CN108803373B - 一种三轴转台的地速消除方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种三轴转台消除地速的方法，包括以下步骤：使得所述三轴转台处于零位状态并锁死；测量所述三轴转台处于所述零位状态并且持续预定时间后的角速度检测装置的角速度信息，对所述角速度检测装置的角速度信息进行平均滤波，获得所述三轴转台处于零位状态的角速度信息，其中所述角速度检测装置安装在所述三轴转台的内框架上；和在所述三轴转台的仿真测试中，根据所述角速度检测装置的角速度信息、外框绕外框轴旋转角度、中框绕中框轴旋转角度、内框绕内框轴旋转角度以及所述三轴转台处于零位状态的平均角速度信息反向求解获得所述三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息。

Description

一种三轴转台的地速消除方法

技术领域

本申请涉及卫星仿真技术领域，特别地涉及一种用于卫星仿真测试的三轴转台的地速消除方法。

背景技术

在卫星进行高精度三轴转台仿真时，三轴转台姿态动力学需要进行地球自转角速度(简称地速)消除，地速的消除需要明确当地地理纬度和转台零位状态偏当地正北方向的角度，传统的解决办法是利用经纬仪或指北仪来进行当地地理纬度标定和转台零位状态时偏当地正北方向的角度标定，或者校正转台零位的某一轴指向正北方向，然后利用标定的地理纬度和转台零位状态时偏当地正北方向的角度信息代入三轴转台的姿态动力学中来进行地速的消除，并且由于设备或人为原因可能需要多次进行标定。

为此，本领域迫切需要开发一种无需多次标定的三轴转台的地速快速消除方法。

发明内容

本申请之目的在于提供一种无需多次标定的三轴转台的地速快速消除方法。具体来说，本申请的方法利用三轴转台零位状态时的角速度检测装置(如陀螺)的测量数据来精确确定地球自转速度(下文简称地速)在三轴上的分量，并将该分量作为一个常值替换掉转台动力学中由地速、纬度和转台零位偏正北方向角度项组成的该分量，从而从理论上消除地速，无需获得当地地理纬度、所述三轴转台处于零位状态时偏正北方向角度或者不需要所述三轴转台处于零位状态时某一轴指向正北方向。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种三轴转台消除地速的方法，包括以下步骤：

步骤S1：使得所述三轴转台处于零位状态并锁死，所述三轴转台包括外框架、中框架和内框架，测量所述三轴转台处于所述零位状态并且持续预定时间后的角速度检测装置的角速度信息，对所述角速度检测装置的角速度信息进行平均滤波，获得所述三轴转台处于零位状态的角速度信息，其中所述角速度检测装置安装在所述三轴转台的内框架上；和

步骤2：在所述三轴转台的仿真测试中，根据所述角速度检测装置的角速度信息、外框绕外框轴旋转角度、中框绕中框轴旋转角度、内框绕内框轴旋转角度以及所述三轴转台处于零位状态的平均角速度信息反向求解获得所述三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息。

在第一方面的一种具体实施方式中，“平均滤波”指计算一定时间内角速度检测装置(如陀螺)测量角速度的累加和再求平均值。

在第一方面的一种实施方式中，所述角速度检测装置包括陀螺。

在第一方面的另一种实施方式中，在所述步骤S1中，根据以下公式

当转台处于零位状态时确定

α＝β＝γ＝0

ω_外＝ω_中＝ω_内＝0

R(γ)＝R(β)＝R(α)＝I；

式中：外框绕外框轴旋转角度定义为α；

中框绕中框轴旋转角度定义为β；

内框绕内框轴旋转角度定义为γ；

外框绕外框轴旋转角速度定义为ω_外；

中框绕中框轴旋转角速度定义为ω_中；

内框绕内框轴旋转角速度定义为ω_内；

ω_陀x、ω_陀y、ω_陀z分别指陀螺在内框架坐标系的三个坐标轴上的分量；

在第一方面的另一种实施方式中，当所述三轴转台处于零位状态时，

式中，δ指内框轴方向与当地正北方向夹角；

地球自转角速度为ω_e；及

ω_ex、ω_ey、ω_ez分别指地球自转速度在内框架坐标系的三个坐标轴上的分量。

在第一方面的另一种实施方式中，通过下述来获得所述三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息：

在第一方面的另一种实施方式中，地速在转台处于零位状态时在所述三轴转台的内框架坐标系的三轴上的分量与真实值的偏差通过所述角速度检测装置的测量精度来确定。

在第一方面的另一种实施方式中，在所述三轴转台的仿真测试中，无需获得当地地理纬度、所述三轴转台处于零位状态时偏正北方向角度或者不需要所述三轴转台处于零位状态时某一轴指向正北方向。

