CN102032918B - 三探头星敏指向标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三探头星敏指向标定方法，可有效解决三探头星敏指向标定精度和测量精度要求的问题，其解决的技术方案是，先对三个立方镜两两互相组合，然后将四台经纬仪联机，再用四台经纬仪分别对互相组合后的两个立方镜同时准直并记录数据，之后，两两互瞄，记录互瞄数据，最后解算求出两基准立方镜之间的旋转矩阵，本发明操作简单、方便，标定速度快，不用调焦测量，精度高，可有效解决三探头星敏指向标定精度和测量精度要求的问题。

Description

三探头星敏指向标定方法

一、技术领域

本发明涉及工业测量，特别是一种三探头星敏指向标定方法。

二、背景技术

三探头星敏是由三个星敏感器探头组成。星敏感器各探头上有个基准立方镜(如图1)，每个星敏测量坐标系均用安装在其上的立方镜来恢复，各星敏测量坐标系Z轴间角度设计值约为60°。为了保证精度，必须在制造与试验的各个过程中进行每个星敏测量坐标系之间的转换矩阵的标定工作。

三探头星敏指向标定系统由三探头星敏感器、三探头星敏指向标定测量软件、4台经纬仪联机构成测量系统。通过三探头星敏指向标定系统，使用四台经纬仪对任意两个立方镜进行准直测量，解算出它们之间的旋转矩阵。

由于测量的精度要求高，普通的准直测量方法，由于采用调焦测量，易产生调焦误差，无法达到标定精度要求和测量精度要求。因此，如何采用测量过程中不调焦测量，通过调焦误差的完全消除，达到标定精度的要求，是需要解决的技术难题。

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种三探头星敏指向标定方法，可有效解决三探头星敏指向标定精度和测量精度要求的问题，其解决的技术方案是，先对三个立方镜两两互相组合，然后将四台经纬仪联机，再用四台经纬仪分别对互相组合后的两个立方镜同时准直并记录数据，之后，两两互瞄，记录互瞄数据，最后解算求出两基准立方镜之间的旋转矩阵，本发明操作简单、方便，标定速度快，不用调焦测量，精度高，可有效解决三探头星敏指向标定精度和测量精度要求的问题。

四、附图说明

图1为本发明的三探头星敏的立方镜示意图。

图2为本发明的三探头星敏指向标定流程图。

图3为本发明准直立方镜示意图。

图4为本发明立方镜精密准直法的方位传递示意图。

图5为本发明立方镜姿态传递示意图。

五、具体实施方式

以下结合流程图本发明的具体实施方式作详细说明。

由图2所示，本发明在具体实施中，先对三个立方镜Za、Zb、Zc两两互相组合，即立方镜Za、Zb、立方镜Za、Zc、立体镜Zb、Zc两两互相组合成三组，先将四台经纬仪联机，再用四台经纬仪分别对互相组合后的两个立方镜同时准直，之后，两两互瞄，解算求出两基准立方镜之间的旋转矩阵，具体由以下步骤实现：

1、设3个立方镜分别为Za、Zb、Zc，4台经纬仪分别为T₁、T₂、T₃、T₄，将三探头星敏放在一个固定位置，不动，用4台经纬仪分别要对准直的3个立方镜两两进行准直，即用4台经纬仪分别对互相两两组合后的两个立方镜同时进行准直；

2、用三探头星敏指向标定测量软件，将4台经纬仪联机，编辑立方镜的名字、长、宽、高、立方镜坐标原点位置、第一准直轴向、第二准直轴向，立方镜的名字、长、宽、高等，手动输入，其余在各自下拉框中选择；

3、利用三探头星敏指向标定系统进行测量，该标定系统由三探头星敏感器、三探头星敏指向标定测量软件和4台电子经纬仪组成，三探头星敏指向标定测量软件采用郑州辰维科技股份有限公司研发的市用三探头星敏指向标定测量软件，电子经纬仪采用瑞士徕卡公司生产的TM5100A电子经纬仪，利用三探头星敏指向标定测量软件，先对立方镜进行准直测量，以其中一个为基准立方镜，另一个为目标立方镜，记录测量值，得准直测量数据；然后四台电子经纬仪两两互瞄，记录测量值，得互瞄测量数据；整个测量过程中为了保证测量精度，测量过程中不进行任何调焦，并采用多测回(即多次重复测量)的方式，减弱照准误差，得准直与互瞄的测量数据；

4、利用准直与互瞄测量数据，通过三探头星敏指向标定测量软件准直解算功能，得到两个立方镜坐标系的旋转矩阵参数(X₀，Y₀，Z₀，R_x，R_y，R_z)，其中X₀，Y₀，Z₀为平移参数，R_x，R_y，R_z为旋转参数，准直解算出的结果参数是目标立方镜相对于基准立方镜的旋转参数；

