CN104504240A

CN104504240A - 航天器总装精度测量计算方法

Info

Publication number: CN104504240A
Application number: CN201410710525.4A
Authority: CN
Inventors: 李强; 凌敏; 六四伟; 车腊梅
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Equipment
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Equipment
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: CN104504240B

Abstract

本发明提供了一种航天器总装精度测量计算方法，其包括以下步骤：步骤一：定义经纬仪测量坐标系、各立方镜坐标系；步骤二：确定航天器中立方镜方位的测量过程；步骤三：使用单台经纬仪坐标系变换原理进行准直镜面矢量的方位计算；步骤四：使用两台经纬仪坐标系变换原理进行互瞄方位传递的计算；步骤五：利用坐标系变换计算立方镜之间的方位关系。本发明根据经纬仪的测量原理构建测站坐标系，并将立方镜的法线矢量转移到同一测站坐标系下，最终完成各个矢量关系的解算，简便且不容易出错。

Description

航天器总装精度测量计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，具体地，涉及一种航天器总装精度测量计算方法。

背景技术

在航天器总装过程中，通常需要测量有效载荷、单机(如星敏、陀螺、飞轮等)与航天器基准之间以及有关载荷与载荷、单机之间的方位关系。由于航天器需要测量的待测部件往往空间狭小，结果复杂，因此普遍的做法是在这些单机或载荷上安置固定一些立方镜，以此将其姿态或光学路径转换到立方镜上。

立方镜是由6个平面度较高的镜面组成的正立方体，其中5个为工作面，一搬采用石英晶体或金属制作，表面镀有反射膜，如图1所示。其相邻两个面有着较高的垂直度，垂直度加工误差约为1″～3″。利用立方镜的三个相邻面的法线就可以构成一个纯角度坐标系，因此对部件的姿态测量就可以转换到对立方镜姿态的测量。

目前立方镜之间的方位关系都是通过经纬仪建站测量实施的。实际测量时，使用3台及以上经纬仪进行准直、互瞄等过程，将被测对象上光学立方镜反射面的法线联系起来，以此计算它们之间的角度关系，如解放军信息工程大学测绘学院的杨振等刊登的《准直测量进行高精度立方镜间关系标定》。但目前采用的计算方法繁杂且容易出错，应用范围很局限。因此有必要应用一种新的航天器总装精度测量计算方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器总装精度测量计算方法，其根据经纬仪的测量原理构建测站坐标系，并将立方镜的法线矢量转移到同一测站坐标系下，最终完成各个矢量关系的解算，简便且不容易出错。

根据本发明的一个方面，提供一种航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述航天器总装精度测量计算方法包括以下步骤：

步骤一：定义经纬仪测量坐标系、各立方镜坐标系；

步骤二：确定航天器中立方镜方位的测量过程；

步骤三：使用单台经纬仪坐标系变换原理进行准直镜面矢量的方位计算；

步骤四：使用两台经纬仪坐标系变换原理进行互瞄方位传递的计算；

步骤五：利用坐标系变换计算立方镜之间的方位关系。

优选地，所述航天器总装精度测量计算方法结合经纬仪测量设备的特点建立测量坐标系；利用立方镜的形状特点建立立方镜坐标系；经纬仪准直测量立方镜时镜面法线矢量的表示；经纬仪互瞄测量时其各自测量坐标系的传递；最后将各经纬仪测量坐标系下的镜面矢量统一到一个测量坐标系下描述，实现立方镜的方位关系计算。

优选地，所述步骤三的单台经纬仪坐标系变换原理如下：经纬仪在准直时的坐标系定义为准直测站坐标系{A}，当其旋转θ角时将产生一个新的坐标系{B}，两个坐标系之间的变换关系为如下式：

R_{B}^{A} = f (θ) = [\begin{matrix} \cos (θ) & - \sin (θ) & 0 \\ \sin (θ) & \cos (θ) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] .

