CN106524992A - 航天器高精度角度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器高精度角度测量系统及方法，包括准直测量子系统、机械伺服子系统，机械伺服子系统包括航天器停放架等，准直测量子系统包括第一基准经纬仪等，在使用过程中，将航天器本体静置于航天器停放架上；第一基准经纬仪、第二基准经纬仪都固定安装在基准定位支架上；准直经纬仪固定在竖直运动支架上，并沿上下运动；整个竖直运动支架安装在环形转台上，环形转台实现0～360°的方位旋转，整个机械伺服系统运动将形成一个高度的柱形空间。本发明采用CCD光电自准直仪代替传统的光学经纬仪的望远镜系统，提高了测量数据的准确性和稳定性，并且具有自动读数功能。

Description

航天器高精度角度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种航天器测量系统及方法，具体地，涉及一种航天器高精度角度测量系统及方法。

背景技术

航天器总装过程中通常利用光学立方镜(正六面体)中任意3个相邻反射面构成的坐标系代表设备的角度姿态，测量设备的姿态实际测量的是立方镜反射面之间的法线见的夹角。目前国内外普遍采用是利用多台电子经纬仪联机建站的测量方法，如Leica公司的TM5100A/TM6100A等，通过多台经纬仪同时准直需要测量的立方镜镜面，然后在根据需要两两互瞄，将待测镜面矢量转移到经纬仪的测站坐标系，最后通过计算矢量关系得到镜面法线之间的夹角关系。通过优化算法，实际使用过程中可以得到约15″～20″的角度测量精度，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》。

但是该方法在实际使用过程中，存在以下几点不足：

一，使用经纬仪必须用人眼进行观测，实际测试过程中会受到不同人眼视力、待测目标距离远近、光照等因素影响，尤其是长时间进行测量时更易受到主观因素的影响，从而影响了测量精度；

二，经纬仪互瞄环节较多，会造成一定的误差累积；由于互瞄时需要调节仪器焦距，不同远近不同观测人员会得到不同的测量精度，通常来说测量一组镜面需要至少进行两次互瞄，多次互瞄后系统精度降低；

三，使用上述测量方法必须依靠人员观测镜面法线方向，经纬仪观测时必须根据镜面法线的高度进行调平、准直、互瞄，因此其无法实现自动化，测量效率较低。

因此，有必要研制一种航天器高精度角度测量系统。

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高精度角度测量系统及方法,其采用CCD光电自准直仪代替传统的光学经纬仪的望远镜系统，提高了测量数据的准确性和稳定性，并且具有自动读数功能；结构简单，其所建立的统一坐标系代替了传统的互瞄传递，减少了误差累积；使用机械伺服系统配合准直测量系统工作，可以根据理论值或标定值，实现全系统的自动化测量，大大提高测量效率。

根据本发明的一个方面，提供一种航天器高精度角度测量系统，其特征在于，包括准直测量子系统、机械伺服子系统，其中，机械伺服子系统包括航天器停放架、基准定位支架、环形转台、竖直运动支架、航天器本体，准直测量子系统包括第一基准经纬仪、第二基准经纬仪、准直经纬仪，在使用过程中，将航天器本体静置于航天器停放架上；第一基准经纬仪、第二基准经纬仪都固定安装在基准定位支架上；准直经纬仪固定在竖直运动支架上，并沿上下运动；整个竖直运动支架安装在环形转台上，环形转台实现0～360°的方位旋转，整个机械伺服系统运动将形成一个高度H的柱形空间；

准直经纬仪包括一个第一二维转台、一个光电自准直仪、一个第一双轴电子水平仪，其中第一二维转台是一种提高精密二维转角的设备，运动形式上主要分为方位旋转和俯仰旋转，两者同时进行，但是俯仰旋转是建立在方位旋转的基础上；光电自准直仪是一种高精度的小角度测量设备，内有CCD接收发出的光，以得到待测镜面相对仪器光路的偏转角度，使用时将光管嵌入固定到第一二维转台俯仰轴上，并随之运动；第一双轴电子水平仪嵌入到第一二维转台方位轴上，提供了系统测量的水平基准；