所说的准直(准直测量)是：四台电子经纬仪对三探头星敏上要进行准直的两个立方镜进行准直，每两台准直一个。如图3所示，电子经纬仪T₁、T₂对基准立方镜的两个垂直面进行准直，得到立方镜坐标系的两个坐标轴的方向，根据右手法则确定第三个坐标轴的方向，这样也就是得到了基准立方镜的坐标系，按上述同样方法，用电子经纬仪T₃、T₄对目标立方镜进行准直，得到目标立方镜的坐标系，准直各轴向时，采用多测回测量，减弱照准误差；

所说的互瞄是：不调整焦距，保持望远镜调焦为无穷远，两经纬仪望远镜相互瞄准对方发射的平行光束，由于两望远镜均发射的平行光束，当相互瞄准对方光束时，只能保证两经纬仪望远镜视准轴保持平行关系，不能实现两望远镜视准轴共线。但只要两望远镜视准轴平行可以保证α₁与α₂的和保持不变(如图4)，同样可以达到方位传递的目的。互瞄时，多测回互瞄，减弱调焦误差；

所说的准直解算是：四台经纬仪，分别有各种的测量坐标系，在其各自坐标系下，角度测量可以得到一条直线的水平方向和垂直方向，设水平角为Hz，垂直角为V，那么该直线在经纬仪坐标系下的方向余弦为：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=\cos V\·\cos \mathrm{Hz}\\ \cos \mathrm{\β}=\cos V\·\sin \mathrm{Hz}\\ \cos \mathrm{\γ}=\sin V\end{array}\right.$ 式(1-1)

上式中，为了方便计算夹角，设两个准直方向的长度为单位长度，cosα、cosβ、cosγ分别为测站瞄准方向向量在X、Y、Z(X、Y、Z为四台经纬仪各自坐标系的三轴线)方向的投影；

利用四台经纬仪分别对两个任意放置的立方镜进行准直测量，其中经纬仪T₁和T₂准直立方镜1相邻的两镜面，经纬仪T₃和T₄准直立方镜2相邻两镜面，之后进行经纬仪互瞄，如图5所示。设对于立方镜1准直的观测量Hz_n、V_n(n＝1，2)，对于立方镜2准直的观测量分别为Hz_m、V_m(m＝3，4)，四台仪器互瞄水平角观测量为Hz_nm(n，m＝1，2，3，4)。首先对图中各经纬仪的互瞄方向进行室内方位传递的方向平差，如果互瞄仪器之间有遮挡可不进行互瞄，但必须保证经纬仪T₁、T₂和T₃、T₄之间至少有一条互瞄路线，以进行方位的传递。设在测量坐标系下各准直方向的向量为

(i_t，j_t，k_t  t＝1，2，3，4)，由公式(1-1)建立方程，得到各准直方向的的方向余弦为：

i_t＝cosv_t·cosβ_t

j_t＝cosv_t·sinβ_t    t＝(1，2，3，4)    (1-2)

k_t＝sinv_t

其中β_t为各准直方向经传递后在测量坐标系下的水平角方向值，v_t为各准直方向经传递后在测量坐标系下的垂直角方向值

对各准直方向进行坐标轴的正交性修正，由

和

作叉乘得到立方镜1的姿态，和

作叉乘得到立方镜2的姿态，即分别有立方镜1相对于测量坐标系的旋转矩阵R₁和立方镜2相对于测量坐标系的旋转矩阵R₂。利用方向余弦坐标转换法可以方便地得到立方镜1相对于立方镜2的旋转矩阵为

由此实现了两个立方镜间的姿态传递。

由上述表明，本发明是针对星敏感器测量坐标系间的转换矩阵的标定而设计的一种标定方法，标定包括星敏感器上的三个基准立方镜Za、Zb、Zc，是利用三探头星敏指向标定系统对各个立方镜进行准直测量，从而计算出他们之间的旋转矩阵，该标定方法具有以下突出的特点：

(1)标定场建立方便，可以在实验室里建立；

(2)标定时采用不调焦测量，从而提高了精度，精度为5″。

(3)标定时采用多测回测量，减弱照准误差。

(4)标定过程简单，不需要具有相关专业背景的人员参加也可以完成标定工作；

(5)标定速度快，为原来的三分之一。

Claims (1)

1.一种三探头星敏指向标定方法，其特征在于，由以下步骤实现：

(1)、设3个立方镜分别为Za、Zb、Zc，4台电子经纬仪分别为T₁、T₂、T₃、T₄，将三探头星敏放在一个固定位置不动，4台电子经纬仪分别要对准直的3个立方镜两两进行准直，即用4台电子经纬仪分别对互相两两组合后的两个立方镜同时进行准直；

