CN102087117A - 飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法 - Google Patents

Abstract

飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法，利用电子经纬仪测量系统对测距敏感器本体坐标系进行可见性导出，并结合控制场方法进行多种坐标系转换。利用高精度大地测量控制网将测距敏感器本体坐标系与控制场坐标系相统一。利用高精度全站仪对距离测量敏感器反射靶标进行距离测量。根据已有测量数据将多种坐标系数据相互融合，推导出测距敏感器与目标标志器的相对距离，与测距敏感器实际测量结果进行比较，最终得到测距敏感器测量精度。

Description

飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法

技术领域

本发明属于电子测量领域，涉及一种测距敏感器精度的地面测量方法。

背景技术

飞船交会对接是空间技术的一个关键技术。测距敏感器用于两个航天器在太空中两飞船相距30km至最终完成对接前的运动过程中的相互之间距离的测量，以及在靠拢最后阶段追踪飞行器和目标飞行器间的相对运动速度的测量。此阶段测距敏感器测距精度是交会对接成功的关键。

在飞船交会对接的地面实验中，需要对测距敏感器的距离测量精度进行验证。考虑地面情况对测距敏感器的影响，地面实验验证10km范围。目前国内外尚无针对该类测距敏感器远距离测距精度的验证方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量距离远、测量精度高、操作简便的飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法。

本发明的技术解决方案是：飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法，步骤如下：

(1)在地面上布置一个测距敏感器和两台电子经纬仪，两台电子经纬仪分别架设在测距敏感器基准立方镜两个相邻镜面的法线方向，两台电子经纬仪与基准立方镜的轴线三者所在位置之间的连线构成直角三角形；

(2)在地面上架设一台全站仪，全站仪的架设位置为一个大地测绘特征点，另外在地面上布置一个反射靶标，全站仪、测距敏感器和反射靶标三者所在位置之间的连线构成三角形；

(3)电子经纬仪对测距敏感器基准立方镜进行准直测量，以建立测距敏感器本体坐标系，然后分别建立电子经纬仪测量坐标系、全站仪测量坐标系和大地测量控制网坐标系；

(4)在空间选取至少三个位置固定的特征点作为第一类控制点，在地面上选取至少三个大地测绘特征点作为第二类控制点；所述的第一类控制点不在同一条直线上，所述的第二类控制点也不在同一条直线上；

(5)利用电子经纬仪对第一类控制点进行测量，应用角度交会原理测量将第一类控制点坐标转换到测距敏感器本体坐标系下，同时利用全站仪也对第一类控制点进行测量，由此获得测距敏感器本体坐标系和全站仪测量坐标系之间的坐标转换关系；

(6)利用全站仪对第二类控制点进行测量，由此获得全站仪测量坐标系和大地测量控制网坐标系之间的坐标转换关系；

(7)利用全站仪对测距敏感器进行测量，并根据步骤(5)和步骤(6)的坐标转换关系，获取测距敏感器在大地测量控制网坐标系下的坐标；

(8)利用全站仪对反射靶标进行测量，并根据步骤(6)的坐标转换关系，获取反射靶标在大地测量控制网坐标系下的坐标；

(9)利用步骤(7)和步骤(8)的结果，获取大地测量控制网坐标系下反射靶标到测距敏感器的基准距离；

(10)测距敏感器对反射靶标进行测量，获取实际测量距离并与步骤(9)的基准距离进行比较，由此得到测距敏感器测距误差。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法利用电子经纬仪测量系统对测距敏感器本体坐标系进行可见性导出，并结合控制场方法进行多种坐标系转换。利用高精度大地测量控制网将测距敏感器本体坐标系与控制场坐标系相统一。利用高精度全站仪对距离测量敏感器反射靶标进行距离测量。根据已有测量数据将多种坐标系数据相互融合，推导出测距敏感器与目标标志器的相对距离，与测距敏感器实际测量结果进行比较，最终得到测距敏感器测量精度。本发明方法将通用测绘测量用仪器应用空间坐标测量，把大跨度空间测量转换为统一空间坐标系下的坐标点的解算。测量距离最远达到10km范围，由测量方法和测量仪器以及测量环境引入的测量误差在厘米量级，操作简便，测量距离远，测量精度高。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明方法的测量原理图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明测量方法的流程框图。本发明方法的主要步骤如下：

(1)在地面上布置一个测距敏感器和两台电子经纬仪，两台电子经纬仪分别架设在测距敏感器基准立方镜两个相邻镜面的法线方向，测距敏感器基准立方镜表征了测距敏感器直角坐标系关系。两台电子经纬仪与基准立方镜的轴线三者所在位置之间的连线构成直角三角形。通过定向互瞄可确定电子经纬仪的坐标位置，应用电子经纬仪的准直功能可确定基准立方镜的反射法线方向，依据这些信息可建立电子经纬仪测量坐标系和基准立方镜坐标系。