第一基准经纬仪和第二基准经纬仪包括一个第二二维转台、一个高精度平面镜、一个第二双轴电子水平仪，其中第二二维转台和电双轴电子水平仪和准直经纬仪功能一致，高精度平面镜则是用于与准直经纬仪互瞄，以实现将待测目标矢量转移到统一的基准测量坐标系下；第二双轴电子水平仪通过过渡板固定安装到第二二维转台的方位轴旋转面上，并随方位轴一起旋转；为了保证第二双轴电子水平仪工作时不超其量程，第二双轴电子水平仪在安装的时候需要一定的安装精度，一般两个方向相对方位旋转面的倾斜不超过其量程的1/20～1/10；第二双轴电子水平仪的安装精度主要是将二维转台分别在0°方向和180°方向读取第二双轴电子水平仪某一方向读数。

本发明还提供一种航天器高精度角度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，测量准备，将航天器放置在航天器停放架上，系统采用第一基准经纬仪、第二基准经纬仪，并均布在两边；准直经纬仪固定在竖直运动支架上；

步骤二，基准标定；

步骤三，准直测量待测目标；

步骤四，准直经纬仪与第一基准经纬仪、第二基准经纬仪互瞄；

步骤五，重复步骤三和步骤四，继续其他待测目标的测量与计算；

步骤六，测量解算。

优选地，所述步骤二包括以下步骤：

步骤二十一，将准直经纬仪通过竖直运动机构运动到与基准定位支架基本相等的高度；

步骤二十二，准直经纬仪与第一基准经纬仪互瞄，并记录第一基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十三，准直经纬仪与第二基准经纬仪互瞄，并记录第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十四，通过上述读数在参考水平面计算第一基准经纬仪、第二基准经纬仪零位转台投影水平面坐标系的关系。

优选地，所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一，利用竖直导轨的和环形转台的运动，将准直经纬仪转移到待测目标矢量方向与柱形运动空间的交点位置，

步骤三十二，准直经纬仪与待测目标对准，此时只要有光管读数，并尽量通过转台转动，使读数小于20″，并记下转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤三十三，通过上述读数计算待测镜面法线在准直经纬仪零位转台投影水平面坐标系下的表达。

优选地，所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一，保持准直经纬仪空间位置不变，转动俯仰和方位，使其与第一基准经纬仪或第二基准经纬仪进行互瞄，并记录此时准直经纬仪的转台读数、光管读数、水平仪读数，第一基准经纬仪或第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数；

步骤四十二，通过步骤三十二和步骤四十一中获取的数据计算准直经纬仪、第一基准经纬仪、第二基准经纬仪的零位转台投影水平面坐标系关系；

步骤四十三，通过关系将矢量转换到统一坐标系下。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明采用CCD光电自准直仪代替传统的光学经纬仪的望远镜系统，提高了测量数据的准确性和稳定性，并且具有自动读数功能；结构简单，其所建立的统一坐标系代替了传统的互瞄传递，减少了误差累积；使用机械伺服系统配合准直测量系统工作，可以根据理论值或标定值，实现全系统的自动化测量，大大提高测量效率。

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为本发明航天器高精度角度测量系统的结构示意图。

图2为本发明中准直经纬仪的结构示意图。

图3为本发明中第一基准经纬仪和第二基准经纬仪的结构示意图。

图4为本发明航天器高精度角度测量系统的测量方法的流程示意图。

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。

本发明航天器高精度角度测量系统包括准直测量子系统、机械伺服子系统，其中：

如图1所示，机械伺服子系统包括航天器停放架1、基准定位支架2、环形转台3、竖直运动支架4、航天器本体7，准直测量子系统包括第一基准经纬仪5、第二基准经纬仪6、准直经纬仪8，在使用过程中，将航天器本体静置于航天器停放架上；第一基准经纬仪、第二基准经纬仪都固定安装在基准定位支架上；准直经纬仪固定在竖直运动支架上，并沿上下运动；整个竖直运动支架安装在环形转台上，环形转台实现0～360°的方位旋转，整个机械伺服系统运动将形成一个高度H的柱形空间。

如图2所示，准直经纬仪包括一个第一二维转台11、一个光电自准直仪12、一个第一双轴电子水平仪13，其中第一二维转台是一种提高精密二维转角的设备，运动形式上主要分为方位旋转和俯仰旋转，两者同时进行，但是俯仰旋转是建立在方位旋转的基础上，目前两轴的旋转精度一般最高达1″；光电自准直仪是一种高精度的小角度测量设备，内有CCD接收发出的光，以得到待测镜面相对仪器光路的偏转角度，使用时将光管嵌入固定到第一二维转台俯仰轴上，并随之运动；第一双轴电子水平仪嵌入到第一二维转台方位轴上，提供了系统测量的水平基准；

