一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法
【專利摘要】一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，建立了二維指向鏡分別繞滾動軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動時鏡面法線空間運動軌跡的數(shù)學模型；利用經(jīng)緯儀對鏡面法線的空間軌跡進行測量；結(jié)合數(shù)學模型和測量數(shù)據(jù)，利用特征根最小二乘法對數(shù)據(jù)進行處理；將數(shù)據(jù)處理結(jié)果作為依據(jù)反饋二維指向鏡控制器。本發(fā)明有效地提高了二維指向鏡指向精度的測量和反饋，大大改進了航天遙感器中指向控制器對二維指向鏡轉(zhuǎn)動角度的控制精度。
【專利說明】一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航天遙感器指向鏡指向精度的測量方法，特別涉及一種采用兩軸轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的二維指向鏡指向精度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二維指向鏡是航天遙感器中一種重要的掃描裝置，采用兩軸結(jié)構(gòu)，掃描視場比較大。二維指向鏡安裝完成后，由控制器發(fā)出指令控制轉(zhuǎn)動角度。二維指向裝置軸系的非正交性、旋轉(zhuǎn)變壓器旋變反饋信號的不準確性都會導致物方指向偏差，進而影響對物觀測精度。由于二維指向鏡裝置的復雜性和高精度要求，其指向精度的測量需要進行數(shù)學建模，關(guān)于二維指向鏡指向精度的測量并未見公開的資料報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，實現(xiàn)二維指向鏡指向的高精度測量。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，步驟如下:
[0005]I)將二維指向鏡上的俯仰軸伺服在固定位置不動，二維指向鏡上的滾動軸接收外部的控制指令，在預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)從起點轉(zhuǎn)到終點，每次增加一個固定角度；每轉(zhuǎn)到一個新的角度后，測量獲得二維指向鏡在該角度下的指向方向；
[0006]2)根據(jù)步驟I)獲得的二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時各角度下的指向方向，建立平面111數(shù)學模型，其中所有指向方向都在平面TI1內(nèi)；
[0007]3 )將二維指向鏡上的滾動軸伺服在固定位置不動，二維指向鏡上的俯仰軸、接收外部的控制指令，在預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)從起點轉(zhuǎn)到終點，每次增加一個固定角度；每轉(zhuǎn)到一個新的角度后，測量獲得二維指向鏡在該角度下的指向方向；
[0008]4)利用特征根最小二乘法，根據(jù)步驟3)獲得的二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時各角度下的指向方向，建立圓錐面數(shù)學模型，其中所有指向方向均在一個圓錐面內(nèi)，圓錐面底面構(gòu)成平面Π 2 ；
[0009]5)根據(jù)步驟2)建立的平面Π !數(shù)學模型，求解得到二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時的指向精度，根據(jù)步驟4)建立的圓錐面數(shù)學模型，求解得到二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時的指向精度。
[0010]所述步驟I)中二維指向鏡繞滾動軸的轉(zhuǎn)動范圍為-15°到+15°，每次增加1°。
[0011]所述步驟I)中使用經(jīng)緯儀來測量二維指向鏡指向方向。
[0012]所述步驟2)中建立平面Π !數(shù)學模型的具體方法為:
[0013]21)使用經(jīng)緯儀測量獲得步驟2)中各指向方向的空間角度；
[0014]22)將各空間角度轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯儀坐標系下的空間單位向量；
[0015]23)根據(jù)步驟22)獲得的所有空間單位向量的三維坐標擬合得到平面Π 10[0016]所述步驟5)中二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時的指向精度采用轉(zhuǎn)角誤差和晃動量來表征；所述的轉(zhuǎn)角誤差為利用步驟2)中建立的平面Π !內(nèi)相鄰兩次指向方向之間的夾角與外部控制指令之差；晃動量為利用步驟2)中建立的平面Π !內(nèi)指向方向與平面Π !的夾角。
