CN106342197B - 一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统 - Google Patents
一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统Info
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Abstract
本发明提供一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，其特征在于，近距离动态精度指标测试子系统，通过高速滑轨、低速滑轨以及转台同时运动，使被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟，对被测激光设备进行测量和标校；远距离动态精度指标测试子系统，包括设备车、目标车以及两套车载差分GPS系统，通过两套GPS接收机构成双差分GPS系统，在设备车和目标车运动中实时高精度测量其相对距离；安装于设备车顶的两维转台动态模拟被测激光设备相对于合作目标在空间的运动情形，使被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟，对被测激光设备进行测量和标校。本发明能够解决激光设备在高速和大动态距离范围条件下无法测试其动态精度指标和问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光设备的计量和测试设备领域，特别涉及一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统。
背景技术
目前可用激光跟踪仪实现对激光设备的动态精度测试。该方法使用激光跟踪仪及合作目标(靶球)完成。测试时，把激光跟踪仪安装在被测激光设备尽可能近的地方，把靶球放置在待测的目标处，激光跟踪仪首先稳定跟踪上靶球，然后，被测设备和待测目标连同激光跟踪仪系统分别整体运动，根据激光跟踪仪测试输出的相对于靶球的坐标、测试点的时间间隔等，通过几何坐标转换等，计算出被测激光设备的动态精度指标。
使用激光跟踪仪测试激光设备动态精度的缺点是：1)测试距离近。一般在100m以内；通过多台激光跟踪仪联合测试的方法可以扩大测试距离，但会带来精度的降低。2)测试的限制要求较大。激光跟踪仪测试法对运动速度、运动范围要求较严格。一般运动速度在2～3m/s以内，测试时目标相对被测激光设备的允许角度范围比较小，一旦超出测试范围，激光跟踪仪就会丢失靶球，导致测试过程失败。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，能够解决激光设备在高速和大动态距离范围条件下无法测试其动态精度指标和问题。
本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，包括近距离动态精度指标测试子系统和远距离动态精度指标测试子系统，其中，所述近距离动态精度指标测试子系统，通过高速滑轨、低速滑轨以及转台同时运动，使被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟，对被测激光设备进行测量和标校；所述远距离动态精度指标测试子系统，包括设备车、目标车以及两套车载差分GPS系统，通过两套GPS接收机构成双差分GPS系统，在设备车和目标车运动中实时高精度测量其相对距离；安装于设备车顶的两维转台动态模拟被测激光设备相对于合作目标在空间的运动情形，使被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟，对被测激光设备进行测量和标校。
其中，在所述近距离动态精度指标测试子系统中，通过高精度测量多自由度轨道系统的各直角坐标分量值，转换为被测激光设备球坐标下的坐标分量值，完成对被测激光设备的测量标校。
其中，在所述近距离动态精度指标测试子系统中，通过测量滑轨的电动车和转台的横向位移、纵向位移、方位角、俯仰角，计算得出转台中心到合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角，再经过坐标转换，得出被测激光设备相对于合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角测量理论参考值，完成对激光设备的动态测试标校。
