CN104990533B - 卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置，测量装置包括两台光电自准直仪、四面棱镜和计算机，两台电自准直仪安装于三轴气浮台台下并且两台电自准直仪与计算机连接，两台电自准直仪相互成90°，四面棱镜安装在三轴气浮台台上，计算机安装在三轴气浮台台下，两台光电自准直仪测量四面棱镜的相对姿态，根据双红外矢量姿态确定算法，给出三轴气浮台的姿态信息。该套方法及装置不仅适用于三轴气浮台的姿态确定问题，同样也能应用于其他空间飞行器地面物理仿真***中，具有较广泛的应用范围。光电自准直仪具有较高的测量精度，配合姿态确定算法，实现了姿态超高精度的测量。经实验验证，姿态测量精度优于1″。

Description

卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置

技术领域

本发明涉及测量技术，涉及一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置。

背景技术

空间飞行器一旦发射将难以维修，其特殊的运行环境使其地面仿真试验显得尤为重要，因此，空间飞行器地面仿真***的研究分析具有重要的意义，其中地面仿真***的核心设备就是三轴气浮台。

三轴气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，三轴气浮台进行卫星控制***全物理仿真实验检验***的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量***动态地给出姿态角、角速率等姿态信息，以便完成控制闭环，由于三轴气浮台的特殊结构，以往用于转台测量的装置(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于三轴气浮台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。并且在目前实际应用中，姿态测量***精度的高低直接关系到仿真试验的效果。

经检索文献发现，中国发明专利申请号：201110249979.2，专利名称为三轴气浮台高精度姿态角测量装置及其方法，该专利在三轴气浮台台面底部四周安装导轨、遮光帘和标志器，人工照明***和数字CCD摄像机安装在可升降平台上。数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机上，通过对标志器进行亚像素定位，获取标志器的精确坐标，从而计算出标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。但由于***构建上的缺陷，测量精度受到限制，从而影响其实际使用范围。

中国发明专利申请号：201310134631.8，专利名称为：三轴气浮台高精度姿态角及角速度测量装置，该专利在三轴气浮台的仪表平台上安装智能侧头、陀螺仪和四面棱镜，在台下安装激光跟踪仪和两台光电自准直仪，根据激光跟踪仪、两台光电自准直仪和陀螺仪的数据直接得到姿态信息。但是该专利在数据滤波处理部分，并没有考虑到偏差四元数模为1的约束条件，直接采用卡尔曼滤波，容易造成误差方差阵发生奇异，导致数据发散，姿态确定失败。该专利没有考虑到激光跟踪仪和光电自准直仪输出信息的姿态参数转换、陀螺仪量测坐标系标定等过程。此外，将数据处理与通信部分安排在台下进行，不符合实际情况。

在文献“三轴气浮台单框伺服测角***的研究”(发表于宇航学报，1996，第17卷，第4期，页码：71-74)中，哈尔滨工业大学的张晓友、刘敦和北京控制工程研究所的李继苏等提出了一种单框伺服测量方案，该***在气浮台底座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的姿态信息。当该***需要增加复杂的机械***和敏感器***，机构复杂，工程应用较困难，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，很难达到高精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置。

本发明所采用的技术如下：一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量装置，采用的设备包括第一光电自准直仪、第二光电自准直仪、四面棱镜和计算机；第一光电自准直仪和第二光电自准直仪安装于三轴气浮台台下，第一光电自准直仪和第二光电自准直仪相互成90°安装，四面棱镜安装在三轴气浮台台上，计算机安装在三轴气浮台台下，第一光电自准直仪和第二光电自准直仪与计算机连接；工作时，第一光电自准直仪和第二光电自准直仪接收四面棱镜反射的红外光线，得到四面棱镜相对第一光电自准直仪和第二光电自准直仪的姿态，并发送给计算机，计算机接收第一光电自准直仪和第二光电自准直仪的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息。

本发明还具有如下特征：

1、采用如上所述的一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量装置得出的测量方法，如下：

步骤1：两台光电自准直仪接收四面棱镜反射的红外光线，得到四面棱镜相对光电自准直仪的姿态；

步骤2：光电自准直仪通过数据传输线发送给台下计算机；

步骤3：计算机接收光电自准直仪的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息；

双红外矢量姿态确定算法如下：

在参考坐标系V中选择两个互不平行的参考矢量V₁，V₂，它们在运动坐标系U中的坐标为U₁，U₂。则姿态矩阵A_UV满足条件：

U₁＝A_UVV₁，U₂＝A_UVV₂ (1)

利用参考矢量的不平行性，在V系中建立正交坐标系R，各轴单位矢量分别是：

同理，在U系中建立正交坐标系S，各轴单位矢量分别是：

则

M_S＝A_UVM_R (4)

M_S＝[R₁ R₂ R₃]，M_R＝[S₁ S₂ S₃] (5)