优选地，所述步骤四的两台经纬仪坐标系变换原理如下：两台经纬仪互瞄时将要进行测站坐标系的传递，按坐标系转换原理可以知道变换关系为如下式：

优选地，所述经纬仪是一种基于大地水平和自身调平进行测量的仪器。

优选地，所述步骤五采用四台经纬仪分别准直两个立方镜的各自相邻两个镜面。

优选地，所述两个立方镜为基准立方镜和单机立方镜。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明根据经纬仪的测量原理构建测站坐标系，并将立方镜的法线矢量转移到同一测站坐标系下，最终完成各个矢量关系的解算，简便且不容易出错，应用范围广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中经纬仪(以Leica TM5100A为例)测量坐标系定义的示意图。

图2为本发明中单台经纬仪测站坐标系旋转示意图。

图3为本发明中两台经纬仪互瞄时测站坐标系关系示意图；

图4为本发明中经纬仪准直立方镜时镜面矢量关系示意图；

图5为本发明中航天器总装精度测量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明航天器总装精度测量计算方法包括以下步骤：

步骤一：定义经纬仪测量坐标系、各立方镜坐标系；首先定义经纬仪测站坐标系(本发明涉及到的坐标系只有角度关系，不涉及位置关系)：经纬仪是一种基于大地水平和自身调平进行测量的仪器。测量时，所有仪器的竖直轴互相平行，并垂直于大地水平面，可定义其测站坐标系为如图1所示，竖直向上为+Z轴，水平度盘的任意位置为+X轴(即视准轴在水平面的投影方向)，第三个方向由右手法则确定。

步骤二：确定航天器中立方镜方位的测量过程；

步骤三：使用单台经纬仪坐标系变换原理进行准直镜面矢量的方位计算；单台经纬仪坐标系变换原理如下：如图2所示，经纬仪在准直时的坐标系定义为准直测站坐标系{A}，当其旋转θ角(按右手法则逆时针为正)时将产生一个新的坐标系{B}，两个坐标系之间的变换关系为如下式(1)：

R_{B}^{A} = f (θ) = [\begin{matrix} \cos (θ) & - \sin (θ) & 0 \\ \sin (θ) & \cos (θ) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] . . . (1)

其中R表示坐标系{B}到{A}的角度旋转变换矩阵，f定义为θ的函数。

步骤四：使用两台经纬仪坐标系变换原理进行互瞄方位传递的计算；两台经纬仪坐标系变换原理如下：如图3所示，两台经纬仪互瞄时将要进行测站坐标系的传递，按坐标系转换原理可以知道变换关系为如下式(2)：

单台经纬仪准直测量时立方镜镜面法线矢量的表示：如图4所示，当经纬仪准直立方镜镜面时，按经纬仪测站坐标系的定义，此时立方镜镜面法线矢量可以表示为如下式(3)：

v_{i}^{Ti} = {[\begin{matrix} - \sin (180 - σ_{i}) & 0 & \cos (180 - σ_{i}) \end{matrix}]}^{'} . . . (3)

其中，i表示测站号，σ_i为经纬仪俯仰角的度数，也即其望远镜视准轴与竖直向上方向的夹角，v表示立方镜镜面法线矢量。

步骤五：利用坐标系变换计算立方镜之间的方位关系，也即各立方镜坐标系之间的坐标转换。

两立方镜方位关系测量过程如图5所示，采用四台经纬仪(第一经纬仪T1、第二经纬仪T2、第三经纬仪T3、第四经纬仪T4)分别准直两个立方镜(基准立方镜Q1和单机立方镜Q2)的各自相邻两个镜面；然后瞄准基准立方镜的两个经纬仪(第一经纬仪T1、第二经纬仪T2)互瞄，建立第一经纬仪T1和第二经纬仪T2之间的关系；最后瞄准单机立方镜的第三经纬仪T3、第四经纬仪T4与第一经纬仪T1、第二经纬仪T2中之一进行互瞄，以便将单机立方镜镜面矢量传递到基准立方镜坐标系中。

按照图5所示测量过程，经纬仪之间坐标系转换关系计算步骤，其中表示第一经纬仪T1和第二经纬仪T2互瞄时，第一经纬仪T1所在坐标系到基准立方镜时的坐标系的转换关系，其余以此类推：a1，第一经纬仪T1和第二经纬仪T2准直互瞄： a2，第三经纬仪T3准直及其与第一经纬仪T1互瞄：a3，第四经纬仪T4准直及其与第二经纬仪T2互瞄：

两立方镜方位关系计算步骤如下，其中表示镜面矢量v₁在第一经纬仪T1坐标系下的矢量表示：将各镜面矢量转换到测站坐标系T11下，将镜面2矢量转换到坐标系T11中：此时可以计算立方镜两个镜面的夹角关系，用于现场测量的数据检核：将镜面3矢量转换到坐标系T11中：将镜面4矢量转换到坐标系T11中：

v_{4}^{T 1} = R_{T 12}^{T 1} \cdot R_{T 21}^{T 12} \cdot R_{T 2}^{T 21} \cdot R_{T 24}^{T 2} \cdot {R_{T 42}^{T 24} R}_{T 4}^{T 42} \cdot v_{4}^{T 4} .