如图3所示，第一基准经纬仪和第二基准经纬仪都包括一个第二二维转台21、一个高精度平面镜22、一个第二双轴电子水平仪23，其中第二二维转台和双轴电子水平仪和准直经纬仪功能一致，高精度平面镜则是用于与准直经纬仪互瞄，以实现将待测目标矢量转移到统一的基准测量坐标系下；第二双轴电子水平仪通过过渡板固定安装到第二二维转台的方位轴旋转面上，并随方位轴一起旋转；为了保证第二双轴电子水平仪工作时不超其量程，第二双轴电子水平仪在安装的时候需要一定的安装精度，一般两个方向相对方位旋转面的倾斜不超过其量程的1/20～1/10(特别是进行高精度角度测量时，尽量使水平仪工作在自身零位附近)；第二双轴电子水平仪的安装精度主要是将二维转台分别在0°方向和180°方向读取第二双轴电子水平仪某一方向(如+X)读数，如v1，v2，则第二双轴电子水平仪在+X方向相对转台方位旋转面的倾斜角度为α＝(v1+v2)/2。

为了更好的说明测量系统的计算过程，在准直经纬仪上建立了如下坐标系：

一、转台坐标系，视准轴方向为+X，横轴方向为+Y，按右手法则确定+Z轴；视准轴方向相对大地水平且转台方位读数为0°时称为零位转台坐标系；

二、光管坐标系，按光电自准直仪本身的坐标系进行定义，不同的生产厂家有不同的坐标系定义，图中给出了一种定义方法，当光管安装到二维转台上时CCD面板所在面为XOY面，垂直CCD面为+Z轴；

三、水平仪坐标系，固定在水平仪内部，按仪器自身坐标系定义；

四、零位转台投影水平面坐标系，将零位转台坐标系通过电子水平仪投影到相应的大地水平面上所形成的坐标系；

如图4所示，一种航天器高精度角度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，测量准备，将航天器放置在航天器停放架上，系统采用第一基准经纬仪、第二基准经纬仪，并均布在两边；准直经纬仪固定在竖直运动支架上；

步骤二，基准标定；

步骤三，准直测量待测目标；

步骤四，准直经纬仪与第一基准经纬仪、第二基准经纬仪互瞄；

步骤五，重复步骤三和步骤四，继续其他待测目标的测量与计算；

步骤六，测量解算，

将所有待测目标矢量按如下公式计算两两之间夹角关系：

所述步骤二包括以下步骤：

步骤二十一，将准直经纬仪通过竖直运动机构运动到与基准定位支架基本相等的高度；

步骤二十二，准直经纬仪与第一基准经纬仪互瞄，并记录第一基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十三，准直经纬仪与第二基准经纬仪互瞄，并记录第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十四，通过上述读数在参考水平面计算第一基准经纬仪、第二基准经纬仪零位转台投影水平面坐标系的关系R12(设第一基准经纬仪零位转台投影水平面坐标系为统一基准坐标系所在位置)。

所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一，利用竖直导轨的和环形转台的运动，将准直经纬仪转移到待测目标矢量方向与柱形运动空间的交点位置，

步骤三十二，准直经纬仪与待测目标对准，此时只要有光管读数，并尽量通过转台转动，使读数小于20″，并记下转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤三十三，通过上述读数计算待测镜面法线在准直经纬仪零位转台投影水平面坐标系下的表达v1。

所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一，保持准直经纬仪空间位置不变，转动俯仰和方位，使其与第一基准经纬仪或第二基准经纬仪进行互瞄，并记录此时准直经纬仪的转台读数、光管读数、水平仪读数，第一基准经纬仪或第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数；

步骤四十二，通过步骤三十二和步骤四十一中获取的数据计算准直经纬仪、第一基准经纬仪、第二基准经纬仪的零位转台投影水平面坐标系关系Ri0(i表示待测目标序号)；

步骤四十三，通过关系Ri0将矢量v1转换到统一坐标系下(若与第二基准经纬仪互瞄，需要加入关系R12)。

测量时先利用机械伺服机构将准直经纬仪运动到相应位置，并准直待测目标，然后旋转方位角和俯仰角，并与基准经纬仪进行互瞄，两个过程需要读取相应转台的方位角和俯仰角读数、光电自准直仪的读数、电子水平仪的读数，最后通过将待测镜面矢量转移到基准经纬仪所在的基准坐标系下；测量多个待测目标后即可计算两两之间的夹角关系，本发明提高了准直观测精度和测量效率，并且具有自动读数功能；结构简单，其所建立的统一坐标系代替了传统的互瞄传递，减少了误差累积；使用机械伺服系统配合准直测量系统工作，可以根据理论值或标定值，实现全系统的自动化测量，大大提高测量效率。