则

本发明的优点和特点：

本发明不仅适用于三轴气浮台的姿态确定问题，同样也能应用于其他空间飞行器地面物理仿真***中，具有较广泛的应用范围。光电自准直仪具有较高的测量精度，配合姿态确定算法，可以实现姿态超高精度的测量。经实验验证，姿态测量精度优于1″。

附图说明

图1是超高精度姿态测量装置的组成示意图；

图2是四面棱镜的标定***坐标系和测量坐标系示意图；

图3是各坐标系示意图；

图4是各坐标系转换关系示意图；

图5是X轴姿态角；

图6是Y轴姿态角；

图7是Z轴姿态角。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：

结合图1，本发明卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法及装置，采用的设备包括第一光电自准直仪1、第二光电自准直仪2、四面棱镜3和计算机4。第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2相互成90°安装于三轴气浮台的台下，安装位置可依据实验要求调整；四面棱镜3安装在三轴气浮台的台上；计算机4安装在三轴气浮台的台下；两根数据传输线通过USB接口分别连接第一光电自准直仪1、第二光电自准直仪2和计算机4。第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2接收四面棱镜3反射的红外光线，得到四面棱镜3相对光电自准直仪的姿态，通过数据传输线发送给计算机4。计算机4接收第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息。光电自准直仪具有较高的测量精度，配合姿态确定算法，可以实现姿态超高精度的测量。

一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法，步骤如下：

步骤1：第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2接收四面棱镜3反射的红外光线，得到四面棱镜3相对第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2的姿态。

步骤2：第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2通过数据传输线发送给计算机4。

步骤3：计算机4接收第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息。

本发明卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量装置，其中光电自准直仪可以选用目前成熟的商用产品，如英国泰勒公司Ultra系列或德国穆勒公司的相关产品，测量精度都优于1″。第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2相互成90°安装与三轴气浮台的台下，安装位置可依据实验要求调整。

四面棱镜3安装在仪表平台中层板，靠近层板外沿以保证视场。实验过程中，四面棱镜3和三轴气浮台的仪表平台一起运动。

实施例2：

本发明中的光电自准直仪的测量原理如下：

光电自准直仪发射红外光线，红外光线达到四面棱镜平面上反射回来，再被光电自准直仪接收，光电自准直仪根据反射回来的光斑在镜头平面上的位置，给出反射光线相对光电自准直仪的姿态，即四面棱镜相对光电自准直仪的姿态。

结合图2，一台光电自准直仪只能提供四面棱镜在空间的二维信息，即俯仰角和偏航角，无法敏感滚转角，所以采用两台光电自准直仪配合使用，相互补偿对方在滚转方向上的自由度，实现对四面棱镜三维姿态的测量。

定义四面棱镜的标定坐标系为O_L-X_LY_LZ_L，测量坐标系为O_D-X_DY_DZ_D。

对于第一光电自准直仪1，可以敏感四面棱镜绕X_D轴和Z_D轴的姿态转角x₁，z₁；对于第二光电自准直仪2，敏感的是四面棱镜绕Y_D轴和Z_D轴的姿态转角y₂，z₂。

实施例3：

本发明中的姿态测量方法如下：

步骤1：如图3所示，定义坐标系。

1.地理坐标系O_G-X_GY_GZ_G

O_G：当地地理位置。

X_G：沿当地东西方向，指东为正。

Y_G：沿当地南北方向，指北为正。

Z_G：垂直地理水平面，指天为正。

2.三轴气浮台的本体坐标系O_B-X_BY_BZ_B

3.四面棱镜的标定坐标系O_L-X_LY_LZ_L

4.四面棱镜的测量坐标系O_D-X_DY_DZ_D

5.初始时刻，三轴气浮台的本体坐标系

6.当前时刻，三轴气浮台的本体坐标系

7.初始时刻，四面棱镜的标定坐标系

8.当前时刻，四面棱镜的标定坐标系

9.初始时刻，四面棱镜的测量坐标系

10.当前时刻，四面棱镜的测量坐标系

步骤2：确定相对姿态。

根据双红外矢量姿态确定算法，计算四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态

由于光电自准直仪不能敏感滚转轴方向上的姿态变化，所以对应第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2，分别考虑两个沿自身敏感轴的单位矢量V₁，V₂，从而避免了对滚转角的讨论。

V₁，V₂在下的表示：

V₁＝[0 1 0]^T，V₂＝[1 0 0]^T (7)

第一光电自准直仪1输出O_D-X_DY_DZ_D绕轴和轴的转角x₁，z₁；第二光电自准直仪2输出O_D-X_DY_DZ_D绕轴和轴的转角y₂，z₂。

按照先偏航后俯仰的转序，计算V₁，V₂在下的表示U₁，U₂：

其中R_x(x₁)表示棱镜绕轴转动x₁角的方向余弦矩阵，R_z(Z₁)表示棱镜绕轴转动Z₁角的方向余弦矩阵，R_y(y₂)表示棱镜绕轴转动y₂角的方向余弦矩阵，R_z(z₂)表示棱镜绕轴转动z₂角的方向余弦矩阵。