构建两立方镜坐标系并计算它们之间的关系：构建基准坐标系A，镜面1保持不变：

v_{x}^{A} = v_{1}^{T 1}, v_{y^{'}}^{A} = v_{2}^{T 1}, v_{z}^{A} = v_{x}^{A} \times v_{y^{'}}^{A}, v_{y}^{A} = v_{z}^{A} \times v_{x}^{A};

计算坐标系A与测站坐标系T11之间的关系：

R_{T 1}^{A} = {[\begin{matrix} v_{x}^{A} & v_{y}^{A} & v_{z}^{A} \end{matrix}]}^{- 1};

计算镜面矢量在A坐标系下的表达：

v_{3}^{A} = R_{T 1}^{A} \cdot v_{3}^{T 1},

v_{4}^{A} = R_{T 1}^{A} \cdot v_{4}^{T 1};

构建单机坐标系B，镜面3保持不变：

v_{x}^{B} = v_{3}^{A}, v_{y^{'}}^{B} = v_{4}^{A}, v_{z}^{B} = v_{x}^{B} \times v_{y^{'}}^{B}, v_{y}^{B} = v_{z}^{B} \times v_{x}^{B};

计算单机坐标系与基准坐标系之间的变换关系：

R_{B}^{A} = [\begin{matrix} v_{x}^{B} & v_{y}^{B} & v_{z}^{B} \end{matrix}] .

本发明结合经纬仪测量设备的特点建立测量坐标系；利用立方镜的形状特点建立立方镜坐标系；经纬仪准直测量立方镜时镜面法线矢量的表示；经纬仪互瞄测量时其各自测量坐标系的传递；最后将各经纬仪测量坐标系下的镜面矢量统一到一个测量坐标系下描述，实现立方镜的方位关系计算。本发明可用于航天器中利用经纬仪测量安装在航天器上的立方镜方位的计算，也能用于经纬仪建站测量点坐标的过程中。立方镜的坐标系定义根据实际需要进行确定，一般按右手法则，确定相邻三个垂直面的法线方向分布为+X、+Y、+Z轴，并按一定的规则进行正交化修正。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述航天器总装精度测量计算方法包括以下步骤：

步骤一：定义经纬仪测量坐标系、各立方镜坐标系；

步骤二：确定航天器中立方镜方位的测量过程；

步骤五：利用坐标系变换计算立方镜之间的方位关系。

2.根据权利要求1所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述航天器总装精度测量计算方法结合经纬仪测量设备的特点建立测量坐标系；利用立方镜的形状特点建立立方镜坐标系；经纬仪准直测量立方镜时镜面法线矢量的表示；经纬仪互瞄测量时其各自测量坐标系的传递；最后将各经纬仪测量坐标系下的镜面矢量统一到一个测量坐标系下描述，实现立方镜的方位关系计算。

3.根据权利要求1所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述步骤三的单台经纬仪坐标系变换原理如下：经纬仪在准直时的坐标系定义为准直测站坐标系{A}，当其旋转θ角时将产生一个新的坐标系{B}，两个坐标系之间的变换关系为如下式：

R_{B}^{A} = f (θ) = [\begin{matrix} \cos (θ) & - \sin (θ) & 0 \\ \sin (θ) & \cos (θ) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] .

4.根据权利要求1所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述步骤四的两台经纬仪坐标系变换原理如下：两台经纬仪互瞄时将要进行测站坐标系的传递，按坐标系转换原理可以知道变换关系为如下式：

5.根据权利要求1所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述经纬仪是一种基于大地水平和自身调平进行测量的仪器。

6.根据权利要求1所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述步骤五采用四台经纬仪分别准直两个立方镜的各自相邻两个镜面。

7.根据权利要求6所述的航天器总装精度测量计算方法，其特征在于，所述两个立方镜为基准立方镜和单机立方镜。