其中，在所述近距离动态精度指标测试子系统中，在低速滑轨的电动车上安装一台两轴转台，在转台上安装待测的激光设备；在高速滑轨上安装一个手动两维转动支架，支架上安装测试用合作目标，根据滑轨控制系统在位移和角度测量的时间间隔，计算出被测激光设备相对于合作目标的视线距离变化率、视线角速度以及视线加速度和视线角加速度。
其中，所述滑轨控制系统，用于控制安装在滑轨上的电动车的驱动电机，驱动电机带动齿轮转动，与滑轨上安装的齿条相互作用，驱动平板车在滑轨上前后运动。
其中，所述滑轨为T型垂直排列的两条滑轨，横向为低速短滑轨，纵向为高速长滑轨，低速滑轨同时完成转台的方位/俯仰角度运动和横向平移运动，高速滑轨实现手动方位/俯仰两维角度运动和纵向平移运动。
进一步地，在所述远距离动态精度指标测试子系统中，在设备车和目标车相向或相对运动的同时，车载转台按设定的角度和角速度运动；数据采集系统采集GPS数据、惯导IMU姿态数据、转台角度数据；设备车数传电台发送基准站GPS坐标信息和观测信息给目标车接收电台；目标车GPS接收机将接收到的GPS数据进行差分处理，得到高精度的两车相对距离；目标车数传电台发送此相对距离值给设备车，设备车数据采集系统综合转台角度、惯导姿态数据、相对距离等，经过坐标转换和计算，得出被测激光设备到目标车合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角理论数据值，在同步定时信号作用下，与被测激光设备测量得出的视线距离、视线方位角、视线俯仰角进行比对，完成对被测激光设备的动态测试标校。
另外，在设备车上包括两维转台、基准站GPS、惯性导航设备IMU、数据采集系统和发射/接收电台，其中，两维转台，用于模拟被测激光设备的空间方位角姿态和俯仰角姿态变化；基准站GPS，用于输出设备车上GPS天线相位中心在坐标系下的坐标X1，Y1，Z1；惯性导航设备IMU，用于输出被测激光设备在设备车运动中的姿态角；数据采集系统，用于在被测激光设备测量输出的同一时刻，同步采集转台、被测激光设备、IMU、GPS的测量值，并输出基准站GPS的观测数据和接收移动站的GPS差分改正数；发射/接收电台，用于把基准站GPS的观测数据发送给移动站，接收移动站的GPS差分改正数。
另外，在目标车上包括两维转台、移动站GPS、惯性导航设备IMU、数据采集系统和发射/接收电台，其中，两维转台，用于模拟合作目标的空间位置变化，用于测试在不同的激光入射角条件下被测激光设备的性能指标；移动站GPS，用于输出目标车上GPS天线相位中心在坐标系下的坐标X2，Y2，Z2；惯性导航设备IMU，用于输出目标车运动中的姿态角；数据采集系统，用于采集转台、IMU、GPS的测量值，并接收基准站的GPS观测数据，输出GPS差分改正数；发射/接收电台，用于接收基准站GPS的观测数据，发送GPS差分改正数给移动站。
本发明的有益效果是：依照本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，能够解决激光设备在高速和大动态距离范围条件下无法测试其动态精度指标和问题。在1m～160m范围内可实现对激光设备的视线距离优于1cm、视线角优于0.01°的测试，在100m～20km范围内可实现对激光设备视线距离优于0.1m、视线角优于0.1°的测试。
附图说明
图1为本发明的激光设备近距离动态精度指标测试系统构成示意图；
图2为激光设备近距离动态精度指标测试标校系统组成示意图；
图3为设备车安装示意图；
图4为合作目标车安装示意图；
图5为激光设备远距离动态精度指标测试标校系统组成示意图。
具体实施方式
以下，参考图1～5详细描述本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统。
需要说明的是，本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统是对空间交会对接激光雷达进行远近距离动态精度指标测试，该对空间交会对接激光雷达用在追踪飞船与目标飞船接近段和靠拢段，距离从20km-0.8m，角度范围从90°(方位角)×95°(俯仰角)，完成对目标飞船的搜索、捕获、跟踪、测量，实时获取目标相对距离、距离变化率、视线角、视线角度变化率、速度、速度变化率等参数，支持飞船GNC系统制导导航控制，完成飞船空间交会对接任务。本发明测试系统针对上述六个参数在激光雷达全工作范围内进行测量和标量。