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 (5)

1.一种航天器高精度角度测量系统，其特征在于，包括准直测量子系统、机械伺服子系统，其中，机械伺服子系统包括航天器停放架、基准定位支架、环形转台、竖直运动支架、航天器本体，准直测量子系统包括第一基准经纬仪、第二基准经纬仪、准直经纬仪，在使用过程中，将航天器本体静置于航天器停放架上；第一基准经纬仪、第二基准经纬仪都固定安装在基准定位支架上；准直经纬仪固定在竖直运动支架上，并沿上下运动；整个竖直运动支架安装在环形转台上，环形转台实现0～360°的方位旋转，整个机械伺服系统运动将形成一个高度的柱形空间；

准直经纬仪包括一个第一二维转台、一个光电自准直仪、一个第一双轴电子水平仪，其中第一二维转台是一种提高精密二维转角的设备，运动形式上主要分为方位旋转和俯仰旋转，两者同时进行，但是俯仰旋转是建立在方位旋转的基础上；光电自准直仪是一种高精度的小角度测量设备，内有CCD接收发出的光，以得到待测镜面相对仪器光路的偏转角度，使用时将光管嵌入固定到第一二维转台俯仰轴上，并随之运动；第一双轴电子水平仪嵌入到第一二维转台方位轴上，提供了系统测量的水平基准；

第一基准经纬仪和第二基准经纬仪包括一个第二二维转台、一个高精度平面镜、一个第二双轴电子水平仪，其中第二二维转台和电双轴电子水平仪和准直经纬仪功能一致，高精度平面镜则是用于与准直经纬仪互瞄，以实现将待测目标矢量转移到统一的基准测量坐标系下；第二双轴电子水平仪通过过渡板固定安装到第二二维转台的方位轴旋转面上，并随方位轴一起旋转；为了保证第二双轴电子水平仪工作时不超其量程，第二双轴电子水平仪在安装的时候需要一定的安装精度，一般两个方向相对方位旋转面的倾斜不超过其量程的1/20～1/10；第二双轴电子水平仪的安装精度主要是将二维转台分别在0°方向和180°方向读取第二双轴电子水平仪某一方向读数。

2.一种航天器高精度角度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，测量准备，将航天器放置在航天器停放架上，系统采用第一基准经纬仪、第二基准经纬仪，并均布在两边；准直经纬仪固定在竖直运动支架上；

步骤二，基准标定；

步骤三，准直测量待测目标；

步骤四，准直经纬仪与第一基准经纬仪、第二基准经纬仪互瞄；

步骤五，重复步骤三和步骤四，继续其他待测目标的测量与计算；

步骤六，测量解算。

3.根据权利要求2所述的航天器高精度角度测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：

步骤二十一，将准直经纬仪通过竖直运动机构运动到与基准定位支架基本相等的高度；

步骤二十二，准直经纬仪与第一基准经纬仪互瞄，并记录第一基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十三，准直经纬仪与第二基准经纬仪互瞄，并记录第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数，记录准直经纬仪转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤二十四，通过上述读数在参考水平面计算第一基准经纬仪、第二基准经纬仪零位转台投影水平面坐标系的关系。

4.根据权利要求2所述的航天器高精度角度测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一，利用竖直导轨的和环形转台的运动，将准直经纬仪转移到待测目标矢量方向与柱形运动空间的交点位置，

步骤三十二，准直经纬仪与待测目标对准，此时只要有光管读数，并尽量通过转台转动，使读数小于20″，并记下转台读数、光管读数、水平仪读数；

步骤三十三，通过上述读数计算待测镜面法线在准直经纬仪零位转台投影水平面坐标系下的表达。

5.根据权利要求2所述的航天器高精度角度测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一，保持准直经纬仪空间位置不变，转动俯仰和方位，使其与第一基准经纬仪或第二基准经纬仪进行互瞄，并记录此时准直经纬仪的转台读数、光管读数、水平仪读数，第一基准经纬仪或第二基准经纬仪的转台读数、水平仪读数；

步骤四十二，通过步骤三十二和步骤四十一中获取的数据计算准直经纬仪、第一基准经纬仪、第二基准经纬仪的零位转台投影水平面坐标系关系；

步骤四十三，通过关系将矢量转换到统一坐标系下。