衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)，涉及一種衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量方法及 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間飛行器一旦發(fā)射將難以維修，其特殊的運(yùn)行環(huán)境使其地面仿真試驗(yàn)顯得尤為 重要，因此，空間飛行器地面仿真系統(tǒng)的研宄分析具有重要的意義，其中地面仿真系統(tǒng)的核 心設(shè)備就是三軸氣浮臺(tái)。
[0003] 三軸氣浮臺(tái)依靠壓縮空氣在氣浮軸承與軸承座之間形成的氣膜，使模擬臺(tái)體浮 起，從而實(shí)現(xiàn)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件，以模擬空間飛行器在外層空間所受干擾力矩很 小的力學(xué)環(huán)境。作為空間飛行器運(yùn)動(dòng)模擬器，三軸氣浮臺(tái)進(jìn)行衛(wèi)星控制系統(tǒng)全物理仿真實(shí) 驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，是空間飛行器研制過(guò)程中的重要手段和方法。
[0004] 三軸氣浮臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地給出姿態(tài)角、角速率等姿 態(tài)信息，以便完成控制閉環(huán)，由于三軸氣浮臺(tái)的特殊結(jié)構(gòu)，以往用于轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量的裝置（如旋 轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電碼盤、光柵等）不適用于三軸氣浮臺(tái)的測(cè)量，需要考慮新的測(cè) 量方法和裝置。并且在目前實(shí)際應(yīng)用中，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)精度的高低直接關(guān)系到仿真試驗(yàn)的 效果。
[0005] 經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01110249979. 2,專利名稱為三軸氣浮臺(tái) 高精度姿態(tài)角測(cè)量裝置及其方法，該專利在三軸氣浮臺(tái)臺(tái)面底部四周安裝導(dǎo)軌、遮光簾和 標(biāo)志器，人工照明系統(tǒng)和數(shù)字C⑶攝像機(jī)安裝在可升降平臺(tái)上。數(shù)字C⑶攝像機(jī)采集標(biāo)志 器的圖像并傳輸?shù)截?fù)責(zé)圖像處理的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)對(duì)標(biāo)志器進(jìn)行亞像素定位，獲取標(biāo)志器 的精確坐標(biāo)，從而計(jì)算出標(biāo)志器與數(shù)字CCD攝像機(jī)之間的相對(duì)姿態(tài)角。但由于系統(tǒng)構(gòu)建上 的缺陷，測(cè)量精度受到限制，從而影響其實(shí)際使用范圍。
[0006] 中國(guó)發(fā)明專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01310134631.8,專利名稱為：三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角 及角速度測(cè)量裝置，該專利在三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上安裝智能側(cè)頭、陀螺儀和四面棱鏡， 在臺(tái)下安裝激光跟蹤儀和兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀，根據(jù)激光跟蹤儀、兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀和陀螺 儀的數(shù)據(jù)直接得到姿態(tài)信息。但是該專利在數(shù)據(jù)濾波處理部分，并沒(méi)有考慮到偏差四元數(shù) 模為1的約束條件，直接采用卡爾曼濾波，容易造成誤差方差陣發(fā)生奇異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)散， 姿態(tài)確定失敗。該專利沒(méi)有考慮到激光跟蹤儀和光電自準(zhǔn)直儀輸出信息的姿態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換、 陀螺儀量測(cè)坐標(biāo)系標(biāo)定等過(guò)程。此外，將數(shù)據(jù)處理與通信部分安排在臺(tái)下進(jìn)行，不符合實(shí)際 情況。
[0007] 在文獻(xiàn)"三軸氣浮臺(tái)單框伺服測(cè)角系統(tǒng)的研宄"（發(fā)表于宇航學(xué)報(bào)，1996,第17卷， 第4期，頁(yè)碼：71_74)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張曉友、劉敦和北京控制工程研宄所的李繼蘇 等提出了一種單框伺服測(cè)量方案，該系統(tǒng)在氣浮臺(tái)底座上安裝一個(gè)可以繞氣浮臺(tái)中心鉛垂 線轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧臂，并在其上安裝可以移動(dòng)的滑架，通過(guò)敏感圓弧臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑架的移動(dòng)測(cè) 量氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息。當(dāng)該系統(tǒng)需要增加復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和敏感器系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工程應(yīng) 用較困難，并且其精度受到機(jī)械裝置和敏感器的限制，很難達(dá)到高精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量方法及裝 置。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：一種衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量裝置， 采用的設(shè)備包括第一光電自準(zhǔn)直儀、第二光電自準(zhǔn)直儀、四面棱鏡和計(jì)算機(jī)；第一光電自準(zhǔn) 直儀和第二光電自準(zhǔn)直儀安裝于三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下，第一光電自準(zhǔn)直儀和第二光電自準(zhǔn)直儀 相互成90°安裝，四面棱鏡安裝在三軸氣浮臺(tái)臺(tái)上，計(jì)算機(jī)安裝在三軸氣浮臺(tái)臺(tái)下，第一光 電自準(zhǔn)直儀和第二光電自準(zhǔn)直儀與計(jì)算機(jī)連接；工作時(shí)，第一光電自準(zhǔn)直儀和第二光電自 準(zhǔn)直儀接收四面棱鏡反射的紅外光線，得到四面棱鏡相對(duì)第一光電自準(zhǔn)直儀和第二光電自 準(zhǔn)直儀的姿態(tài)，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收第一光電自準(zhǔn)直儀和第二光電自準(zhǔn)直儀的輸 出信息，根據(jù)雙紅外矢量姿態(tài)確定算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，最終給出三軸氣 浮臺(tái)的姿態(tài)信息。