本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，包括近距离动态精度指标测试子系统和远距离动态精度指标测试子系统。
如图1所示，在近距离动态精度指标测试子系统中，包括T型垂直排列的两条滑轨，横向为低速短滑轨，纵向为高速长滑轨，滑轨上安装电动平板车，平板车的驱动电机带动齿轮转动，与滑轨上安装的齿条相互作用，驱动平板车在滑轨上前后运动。低速滑轨的电动车上安装一台两轴精密电控转台，转台上安装待测的激光设备；高速滑轨上安装一个手动两维转动支架，上面安装测试用合作目标。低速滑轨可同时完成转台的方位/俯仰角度运动和横向平移运动，高速滑轨实现手动方位/俯仰两维角度运动和纵向平移运动。在图1中，被测激光设备安装在低速轨道系统的两轴转台的圆形负载盘上，其测量参考坐标原点与转台轴心尽可能靠近，合作目标安装在高速轨道系统的两维转台上，其几何中心与两维转台轴心尽可能靠近。
在近距离动态精度指标测试子系统中，近距离动态测试标校原理如下：
通过高精度测量多自由度轨道系统的各直角坐标分量值，转换为被测激光设备球坐标下的坐标分量值，完成对被测激光设备的测量标校。
低速轨道车沿短轨道作X方向的左右运动，高速轨道车沿长轨道作Y方向的前后运动，低速轨道车的转台连同被测激光设备作方位角α和俯仰角β两维角度运动，模拟被测激光设备在空间的姿态运动，在被测激光设备正常工作输出自身测量数据的同一时刻，数据采集系统同步采集X，Y，α，β这四个自由度的数据，连同试验前测出的被测激光设备相对于合作目标的高度差值Z，被测激光设备相对于转台轴心的转动半径r，可以通过空间几何关系计算，得出被测激光设备到合作目标的实时坐标X′，Y′，Z′。
X′＝X-rsinαcosβ
Y′＝Y-rcosαcosβ
Z′＝Z-rsinβ
其对应的球坐标ρ1，α1，β1，可用来对被测激光设备测量输出的ρ2，α2，β2直接比对，对被测激光设备进行测试和标校。
高速轨道车上的两维转台用于模拟被测激光设备在不同的入射角条件下的测试情况。
在具体实现时，低速短滑轨的长度可以为20m，高速长滑轨的长度可以为168m。齿轮齿条传动能保证传动平稳、精度较高、可无限接长而使行程不受限制、传动误差基本不累积、传动速度高、传动效率高。滑轨平板车的驱动电机轴上安装高精度光电轴角编码器，通过测量电机的转角，转化为对电动车的位移测量。
在对被测激光设备进行测量和标校时，高速滑轨、低速滑轨以及转台同时运动，因此可实现被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟。如图2所示，控制系统通过测量滑轨上的电动车和转台的横向位移、纵向位移、方位角、俯仰角，可计算得出转台中心到合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角。再经过坐标转换，得出被测激光设备相对于合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角测量理论参考值，从而完成对激光设备的动态测试标校。根据滑轨控制系统在位移和角度测量的时间间隔，可计算出被测激光设备相对于合作目标的视线距离变化率、视线角速度以及视线加速度和视线角加速度等。高速轨道电动车上安装的两维手动转台，可用于在测试过程中通过预先设定的合作目标相对于待测激光设备的入射角，测试在不同激光入射角条件下的各种动态精度指标。
另外，在远距离动态精度指标测试子系统中，包括两套车载差分GPS系统及其他设备(设备车和目标车)，用于在地面完成激光设备的远场动态精度测试。图3为远距离动态精度指标测试子系统中设备车安装示意图。图4为远距离动态精度指标测试子系统中目标车安装示意图。
其中，设备载车安装有GPS接收机(基准站)、数传电台、高精度惯导、高精度转台、数据采集卡和计算机，车载发电机、UPS电源等设备，目标载车安装有GPS接收机(移动站)、数传电台、高精度惯导、高精度转台、数据采集卡和计算机，车载发电机、UPS电源等设备。两套GPS接收机构成双差分GPS系统，可在两车运动中实时高精度测量其相对距离；安装于设备车顶的两维转台可动态模拟被测激光设备相对于合作目标在空间的运动情形；高精度惯导测量转台及载车在运动时造成被测激光设备的姿态变化；数传电台用于传输GPS差分改正数；数据采集卡和计算机用于实时采集GPS、惯导、转台数据，计算和现实数据和处理结果。车载发电机和UPS用于在载车运动过程中对各设备提供供电电源。