在第一方面的另一种实施方式中，所述预定时间为20分钟-60分钟。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于本申请利用三轴转台处于零位状态时，安装在三轴转台内框轴上的陀螺的测量角速度信息恰好能表现地球自转角速度在转台零位状态时三轴上分量，利用该测量角速度信息等效替代三轴转台姿态动力学中地速分量，不需要明确当地的地理纬度，且不需要明确三轴转台的零位状态偏正北方向的角度，无需经纬仪或指北仪进行转台零位标定过程，简化了半物理仿真的准备工作。

附图说明

图1(a)-(d)是本申请涉及的三轴转台地速消除方法中的坐标系示意图。

图2显示转台位于零位状态时框架坐标系定义。

图3显示内框轴方向北偏东δ度。在图3中X0Y0Z0坐标系(转台零位坐标系)的X0轴相对当地正北坐标系的XI轴北偏东δ度。

图4是根据本申请的一个实施例的三轴转台消除地速的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

首先，为了更好地解释本申请实施例涉及的三轴转台消除地速的原理，结合图1(a)-(d)所示，分别建立地面坐标系X0Y0Z0、外框架坐标系X1Y1Z1、中框架坐标系X2Y2Z2和内框架坐标系X3Y3Z3，其中，将三轴转台安装在内框架上，将陀螺置于三轴转台上。

其中，在地面坐标系中，定义水平向左为正北方向，水平向右为水平向南方向；在外框架坐标系X1Y1Z1中，Y1为外框架转轴，定义其方向竖直向上；在中框架坐标系X2Y2Z2中，Z2为中框架转轴，定义其指向转台所在位置水平面东向；在内框架坐标系X3Y3Z3中，X3为内框架转轴，定义其指向转台所在位置水平面北向，在实际测量中，需要确定内框架转轴相对正北方向的偏差，从而便于消除地速。

其次，对三轴转台的旋转角度和角速度进行定义，具体地，外框绕外框轴旋转角度定义为α；中框绕中框轴旋转角度定义为β；内框绕内框轴旋转角度定义为γ；外框绕外框轴旋转角速度定义为ω_外；中框绕中框轴旋转角速度定义为ω_中；内框绕内框轴旋转角速度定义为ω_内。

其中，X0Y0Z0坐标系到X1Y1Z1坐标系的转化关系为：

X1Y1Z1坐标系到X2Y2Z2坐标系的转化关系为：

X2Y2Z2坐标系到X3Y3Z3坐标系的转化关系为：

从X2Y2Z2坐标系到X3Y3Z3坐标系的转化关系为：

R₃₂＝R(γ)

从X1Y1Z1坐标系到X3Y3Z3坐标系转化关系为：

R₃₁＝R₃₂R₂₁＝R(γ)R(β)

从X0Y0Z0坐标系到X3Y3Z3坐标系转化关系为：

R₃₀＝R₃₂R₂₁R₁₀＝R(γ)R(β)R(α)。

基于上述坐标系之间的转化关系，为了便于分析，假设三轴转台的测量坐标系与内框架坐标系三轴方向一致，在不考虑地球自转角速度和所在地地理纬度的条件下获得陀螺的角速度信息：

假设三轴转台所在地地理纬度为λ，其中，λ需要由经纬仪测定，地球自转角速度为ω_e，则三轴转台所在地水平指正北方向的自转角速度分量为ω_ecosλ；三轴转台所在地垂直水平向上方向的自转角速度分量为ω_esinλ；ω_陀x、ω_陀y、ω_陀z分别指陀螺在内框架坐标系的三个坐标轴上的分量。

在不考虑三轴转台处于零位状态时，内框架转轴方向(X0或X1或X2或X3轴)与转台所在地当地正北方向夹角，则有：

参见图2和图3，其中图2显示转台位于零位状态时框架坐标系定义，图3显示内框轴方向北偏东δ度。在图3中，X0Y0Z0坐标系(转台零位坐标系)的X0轴相对当地正北坐标系的XI轴北偏东δ度。

在考虑三轴转台处于零位状态时，内框架转轴方向(X0或X1或X2或X3轴)与当地正北方向夹角，并考虑该角度为δ(实际需要经纬仪或指北仪标定)，其中，需要区分两种情况：

对于情况1，也就是内框架转轴方向北偏东δ度；

当内框架转轴方向北偏东δ度时，如图3所示，

从XIYIZI坐标系到X0Y0Z0坐标系的转化矩阵为：

对于情况2，也就是内框架转轴方向北偏西δ度；

当内框架转轴方向北偏西δ度时：

从XIYIZI坐标系到X0Y0Z0坐标系的转化矩阵为：

因此，在考虑三轴转台处于零位状态时，内框架转轴方向(X0或X1或X2或X3轴)与当地正北方向夹角δ，则根据以下公式(1)有：

地球的自转角速度约为360/24/3600＝0.0041667°/s，可见地速角速度是不可以忽略的，尤其是对卫星进行高精度姿态控制半物理仿真时；另一方面，假设当地纬度已知，三轴转台处于零位状态时偏正北方向20°，则不考虑三轴转台处于零位状态与正北的夹角与真实值的偏差为：