(2)在地面上架设一台全站仪，全站仪的架设位置为一个大地测绘特征点(坐标已知)，另外在地面上布置一个测距敏感器用反射靶标，全站仪、测距敏感器和反射靶标三者所在位置之间的连线构成三角形。全站仪用于测量反射靶标和测距敏感器，因此须架设在方便观测位置。

(3)本测量方法中涉及坐标系有五个，电子经纬仪对测距敏感器基准立方镜进行准直测量，以建立测距敏感器本体坐标系，表示为：o_fx_fy_fz_f；然后分别建立电子经纬仪测量坐标系，表示为：o_d1x_d1y_d1z_d1；全站仪测量坐标系，表示为：o_d2x_d2y_d2z_d2和大地测量控制网坐标系，表示为：o_nx_ny_nz_n，

其中：测距敏感器本体坐标系o_fx_fy_fz_f的原点o_f在测距敏感器的坐标原点，o_fx_f轴为飞行器纵轴(飞行器的前进方向)，o_fy_f轴沿飞行器的横轴(飞行器的左右平移方向)，垂直于纵轴，指向IV象限线，o_fz_f轴与另外两轴构成右手系。

电子经纬仪测量坐标系o_d1x_d1y_d1z_d1的原点o_d1在第一台电子经纬仪目镜的回转中心，o_d1x_d1轴为第一台电子经纬仪指向第二台电子经纬仪的轴线，o_d1z_d1轴指向天顶方向，垂直于o_d1x_d1轴，o_d1y_d1轴与另外两轴构成右手系。

全站仪测量坐标系o_d2x_d2y_d2z_d2的原点o_d2在全站仪目镜的回转中心，o_d2z_d2轴指向天顶方向，以定向方向为o_d2x_d2轴，建立右手直角坐标系。

大地测量控制网坐标系o_nx_ny_nz_n采用WGS 84世界大地坐标系(WorldGeodetic System)。WGS 84坐标系理论上是一个以地球质心为坐标原点的地心坐标系，其坐标系的定向与BIH1984.0所定义的方向一致，其o_nz_n轴指向此BIH系统所定义的协议地极(CTP)的方向，o_nx_n轴即为WGS 84赤道面与WGS格林威治子午面的交线。o_ny_n轴指向按右手法则确定。

(4)在空间选取至少三个位置固定的特征点作为第一类控制点，在地面上选取至少三个大地测绘特征点作为第二类控制点。第一类控制点不在同一条直线上，第二类控制点也不在同一条直线上。

(5)利用电子经纬仪对第一类控制点进行测量，应用角度交会原理测量将第一类控制点坐标转换到测距敏感器本体坐标系下，同时利用全站仪也对第一类控制点进行测量，由此获得测距敏感器本体坐标系和全站仪测量坐标系之间的坐标转换关系。

在本步骤中主要应用了公共点转换原理。公共点转换法是利用不同坐标系下的同一点集的三维坐标值的不同，确定两个坐标系之间坐标系转换参数的一种方法。以测距敏感器本体坐标系(o_fx_fy_fz_f)和全站仪测量坐标系(o_d2x_d2y_d2z_d2)之间转换关系为例说明，在转换的过程中，由于公共点已与自己所在的坐标系之间的关系固定。对两组公共点，存在两个不同坐标系，因此两坐标系之间有三个平移参数和三个旋转参数，记为t＝(X₀，Y₀，Z₀，εx，εy，εz)设公共点在测距敏感器本体坐标系下的坐标为(X_f，Y_f，Z_f)，在全站仪测量坐标系下的坐标为(x_d2，y_d2，z_d2)，测距敏感器本体坐标系(o_fx_fy_fz_f)和全站仪测量坐标系(o_d2x_d2y_d2z_d2)之间转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{d2}\\ y_{d2}\\ z_{d2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{X}_f-X_0\\ Y_f-Y_0\\ Z_f-Z_0\end{array}\right)$

式中的旋转矩阵参数为：

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ϵz}\right)& \sin \left(\mathrm{\ϵz}\right)& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\ϵz}\right)& \cos \left(\mathrm{\ϵz}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ϵy}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{\ϵy}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(\mathrm{\ϵy}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\ϵy}\right)\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\ϵx}\right)& \sin \left(\mathrm{\ϵx}\right)\\ 0& -\sin \left(\mathrm{\ϵx}\right)& \cos \left(\mathrm{\ϵx}\right)\end{array}\right)$