在对被测激光设备进行远场测量和标校时，两台载车可以相向或相对运动，同时车载转台按设定的角度和角速度运动；数据采集计算机采集GPS数据、惯导姿态数据、转台角度数据；设备车数传电台发送基准站GPS坐标信息和观测信息给目标车接收电台；目标车GPS接收机将接收到的GPS数据进行差分处理，得到高精度的两车相对距离；目标车数传电台发送此相对距离值给设备车，设备车数据采集计算机综合转台角度、惯导姿态数据、相对距离等，经过坐标转换和计算，得出被测激光设备到目标车合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角等理论数据值，在同步定时信号作用下，与被测激光设备测量得出的视线距离、视线方位角、视线俯仰角进行比对，完成对被测激光设备的动态测试标校。
根据数据采集计算机记录的原始测量数据的时间间隔，可计算出被测激光设备相对于合作目标的视线距离变化率、视线角速度以及视线加速度和视线角加速度等。
目标车上安装的两维转台，可用于在试验过程中通过预先设定的合作目标相对于待测激光设备的入射角，测试在不同激光入射角条件下的各种动态精度指标。
如图5所示，合作目标为被测激光设备提供测试中的参考目标，被测激光设备输出其相对于合作目标的球坐标值。
其中，设备车上各功能模块的作用如下：
两维转台，用于模拟被测激光设备的空间方位角姿态和俯仰角姿态变化；
GPS(基准站)，用于输出设备车上GPS天线相位中心在WGS-84坐标系下的坐标X1，Y1，Z1；
IMU(惯性导航设备)，用于输出被测激光设备在设备车运动中的姿态角；
数据采集系统，用于在被测激光设备测量输出的同一时刻，同步采集转台、被测激光设备、IMU、GPS的测量值，并输出基准站GPS的观测数据和接收移动站的GPS差分改正数；
发射/接收电台，用于把基准站GPS的观测数据发送给移动站，接收移动站的GPS差分改正数。
目标车上各功能模块的作用如下：
两维转台，用于模拟合作目标的空间位置变化，用于测试在不同的激光入射角条件下被测激光设备的性能指标；
GPS(移动站)，用于输出目标车上GPS天线相位中心在WGS-84坐标系下的坐标X2，Y2，Z2；
IMU，用于输出目标车运动中的姿态角；
数据采集系统，用于采集转台、IMU、GPS的测量值，并接收基准站的GPS观测数据，输出GPS差分改正数；
发射/接收电台，用于接收基准站GPS的观测数据，发送GPS差分改正数给移动站。
在远距离动态精度指标测试子系统中，远距离动态测试标校原理如下：
设备车和目标车运动时，在被测激光设备输出相对于合作目标的球坐标值ρ2，α2，β2的同时，设备车上的GPS接收机(基准站)输出自身天线相位中心坐标X1，Y1，Z1，目标车上的GPS接收机输出自身天线相位中心坐标X2，Y2，Z2，其对应差值X＝X1-X2，Y＝Y1-Y2，Z＝Z1-Z2，分别为两GPS天线相位中心的相对距离在WGS-84坐标系下的坐标分量，设备车上的IMU(惯导)输出被测激光雷达在设备车运动中的姿态角，目标车上的IMU(惯导)输出合作目标在目标车运动中的姿态角，用于将差值坐标分量X，Y，Z转换为被测激光设备坐标系下的对应坐标分量X′，Y′，Z′，修正被测激光设备测量参考点到设备车GPS天线相位中心的坐标偏移、以及合作目标到目标车GPS天线相位中心的的坐标偏移，其对应的球坐标值ρ1，α1，β1，可用来对被测激光设备测量输出的坐标值ρ2，α2，β2直接比对，对被测激光设备进行测试和标校。目标车上的两维转台用于模拟被测激光设备在不同的入射角条件下的测试情况。
综上所述，依照本发明的用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，通过近距离和远距离测试结合的方法，近距离使用高精度多自由度轨道，通过测量轨道车的位移，转化为激光设备的视线距离和视线角的动态测试；远距离采用差分GPS系统及其他高精度测试设备，通过测量GPS系统的相对坐标，转化为对激光设备的视线距离和视线角的动态测试，能够解决激光设备在高速和大动态距离范围条件下无法测试其动态精度指标和问题。在1m～160m范围内可实现对激光设备的视线距离优于1cm、视线角优于0.01°的测试，在100m～20km范围内可实现对激光设备视线距离优于0.1m、视线角优于0.1°的测试。
以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于对激光设备进行远近距离动态精度指标测试的系统，其特征在于，包括近距离动态精度指标测试子系统和远距离动态精度指标测试子系统，其中，