由此可见，三轴转台处于零位状态时不进行校准时，地速偏差在Z轴上的分量较大，并且上式计算不包括当地纬度数据误差引起的地速偏差，这对于高精度姿态控制半物理仿真是不可接受的。

因此，传统的地速消除需要利用经纬仪进行找北过程，并测量当地正北方向与转台零位状态X轴的夹角，且需要明确当地的地理纬度，过程上较为繁琐，且可能由于设备或人为原因需要多次进行找北标定过程。考虑当内框架转轴方向(X0或X1或X2或X3轴)与转台所在位置当地正北方向夹角δ测量较为困难或不准确时，另外当地纬度数据也需要进行明确。

在本申请涉及的实施例中，提供一种三轴转台快速消除地速的方法，其包括以下步骤：

步骤S1，使得三轴转台处于零位状态并锁死，根据上述公示(1)确定：

α＝β＝γ＝0

ω_外＝ω_中＝ω_内＝0

R(γ)＝R(β)＝R(α)＝I。

步骤S2，测量三轴转台处于零位状态并且预定时间后的陀螺的角速度信息，对陀螺的角速度信息进行平均滤波获得三轴转台处于零位状态的角速度信息。

进一步地，在获得三轴转台处于零位状态时陀螺的角速度信息中采用以下公式(2)：

其中，考虑到δ与λ为一个定值，则有：

为一个定值，基本保持不变，而该值可以利用高精度陀螺来测量获得，高精度陀螺的测量精度可以达0.0001°/s，因此利用三轴转台处于零位状态时陀螺的测量数据来消除地速，地速在三轴转台处于零位状态时三轴上的分量与真实值的偏差由陀螺的测量精度确定，选用的陀螺测量精度越高获得的地速分量的测量也就越精确；

步骤S3，在三轴转台的仿真测试中，根据陀螺的角速度信息[ω_陀x ω_陀y ω_陀z]^T、三轴转台各轴相对的转角信息以及三轴转台处于零位状态的平均角速度信息反向求解获得三轴转台外、中、内三个框架的驱动角速度信息([ω_外 ω_中 ω_内]^T)。

在获得三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息([ω_外 ω_中ω_内]^T)中采用以下的公式：

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (5)

1.一种三轴转台消除地速的方法，包括以下步骤：

步骤S1：使得所述三轴转台处于零位状态并锁死，所述三轴转台包括外框架、中框架和内框架，测量所述三轴转台处于所述零位状态并且持续预定时间后的角速度检测装置的角速度信息，对所述角速度检测装置的角速度信息进行平均滤波，获得所述三轴转台处于零位状态的角速度信息，其中所述角速度检测装置安装在所述三轴转台的内框架上；和

步骤S2：在所述三轴转台的仿真测试中，根据所述角速度检测装置的角速度信息、外框绕外框轴旋转角度、中框绕中框轴旋转角度、内框绕内框轴旋转角度以及所述三轴转台处于零位状态的平均角速度信息反向求解获得所述三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息；

其中，平均滤波指计算一定时间内角速度检测装置测量角速度的累加和再求平均值；

在所述步骤S1中，根据以下公式

当转台处于零位状态时确定

α＝β＝γ＝0

ω_外＝ω_中＝ω_内＝0

R(γ)＝R(β)＝R(α)＝I；

式中：外框绕外框轴旋转角度定义为α；

中框绕中框轴旋转角度定义为β；

内框绕内框轴旋转角度定义为γ；

外框绕外框轴旋转角速度定义为ω_外；

中框绕中框轴旋转角速度定义为ω_中；

内框绕内框轴旋转角速度定义为ω_内；

地球自转角速度为ω_e；

ω_陀x、ω_陀y、ω_陀z分别指陀螺在内框架坐标系的三个坐标轴上的分量；

其中，当所述三轴转台处于零位状态时，

式中，δ指内框轴方向与当地正北方向夹角；

地球自转角速度为ω_e；及

ω_ex、ω_ey、ω_ez分别指地球自转速度在内框架坐标系的三个坐标轴上的分量；

其中，通过下述来获得所述三轴转台外框架、中框架、内框架三个框架的驱动角速度信息：

2.如权利要求1所述的三轴转台消除地速的方法，其特征在于，所述角速度检测装置包括陀螺。

3.如权利要求1所述的三轴转台消除地速的方法，其特征在于，地速在转台处于零位状态时在所述三轴转台的内框架坐标系的三轴上的分量与真实值的偏差通过所述角速度检测装置的测量精度来确定。

4.如权利要求1所述的三轴转台消除地速的方法，其特征在于，在所述三轴转台的仿真测试中，无需获得当地地理纬度、所述三轴转台处于零位状态时偏正北方向角度或者不需要所述三轴转台处于零位状态时某一轴指向正北方向。

5.如权利要求1所述的三轴转台消除地速的方法，其特征在于，所述预定时间为20分钟-60分钟。

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