[0017]所述步驟3)中二維指向鏡繞俯仰軸的轉(zhuǎn)動范圍為-30°到+30°，每次增加2°。
[0018]所述步驟4)中建立圓錐面數(shù)學模型的具體方法為:
[0019]41)使用經(jīng)緯儀測量獲得步驟3)中各指向方向的空間角度；
[0020]42)將各空間角度轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯儀坐標系下的空間單位向量，所有空間單位向量構(gòu)成空間圓錐數(shù)學模型；
[0021]43)根據(jù)步驟42)獲得的所有空間單位向量的三維坐標擬合得到圓錐模型底面
Π 2。
[0022]所述步驟5)中二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時的指向精度采用晃動量和轉(zhuǎn)角誤差來表征；所述的晃動量為步驟4)中建立的圓錐面內(nèi)指向方向的空間單位向量和圓錐面旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角；轉(zhuǎn)角誤差為步驟4)中建立的圓錐面內(nèi)指向方向的空間單位向量和轉(zhuǎn)動前指向空間單位向量之間的夾角在圓錐底面Π 2上的投影。
[0023]所述步驟5)中求解二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時的指向精度以及二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時的指向精度均采用特征根最小二乘法。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0025](I)對二維指向鏡俯仰軸不動繞滾動軸轉(zhuǎn)動時指向方向的空間軌跡建立了數(shù)學模型，使得二維指向鏡在該情況下的指向精度有明確的數(shù)學量進行表征。
[0026](2)對二維指向鏡滾動軸不動繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時指向方向的空間軌跡建立了數(shù)學模型，使得二維指向鏡在該情況下的指向精度有明確的數(shù)學量進行表征。。
[0027](3)結(jié)合數(shù)學模型和測量數(shù)據(jù)，利用特征根最小二乘法處理數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果作為二維指向鏡控制器的反饋依據(jù)，提高了指向精度。
[0028](4)通過數(shù)學建模、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果反饋等步驟，為二維指向鏡指向精度的測量提供了系統(tǒng)而又完善的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明方法流程圖。
[0030]圖2是本發(fā)明二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時指向方向空間軌跡模型示意圖。
[0031]圖3是本發(fā)明二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時指向方向空間軌跡模型示意圖。
【具體實施方式】
[0032]如圖2所示，本發(fā)明采用的二維指向鏡繞滾動軸轉(zhuǎn)動時指向精度測量裝置包括:掃描鏡1，控制器2，滾動軸3，俯仰軸4，經(jīng)緯儀5。
[0033]如圖3所示，本發(fā)明采用的二維指向鏡繞俯仰軸轉(zhuǎn)動時指向精度測量裝置包括:掃描鏡1，控制器2，滾動軸3，俯仰軸4，經(jīng)緯儀5。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明方法流程如下:
[0035](I)如圖2所示，將俯仰軸4伺服在固定角度不動，指向控制器2發(fā)出指令，使得滾動軸3從-15°轉(zhuǎn)動到+15°，每次增加1° ;用Leica經(jīng)緯儀5對二維指向鏡相應(yīng)的指向方向進行測量，測量過程中經(jīng)緯儀位置不動。
[0036](2)以經(jīng)緯儀的(0°，90° ), (270° ,90° )方向分別為+X和+Y軸建立右手正交坐標系，稱為測量坐標系，記為Σ ο,,坐標系的Z軸正方向豎直向上，此時X軸正方向為經(jīng)緯儀的零位。假設(shè)經(jīng)緯儀自準空間某方向P，水平角和豎直角分別為h和V，P點的空間向量分量在測量坐標系Σ ^中表示為:
[0037]x=sinvcosh
[0038]y=-sinvsinh(I)
[0039]Z=Cosv
[0040](3)以滾動軸+15°和-15°方向時的法線方向在測量坐標系Stl下的單位向量4 B力基準，建立法線方向運動軌跡模型:平面Π i，如圖1所示。