所述近距离动态精度指标测试子系统，包括高速滑轨、低速滑轨，所述高速滑轨和所述低速滑轨为T型垂直排列，横向为所述低速滑轨，纵向为所述高速滑轨，所述低速滑轨同时完成二维转台的方位/俯仰角度运动和横向平移运动，所述高速滑轨实现手动方位/俯仰两维角度运动和纵向平移运动；
在所述低速滑轨上的电动车上安装一台二维转台，在所述二维转台上安装待测的激光设备；在所述高速滑轨上安装一个手动两维转动支架，所述手动两维转动支架上安装测试用合作目标，根据滑轨控制系统在位移和角度测量的时间间隔，计算出被测激光设备相对于所述合作目标的视线距离变化率、视线角速度以及视线加速度和视线角加速度；
通过高精度测量所述高速滑轨和所述低速滑轨的各直角坐标分量值，转换为被测激光设备球坐标下的坐标分量值具体为：
通过测量所述高速滑轨上的电动车和手动两维转动支架、以及所述低速滑轨上的电动车和二维转台的横向位移、纵向位移、方位角、俯仰角，计算得出二维转台中心到合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角，再经过坐标转换，得出被测激光设备相对于所述合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角测量理论参考值；
所述近距离动态精度指标测试子系统通过高速滑轨、低速滑轨以及二维转台同时运动，模拟被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动，对被测激光设备进行测量和标校；
所述远距离动态精度指标测试子系统，包括设备车、目标车以及两套车载GPS，通过两套车载GPS构成双差分GPS系统；
在设备车上包括二维转台、基准站GPS、惯性导航设备IMU、数据采集系统和数传电台，其中，
二维转台，用于模拟被测激光设备的空间方位角姿态和俯仰角姿态变化；
基准站GPS，用于输出设备车上GPS天线相位中心在坐标系下的坐标X1，Y1，Z1；
惯性导航设备IMU，用于输出被测激光设备在设备车运动中的姿态角；
数据采集系统，用于在被测激光设备测量输出的同一时刻，同步采集二维转台、被测激光设备、惯性导航设备IMU、基准站GPS的测量值，并输出基准站GPS的观测数据和接收目标车的GPS差分改正数；
数传电台，用于把基准站GPS的观测数据发送给目标车，接收目标车的GPS差分改正数；
在目标车上包括二维转台、移动站GPS、惯性导航设备IMU、数据采集系统和数传电台，其中，
二维转台，用于模拟合作目标的空间位置变化，用于测试在不同的激光入射角条件下被测激光设备的性能指标；
移动站GPS，用于输出目标车上GPS天线相位中心在坐标系下的坐标X2，Y2，Z2；
惯性导航设备IMU，用于输出目标车运动中的姿态角；
数据采集系统，用于采集二维转台、惯性导航设备IMU、基准站GPS的测量值，并接收基准站的GPS观测数据，输出GPS差分改正数；
数传电台，用于接收基准站GPS的观测数据，发送GPS差分改正数给设备车；
在设备车和目标车运动中实时高精度测量其相对距离；安装于设备车顶的二维转台动态模拟被测激光设备相对于合作目标在空间的运动情形，使被测激光设备相对于合作目标在空间的六自由度运动模拟，在设备车和目标车相向或相对运动的同时，二维转台按设定的角度和角速度运动；数据采集系统采集GPS数据、惯性导航设备IMU姿态数据、二维转台角度数据；设备车数传电台发送基准站GPS坐标信息和观测信息给目标车数传电台；移动站GPS将接收到的GPS数据进行差分处理，得到高精度的两车相对距离；目标车数传电台发送此相对距离值给设备车，设备车数据采集系统综合二维转台角度、惯导姿态数据、相对距离，经过坐标转换和计算，得出被测激光设备到目标车合作目标的视线距离、视线方位角、视线俯仰角理论数据值，在同步定时信号作用下，与被测激光设备测量得出的视线距离、视线方位角、视线俯仰角进行比对，完成对被测激光设备的动态测试标校。
2.如权利要求1所述的用于对激光设备进行远近距离的动态精度指标测试的系统，其特征在于，
所述滑轨控制系统，用于控制安装在所述高速滑轨和所述低速滑轨上的电动车的驱动电机，驱动电机带动齿轮转动，与所述高速滑轨和所述低速滑轨上安装的齿条相互作用，驱动电动车在所述高速滑轨和所述低速滑轨上前后运动。
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