(2)、用三探头星敏指向标定测量软件，将4台电子经纬仪联机，编辑立方镜的名字、长、宽、高、立方镜坐标原点位置、第一准直轴向、第二准直轴向，立方镜的名字、长、宽、高，手动输入，其余在各自下拉框中选择；

(3)、利用三探头星敏指向标定系统进行标定测量，该标定测量系统由三探头星敏感器、三探头星敏指向标定测量软件和4台电子经纬仪组成，利用三探头星敏指向标定测量软件，将四台电子经纬仪对三探头星敏上要准直的两个立方镜进行准直测量，以其中一个为基准立方镜，另一个为目标立方镜，准直并记录，得准直测量数据；然后四台仪器两两互瞄，记录测量值，得互瞄测量数据；在整个测量的过程中为了保证测量精度，测量过程中不进行任何调焦，并采用多测回的方式，减弱照准误差；

(4)、利用互瞄与准直测量数据，通过测量软件准直解算功能，得到两个立方镜坐标系的旋转矩阵参数(X₀，Y₀，Z₀，R_x，R_y，R_z)，其中X₀，Y₀，Z₀为平移参数，R_x，R_y，R_z为旋转参数，准直解算出的参数是目标立方镜相对于基准立方镜的旋转参数；

所说的准直是：四台电子经纬仪对三探头星敏上要进行准直的两个立方镜进行准直，每两台准直一个，电子经纬仪T₁、T₂对基准立方镜的两个垂直面进行准直，得到立方镜坐标系的两个坐标轴的方向，根据右手法则确定第三个坐标轴的方向，得到基准立方镜的坐标系，按上述同样方法，用电子经纬仪T₃、T₄对目标立方镜进行准直，得到目标立方镜的坐标系，准直各轴向时，采用多测回测量，减弱照准误差；

所说的互瞄是：不调整焦距，保持电子经纬仪望远镜调焦为无穷远，两电子经纬仪望远镜相互瞄准对方发射的平行光束，由于两电子经纬仪望远镜均发射的平行光束，当相互瞄准对方光束时，只能保证两电子经纬仪望远镜视准轴保持平行关系，不能实现两电子经纬仪望远镜视准轴共线，两电子经纬仪望远镜视准轴平行可以保证α₁与α₂的和保持不变，达到方位传递的目的，互瞄时，多测回互瞄，减弱调焦误差；

所说的准直解算是：四台电子经纬仪，分别有各种的测量坐标系，在其各自坐标系下，角度测量可以得到一条直线的水平方向和垂直方向，设水平角为Hz，垂直角为V，那么该直线在电子经纬仪坐标系下的方向余弦为：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=\cos V\·\cos \mathrm{Hz}\\ \cos \mathrm{\β}=\cos V\·\sin \mathrm{Hz}\\ \cos \mathrm{\γ}=\sin V\end{array}\right.$ 公式(1-1)

上式中，为了方便计算夹角，设两个准直方向的长度为单位长度，cosα、cosβ、cosγ分别为测站瞄准方向向量在X、Y、Z方向的投影，其中X、Y、Z为四台电子经纬仪各自坐标系的三轴线；

利用四台电子经纬仪分别对两个任意放置的立方镜进行准直测量，其中电子经纬仪T₁和T₂准直立方镜1相邻的两镜面，电子经纬仪T₃和T₄准直立方镜2相邻两镜面，之后进行电子经纬仪互瞄，设对于立方镜1准直的观测量Hz_n、V_n，其中n＝1，2，对于立方镜2准直的观测量分别为Hz_m、V_m，其中m＝3，4，四台仪器互瞄水平角观测量为Hz_nm，其中n，m＝1，2，3，4，首先对各电子经纬仪的互瞄方向进行室内方位传递的方向平差，如果互瞄仪器之间有遮挡可不进行互瞄，但必须保证电子经纬仪T₁、T₂和T₃、T₄之间至少有一条互瞄路线，以进行方位的传递，设在测量坐标系下各准直方向的向量为，其中包括i_t，j_t，k_t，t＝1，2，3，4，由公式(1-1)建立方程，得到各准直方向的的方向余弦为：

i_t＝cosv_t·cosβ_t

j_t＝cosv_t·sinβ_t    t＝1，2，3，4

k_t＝sinv_t

其中β_t为各准直方向经传递后在测量坐标系下的水平角方向值，v_t为各准直方向经传递后在测量坐标系下的垂直角方向值；

对各准直方向进行坐标轴的正交性修正，由

和作叉乘得到立方镜1的姿态，和

作叉乘得到立方镜2的姿态，即分别有立方镜1相对于测量坐标系的旋转矩阵R₁和立方镜2相对于测量坐标系的旋转矩阵R₂，利用方向余弦坐标转换法可以方便地得到立方镜1相对于立方镜2的旋转矩阵为由此实现了两个立方镜间的姿态传递。

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