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于步驟如下: 1)將二維指向鏡上的俯仰軸(4)伺服在固定位置不動，二維指向鏡上的滾動軸(3)接收外部的控制指令，在預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)從起點轉(zhuǎn)到終點，每次增加一個固定角度；每轉(zhuǎn)到一個新的角度后，測量獲得二維指向鏡在該角度下的指向方向； 2)根據(jù)步驟I)獲得的二維指向鏡繞滾動軸(3)轉(zhuǎn)動時各角度下的指向方向，建立平面Π !數(shù)學模型，其中所有指向方向都在平面Π !內(nèi)； 3)將二維指向鏡上的滾動軸(3)伺服在固定位置不動，二維指向鏡上的俯仰軸(4)接收外部的控制指令，在預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)從起點轉(zhuǎn)到終點，每次增加一個固定角度；每轉(zhuǎn)到一個新的角度后，測量獲得二維指向鏡在該角度下的指向方向； 4)利用特征根最小二乘法，根據(jù)步驟3)獲得的二維指向鏡繞俯仰軸(4)轉(zhuǎn)動時各角度下的指向方向，建立圓錐面數(shù)學模型，其中所有指向方向均在一個圓錐面內(nèi)，圓錐面底面構(gòu)成平面Π 2 ； 5)根據(jù)步驟2)建立的平面Π!數(shù)學模型，求解得到二維指向鏡繞俯仰軸(4)轉(zhuǎn)動時的指向精度，根據(jù)步驟4)建立的圓錐面數(shù)學模型，求解得到二維指向鏡繞滾動軸(3)轉(zhuǎn)動時的指向精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟I)中二維指向鏡繞滾動軸(3)的轉(zhuǎn)動范圍為-15°到+15°，每次增加1°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟I)中使用經(jīng)緯儀(5)來測量二維指向鏡指向方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟2)中建立平面Π !數(shù)學模型的具體方法為: 21)使用經(jīng)緯儀(5)測量獲得步驟2)中各指向方向的空間角度； 22)將各空間角度轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯儀(5)坐標系下的空間單位向量； 23)根據(jù)步驟22)獲得的所有空間單位向量的三維坐標擬合得到平面Π10
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟5)中二維指向鏡繞俯仰軸(4)轉(zhuǎn)動時的指向精度采用轉(zhuǎn)角誤差和晃動量來表征；所述的轉(zhuǎn)角誤差為利用步驟2)中建立的平面Π !內(nèi)相鄰兩次指向方向之間的夾角與外部控制指令之差；晃動量為利用步驟2)中建立的平面Π !內(nèi)指向方向與平面Π !的夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟3)中二維指向鏡繞俯仰軸(4)的轉(zhuǎn)動范圍為-30°到+30°，每次增加2°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟4)中建立圓錐面數(shù)學模型的具體方法為: 41)使用經(jīng)緯儀(5)測量獲得步驟3)中各指向方向的空間角度； 42)將各空間角度轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯儀(5)坐標系下的空間單位向量，所有空間單位向量構(gòu)成空間圓錐數(shù)學模型； 43)根據(jù)步驟42)獲得的所有空間單位向量的三維坐標擬合得到圓錐模型底面Π2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟5)中二維指向鏡繞滾動軸(3)轉(zhuǎn)動時的指向精度采用晃動量和轉(zhuǎn)角誤差來表征；所述的晃動量為步驟4)中建立的圓錐面內(nèi)指向方向的空間單位向量和圓錐面旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角；轉(zhuǎn)角誤差為步驟4)中建立的圓錐面內(nèi)指向方向的空間單位向量和轉(zhuǎn)動前指向空間單位向量之間的夾角在圓錐底面Π 2上的投影。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天遙感器二維指向鏡指向精度測量方法，其特征在于:所述步驟5)中求解二維指向鏡繞俯仰軸(4)轉(zhuǎn)動時的指向精度以及二維指向鏡繞滾動軸(3)轉(zhuǎn)動時的指 向精度均采用特征根最小二乘法。
【文檔編號】G01M11/00GK103759922SQ201410029517
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】邢輝, 安超, 文高進, 宋俊儒, 穆生博, 康建兵, 彭宏剛 申請人:北京空間機電研究所