分别建立两个正交坐标系R，S，其中M_S是S系的单位坐标矩阵，M_R是R系的单位坐标矩阵；

则四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态为：

步骤3：确定绝对姿态。

结合图4的坐标系转换关系，求取三轴气浮台的本体坐标系相对大地的绝对姿态和姿态角

已知四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态结合四面棱镜O_D-X_DY_DZ_D和O_L-X_LY_LZ_L之间的转换关系A_DL，四面棱镜的安装矩阵A_LB，三轴气浮台的本体系的相对运动姿态为：

其中A_BL是A_LB的转置矩阵，A_LD是A_DL的转置矩阵。

如果在姿态测量之前，标定出三轴气浮台相对大地的初始姿态那么就可以得到轴气浮台的本体坐标系相对大地的绝对姿态

计算绝对姿态角经实验验证，三轴姿态测量精度优于1″，实现了超高精度姿态确定，如图5-7所示：

其中表示矩阵中第1行第2列对应的元素，表示矩阵中第1行第1列对应的元素，表示矩阵中第1行第3列对应的元素，表示矩阵中第2行第3列对应的元素，表示矩阵中第3行第3列对应的元素。

Claims (1)

1.一种卫星地面物理仿真***超高精度姿态测量方法，其采用第一光电自准直仪(1)、第二光电自准直仪(2)、四面棱镜(3)和计算机(4)，其中第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)安装于三轴气浮台台下，第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)相互成90°，四面棱镜(3)安装在三轴气浮台台上，计算机(4)安装在三轴气浮台台下，第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)与计算机(4)连接；工作时，第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)接收四面棱镜(3)反射的红外光线，得到四面棱镜(3)相对第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)的姿态，并发送给计算机(4)，计算机(4)接收第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息；

姿态测量方法分为三个步骤：

步骤1：定位坐标系

(1)地理坐标系O_G-X_GY_GZ_G

O_G：当地地理位置；

X_G：沿当地东西方向，指东为正；

Y_G：沿当地南北方向，指北为正；

Z_G：垂直地理水平面，指天为正，

(2)三轴气浮台的本体坐标系O_B-X_BY_BZ_B

(3)四面棱镜的标定坐标系O_L-X_LY_LZ_L

(4)四面棱镜的测量坐标系O_D-X_DY_DZ_D

(5)初始时刻，三轴气浮台的本体坐标系

(6)当前时刻，三轴气浮台的本体坐标系

(7)初始时刻，四面棱镜的标定坐标系

(8)当前时刻，四面棱镜的标定坐标系

(9)初始时刻，四面棱镜的测量坐标系

(10)当前时刻，四面棱镜的测量坐标系

步骤2：确定相对姿态

根据双红外矢量姿态确定算法，计算四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态

由于光电自准直仪不能敏感滚转轴方向上的姿态变化，所以对应第一光电自准直仪(1)和第二光电自准直仪(2)，分别考虑两个沿自身敏感轴的单位矢量，从而避免了对滚转角的讨论，

所述的双红外矢量姿态确定算法如下：

在参考坐标系V中选择两个互不平行的参考矢量V₁，V₂，它们在运动坐标系U中的坐标为U₁，U₂，则

U₁＝A_D1D0V₁，U₂＝A_D1D0V₂

利用参考矢量的不平行性，在V系中建立正交坐标系R，各轴单位矢量分别是：

同理，在U系中建立正交坐标系S，各轴单位矢量分别是：

则四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态为

其中M_S是S系的单位坐标矩阵，M_R是R系的单位坐标矩阵；

M_S＝[R₁ R₂ R₃]，M_R＝[S₁ S₂ S₃]

步骤3：确定绝对姿态

结合坐标系转换关系，求取三轴气浮台的本体坐标系相对大地的绝对姿态

和绝对姿态角θ，ψ，

已知四面棱镜测量坐标系的相对运动姿态结合四面棱镜O_D-X_DY_DZ_D和O_L-X_LY_LZ_L之间的转换关系A_DL，四面棱镜的安装矩阵A_LB，三轴气浮台的本体系的相对运动姿态为：

其中A_BL是A_LB的转置矩阵，A_LD是A_DL的转置矩阵，

如果在姿态测量之前，标定出三轴气浮台相对大地的初始姿态那么就可以得到轴气浮台的本体坐标系相对大地的绝对姿态

计算绝对姿态角θ，ψ，三轴姿态测量精度优于1″，实现超高精度姿态确定：

其中表示矩阵中第1行第2列对应的元素，表示矩阵中第1行第1列对应的元素，表示矩阵中第1行第3列对应的元素，表示矩阵中第2行第3列对应的元素，表示矩阵中第3行第3列对应的元素。