(6)利用全站仪对第二类控制点进行测量，由此获得全站仪测量坐标系和大地测量控制网坐标系之间的坐标转换关系，转换原理同(5)中一样。

(7)利用全站仪对测距敏感器进行测量，并根据步骤(5)和步骤(6)的坐标转换关系，获取测距敏感器在大地测量控制网坐标系下的坐标，具体做法引用前述公式即可。

(8)利用全站仪对反射靶标进行测量，并根据步骤(6)的坐标转换关系，获取反射靶标在大地测量控制网坐标系下的坐标，具体做法引用前述公式即可。

(9)利用步骤(7)和步骤(8)的结果，获取大地测量控制网坐标系下反射靶标到测距敏感器的基准距离。

(10)测距敏感器对反射靶标进行测量，获取实际测量距离并与步骤(9)的基准距离进行比较，由此得到测距敏感器测距误差。

实施例

(1)根据本发明方法步骤中(1)对测距敏感器上的基准立方镜进行准直测量，以建立电子经纬仪测量坐标系和测距敏感器的本体坐标系。实例中应用了郑州辰维科技有限公司研发的工业测量系统进行测距敏感器基准立方镜准直测量建立起测距敏感器的本体坐标系。之后，角度交会构建电子经纬仪工业测量坐标系。该步骤中工业测量系统包括一套由郑州辰维科技有限公司研发的SMN测量软件一套，三台由瑞士徕卡公司生产的TM5005电子经纬仪(T3000电子经纬仪)、一根经过标定的、长度为1096毫米的碳纤维或者铟刚基准尺一根。

(2)根据步骤(2)和(6)中所述，利用瑞士莱卡公司的TDA 5100全站仪(或者，日本索佳公司生产的NET05全站仪)测量大地测量控制网坐标系下的至少三个控制点(第二类控制点)，利用后方交会原理的到全站仪坐标系与大地控制网坐标系的转换关系。

(3)根据步骤(4)中所述，应用郑州辰维科技有限公司研发的工业测量系统对第一类控制点进行测量。该类控制点采用瑞士莱卡Leica公司的反射标志(或者，由日本索佳公司生产的，Sokkia全站仪专用反射标志)。它既可以应用经纬仪测试又可应用全站仪测试。

(4)根据步骤(5)中所述，由全站仪对第一类控制点进行三维坐标测试，然后利用坐标转换方法得到测距敏感器本体坐标系与大地控制网坐标系之间的转换关系。

(5)根据步骤(7)中所述，使用瑞士莱卡公司的TDA 5100全站仪(或者，日本索佳公司生产的NET05全站仪)对测距敏感器反射靶标进行测量，得到反射靶标在大地控制网坐标系下的三维坐标。在大地控制网坐标系下对测距敏感器坐标系与反射靶标三维坐标进行距离计算。同时，使用测距敏感器直接对反射靶标进行距离测量。直接对两组距离值进行比较，得到一组测距精度值。

(6)本实施例中第(5)步要进行多次重复(10次以上)，使用每组差值综合评价该测距敏感器距离测量精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.飞船交会对接用测距敏感器精度的地面测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)在地面上布置一个测距敏感器和两台电子经纬仪，两台电子经纬仪分别架设在测距敏感器基准立方镜两个相邻镜面的法线方向，两台电子经纬仪与基准立方镜的轴线三者所在位置之间的连线构成直角三角形；

(2)在地面上架设一台全站仪，全站仪的架设位置为一个大地测绘特征点，另外在地面上布置一个反射靶标，全站仪、测距敏感器和反射靶标三者所在位置之间的连线构成三角形；

(3)电子经纬仪对测距敏感器基准立方镜进行准直测量，以建立测距敏感器本体坐标系，然后分别建立电子经纬仪测量坐标系、全站仪测量坐标系和大地测量控制网坐标系；

(4)在空间选取至少三个位置固定的特征点作为第一类控制点，在地面上选取至少三个大地测绘特征点作为第二类控制点；所述的第一类控制点不在同一条直线上，所述的第二类控制点也不在同一条直线上；

(5)利用电子经纬仪对第一类控制点进行测量，应用角度交会原理测量将第一类控制点坐标转换到测距敏感器本体坐标系下，同时利用全站仪也对第一类控制点进行测量，由此获得测距敏感器本体坐标系和全站仪测量坐标系之间的坐标转换关系；

(6)利用全站仪对第二类控制点进行测量，由此获得全站仪测量坐标系和大地测量控制网坐标系之间的坐标转换关系；

(7)利用全站仪对测距敏感器进行测量，并根据步骤(5)和步骤(6)的坐标转换关系，获取测距敏感器在大地测量控制网坐标系下的坐标；

(8)利用全站仪对反射靶标进行测量，并根据步骤(6)的坐标转换关系，获取反射靶标在大地测量控制网坐标系下的坐标；

(9)利用步骤(7)和步骤(8)的结果，获取大地测量控制网坐标系下反射靶标到测距敏感器的基准距离；

(10)测距敏感器对反射靶标进行测量，获取实际测量距离并与步骤(9)的基准距离进行比较，由此得到测距敏感器测距误差。

Images