為OHB提供一種特殊的安裝工具IOU-PIT（光學(xué)儀器高精度安裝工具）。在超凈車間剛開始看到這款高性能的儀器時(shí)，引人注意的是吊車起吊的重物，而不是這款安裝工具，這是高精度定位非常細(xì)小和輕質(zhì)部件的安裝工具，部件重量不超過20 kg。IOU-PIT體積相當(dāng)龐大，其尺寸達(dá)3040 mm x 2510 mm x 2300 mm和重量達(dá)2.5噸。難以制造的原因是IOU-PIT的要求十分嚴(yán)格，也就是說在超凈車間安裝和使用需要極高的精度。一方面需要極高的機(jī)械剛性，另一方面不允許使用超凈車間禁止使用的許多材質(zhì)。

IOU-PIT由位于意大利Monfalcone的Airworks公司工程師開發(fā)和制造。Airworks是一個(gè)獨(dú)立的開發(fā)機(jī)構(gòu)，他們開發(fā)先進(jìn)的高科技項(xiàng)目，包括航空航天項(xiàng)目，Stefano Picinich負(fù)責(zé)IOU-PIT設(shè)備?！皩?shí)際上，關(guān)于IOU-PIT的主要機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們接觸了多家定位系統(tǒng)的高端供應(yīng)商。不幸的是，項(xiàng)目要求太高，快速打消了他們對項(xiàng)目的興趣。最后，我們無法找到一個(gè)有勇氣將我們的設(shè)備轉(zhuǎn)換成實(shí)際工具的合作伙伴，”Picinich伴有苦笑地回憶開發(fā)過程時(shí)說?！耙虼耍覀冏约哼M(jìn)行制造，幸運(yùn)的是我們找到了測量技術(shù)合作伙伴海德漢公司，海德漢像我們一樣沒有畏懼高精度的要求。”

在衛(wèi)星中安裝光學(xué)系統(tǒng)需要超凈和觸敏的環(huán)境。

海德漢直線光柵尺和數(shù)顯裝置—準(zhǔn)確地確定工具的頂端

海德漢增量式敞開直線光柵尺LIP 581以要求的高分辨率計(jì)算IOU-PIT各軸的位置值。該光柵尺提供位置值，在5 mm間距范圍上其基線誤差小于0.175 μm和細(xì)分誤差僅±12 nm。而海德漢POSITIP 880數(shù)顯裝置顯示位置值。

IOU-PIT以兩個(gè)階段移動(dòng)EnMAP衛(wèi)星的部件：由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三個(gè)基本軸預(yù)定位部件，運(yùn)動(dòng)速度無影響?？蛇x兩種運(yùn)動(dòng)速度：1 mm/s和0.1 mm/s，或形象地說用蝸牛般速度和十分之一的蝸牛般速度。IOU-PIT的最大行程較大，達(dá)1250 mm x 1125 mm x 650 mm，500 mm行程上的最大位置誤差僅50 μm。

在到安裝位置的最后幾毫米和幾微米位置時(shí)，以及在衛(wèi)星狹小工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由OHB的技術(shù)員借助安裝工具完全由手動(dòng)方式操作。一微米、一微米地移動(dòng)部件，穿過迷宮中已安裝的撐桿、部件和電纜直到達(dá)到最終位置?！斑@期間，我們必須緊緊盯住要安裝的部件和數(shù)顯裝置，”Dave Mussett介紹這項(xiàng)精細(xì)的手動(dòng)操作時(shí)說。“結(jié)果是我們設(shè)立了兩道保險(xiǎn)—首先我們自己目視觀察物體，其次用顯示清晰的POSITIP 880顯示屏非常準(zhǔn)確地顯示位置值?！卑惭b過程每天都由OHB Systems公司進(jìn)行確認(rèn)，他們信賴Airworks的IOU-PIT安裝工具。到目前位置，全部部件都已準(zhǔn)確地安裝到位，而且毫發(fā)未損—這要?dú)w功于海德漢的直線光柵尺和數(shù)顯裝置。

從該俯視圖可見衛(wèi)星殼內(nèi)狹小的工作區(qū)和定位安裝工具需要的高精度。

EnMAP項(xiàng)目

EnMAP（環(huán)境遙感和分析計(jì)劃）是德國地表監(jiān)測的超譜衛(wèi)星項(xiàng)目。成像光譜儀測量由地表反射的太陽光輻射，光譜范圍從可見光到短波紅外線，以精確地描述地表狀況及其變化。這樣可以反映全球范圍的環(huán)境、農(nóng)業(yè)、土地利用、水資源管理和地質(zhì)方面的最新變化。

EnMAP衛(wèi)星攜帶的成像光譜儀可以用250個(gè)窄帶的連續(xù)光譜繪制地表圖。因此，EnMAP衛(wèi)星提供有關(guān)植被、土地利用、巖石面和水資源的量化和診斷信息。這些信息也提供巖石的礦物成份、空氣污染對植被壽命的影響以及土壤污染的程度。

該衛(wèi)星在650公里的軌道上記錄地表掃描的數(shù)據(jù)，掃描分辨率為30 x 30米。該衛(wèi)星可沿垂直于飛行方向進(jìn)行不超過±30度的傾斜，在同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行4天的比較性觀測，為此EnMAP非常適用于記錄空間-時(shí)間變化，例如植被的侵害過程或周期。光譜地表觀測提供大量信息，大量不同的自然環(huán)境如何形成生態(tài)系統(tǒng)以及如何擴(kuò)散—例如受人影響的海岸帶和人文景觀以及草原、沙漠和森林區(qū)。

EnMAP項(xiàng)目由位于波茨坦的德國地學(xué)研究中心（GFZ）負(fù)責(zé)科學(xué)指導(dǎo)，DLR宇航中心負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的整體管理。OHB Systems公司是整個(gè)項(xiàng)目的主要承包商，開發(fā)專用的超譜遙感衛(wèi)星，包括儀器和飛行器總線。位于德國奧伯法芬霍芬的DLR負(fù)責(zé)建立和設(shè)立地面設(shè)施。衛(wèi)星的操作和數(shù)據(jù)接收由德國太空控制中心（GSOC）及德國遙感數(shù)據(jù)中心（DFD）和遙感技術(shù)研究院（IMF）共同執(zhí)行。

已為OHB Systems公司完成的工作，該公司是EnMAP的主承包商，也是與DLR簽訂合同的合同方，資金來自德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事物和能源部，該項(xiàng)目參考號(hào)為50 EP 0801。