[0010] 本發(fā)明還具有如下特征：
[0011] 1、采用如上所述的一種衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量裝置得出的測(cè) 量方法，如下：
[0012] 步驟1 :兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀接收四面棱鏡反射的紅外光線，得到四面棱鏡相對(duì)光 電自準(zhǔn)直儀的姿態(tài)；
[0013] 步驟2:光電自準(zhǔn)直儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送給臺(tái)下計(jì)算機(jī)；
[0014] 步驟3:計(jì)算機(jī)接收光電自準(zhǔn)直儀的輸出信息，根據(jù)雙紅外矢量姿態(tài)確定算法，進(jìn) 行數(shù)據(jù)融合和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，最終給出三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息；
[0015] 雙紅外矢量姿態(tài)確定算法如下：
[0016] 在參考坐標(biāo)系V中選擇兩個(gè)互不平行的參考矢量Vi，V2，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系U中的 坐標(biāo)為UpU2。則姿態(tài)矩陣Auv滿足條件：
[0017] 1^=AuvVpU2=AuvV2 (1)
[0018] 利用參考矢量的不平行性，在V系中建立正交坐標(biāo)系R，各軸單位矢量分別是：
[0019]
[0020] 同理，在U系中建立正交坐標(biāo)系S，各軸單位矢量分別是：
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0028] 本發(fā)明不僅適用于三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)確定問(wèn)題，同樣也能應(yīng)用于其他空間飛行器 地面物理仿真系統(tǒng)中，具有較廣泛的應(yīng)用范圍。光電自準(zhǔn)直儀具有較高的測(cè)量精度，配合姿 態(tài)確定算法，可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)超高精度的測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，姿態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于1"。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是超高精度姿態(tài)測(cè)量裝置的組成示意圖；
[0030] 圖2是四面棱鏡的標(biāo)定系統(tǒng)坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系示意圖；
[0031] 圖3是各坐標(biāo)系示意圖；
[0032]圖4是各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖；
[0033] 圖5是X軸姿態(tài)角；
[0034] 圖6是Y軸姿態(tài)角；
[0035] 圖7是Z軸姿態(tài)角。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0037] 實(shí)施例1:
[0038] 結(jié)合圖1，本發(fā)明衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量方法及裝置，采用的設(shè) 備包括第一光電自準(zhǔn)直儀1、第二光電自準(zhǔn)直儀2、四面棱鏡3和計(jì)算機(jī)4。第一光電自準(zhǔn)直 儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2相互成90°安裝于三軸氣浮臺(tái)的臺(tái)下，安裝位置可依據(jù)實(shí)驗(yàn)要 求調(diào)整；四面棱鏡3安裝在三軸氣浮臺(tái)的臺(tái)上；計(jì)算機(jī)4安裝在三軸氣浮臺(tái)的臺(tái)下；兩根數(shù) 據(jù)傳輸線通過(guò)USB接口分別連接第一光電自準(zhǔn)直儀1、第二光電自準(zhǔn)直儀2和計(jì)算機(jī)4。第 一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2接收四面棱鏡3反射的紅外光線，得到四面棱鏡 3相對(duì)光電自準(zhǔn)直儀的姿態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送給計(jì)算機(jī)4。計(jì)算機(jī)4接收第一光電自準(zhǔn) 直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2的輸出信息，根據(jù)雙紅外矢量姿態(tài)確定算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，最終給出三軸氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息。光電自準(zhǔn)直儀具有較高的測(cè)量精度，配 合姿態(tài)確定算法，可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)超高精度的測(cè)量。
[0039] 一種衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量方法，步驟如下：
[0040]步驟1:第一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2接收四面棱鏡3反射的紅外 光線，得到四面棱鏡3相對(duì)第一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2的姿態(tài)。
[0041] 步驟2:第一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送給計(jì)算 機(jī)4。
[0042] 步驟3:計(jì)算機(jī)4接收第一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2的輸出信息，根 據(jù)雙紅外矢量姿態(tài)確定算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，最終給出三軸氣浮臺(tái)的姿 態(tài)f目息。
[0043] 本發(fā)明衛(wèi)星地面物理仿真系統(tǒng)超高精度姿態(tài)測(cè)量裝置，其中光電自準(zhǔn)直儀可以選 用目前成熟的商用產(chǎn)品，如英國(guó)泰勒公司Ultra系列或德國(guó)穆勒公司的相關(guān)產(chǎn)品，測(cè)量精 度都優(yōu)于1"。第一光電自準(zhǔn)直儀1和第二光電自準(zhǔn)直儀2相