CN107664509A - 一种星载扫描机构大范围动态测角精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载扫描机构大范围动态测角精度检测装置及方法。动态测角精度检查装置包括动态测角仪、经纬仪、大理石台、L型工装、感应同步器前放盒、扫描与指向控制电路箱、数据采集及处理计算机等。扫描机构大范围动态测角精度检测方法包括基准标定和动态测角。其中采用感应同步器前放盒和控制电路箱实现视场内等间隔角度指向，用经纬仪进行基准标定；采用控制系统实现视场内扫描机构往复扫描，用动态测角仪和转台实现视场内动态测角精度的检测。本发明在扫描机构运动范围受限的情况下，实现了扫描机构运动范围内的动态测角精度检测，完成了经纬仪、动态测角仪和感应同步器等不同基准的测角装置的测角精度的融合统一。

Description

一种星载扫描机构大范围动态测角精度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及感应同步器测角装置测角精度检测技术领域，特别是涉及星载扫描机构大范围动态测角精度检测方法实现。

背景技术

目前，星载扫描机构的摆扫过程中的动态精度直接关系到装载其设备的定位准确性，如何有效而准确的进行测量至关重要。

用于角度测量的设备有光电自准直仪、多面体棱镜、多齿分度台、经纬仪、光纤陀螺仪、更高精度的转台和动态测角仪等，经过其相互配合完成高精度角度测量。

光电自准直仪受限于视场，多面体棱镜不适合小范围摆动轴系的测试，多齿分度台不适合高密度测量。

“基于经纬仪的感应同步器测角精度检查方法研究”(传感技术学报第21卷第5期2008年5月)一文中采用了经纬仪检测轴系误差，这种方法测量视场大，并且适合小范围回转轴系的高密度测量。但由于扫描机构运动为往复摆扫，采用该方法无法测量其动态特性。

专利“一种高精度动态测角装置及方法”(CN105091844A)，该发明提出高精度动态测角技术，利用激光陀螺进行动态测角精度测量标定。

由于航天应用的特殊性，本发明涉及到的扫描机构的转角范围有限，无法直接采用激光陀螺仪进行校准测量，因此采用了动态测角仪和经纬仪进行动态角度精度标定。

发明内容

为了适应星载扫描机构的摆动范围受限的特性，本发明提供了一种星载扫描大范围动态测角精度检测装置及方法。解决了扫描机构的大范围动态测角精度的检测。

本发明解决的方案是动态测角装置主要包括动态测角仪11、动态测角仪辅助计算机12、动态测角仪固定工装13、经纬仪8、经纬仪固定工装9、大理石台4、L型工装14、扫描机构固定工装2、转台15、稳压电源7、感应同步器前放盒3、扫描与指向控制电路箱5、控制计算机10、数据采集及处理计算机6。

动态测角精度检测装置中动态测角仪11测角精度1″(3σ)，测角范围3.5°，重复性优于0.5″；动态测角仪辅助计算机12用于采集动态测角仪数据测角数据采集频率3KHz；动态测角仪固定工装13安装面平面度优于0.02mm；经纬仪8测角精度0.5″；经纬仪固定工装9安装面平面度优于0.02mm；大理石台4平整度为0级以上；扫描机构固定工装2和L型工装14安装面平面度优于0.02mm；转台15用于调整动态测角区域，转台运动范围±180度；稳压电源7为28V电压输出，输出最大电流3A，用于给感应同步器前放盒3和扫描与指向控制电路箱5供电；感应同步器前放盒3用于实时采集两维角度信息，角度采样频率50KHz，测角稳定度优于0.3″；扫描机构1和扫描指向控制电路箱5共同组成扫描机构控制系统，扫描控制精度优于2″；控制计算机10用于给扫描控制电路箱发送运动控制指令，控制其指向目标位置或往复扫描；数据采集和处理计算机6获取感应同步器的角度信息用于显示，采样频率1KHz。

检测装置按如下方式进行布局：

扫描机构1安装到扫描机构固定工装2上，然后固定在L型工装14上，L型工装14安装于转台15上，置于大理石台4上，感应同步器前放盒3放置于大理石台上，连接扫描机构1、感应同步器前放盒3和扫描与指向控制电路箱5之间的电缆，连接稳压电源7和扫描与指向控制电路箱5之间的电缆，连接扫描与指向控制电路箱5与数据采集及处理计算机6和控制计算机10间电缆，经纬仪8固定在经纬仪固定工装9上，动态测角仪11固定在动态测角仪固定工装13上，置于大理石台4上，连接动态测角仪11与动态测角仪辅助计算机12间电缆。

本发明其特征在于，通过基准标定和动态测角实现了扫描机构摆扫过程中动态精度性能的检测。

动态精度定义为扫描机构大范围摆扫过程中的由感应同步器前放盒测出的转角值与由外部光学设备测出的转角值之间的偏差。

分基准标定和动态精度测试。

基准标定又称等间隔转动角度精度测试；动态精度测试又叫等时间采样角度精度测试。

(1)等间隔转动角度精度

等间隔转动角度精度定义为一维扫描机构进行等间隔的多次转动时，由感应同步器读出的转角测量值与由经纬仪读出的实际转角之间的偏差；

(2)等时间采样角度精度

等时间采样角度定义为在动态测角仪视场内匀速段每个采样时间间隔的角度差；

等时间采样角度精度定义为动态测角仪的等时间采样角度测量值与理论值的偏差。

对基准标定即等间隔转动角度精度标定，和动态精度检测即等时间采样角度精度检测方法，分别进行说明。

1.等间隔转动角度精度

使用经纬仪，对感应同步器的静态测量精度进行检测，其原理为：测量当扫描机构转过某个角度，同时读取感应同步器读数，100个值取平均，及外部设备的转角读数作为真实值，并比较其差值。该差值定义为该测量点的测角偏差A。

扫描机构从起点开始，每次旋转20′，可得到一系列测量点的测角偏差的集合{An}。

要求扫描相机工作范围内±5°所有测量点的测角偏差{An}绝对值的3σ统计值定义为测角装置的测角精度。

2.等时间采样角度精度

全域扫描过程中，动态测角仪采集全域扫描、I档速度下的角度数据。

动态测角仪测量视场为3.5°，在测量10°匀速扫描区域时分三段进行测量，中心视场分别为星下点，-3.25°，+3.25°。

设被测扫描机构理想运动角速度为V₀，那么对应采样间隔T内角度位移量Δθ₀＝V₀*T，实测值为Δθ_i，采样样本数为N，取值5000，那么采样角度精度计算公式为：

1)通过测角仪获得扫描机构匀速段的运动轨迹，得到采样角度测量值序列Δθ_i(i＝1～N)；

2)根据采样周期间隔内的采样角度求得运动速度V，同时求平均，得到理论角速度；

c)算出理想采样角度值：

d)再根据公式(1-1)算出3σ值得到精度值。

3.线阵CCD用于动态角度测量原理

线阵CCD用于动态角度测量原理如图2所示：

平行光管发出的平行光入射到扫描机构上，扫描机构转动到不同位置对应不同的反射光线，反射光线被柱面透镜聚焦到线阵CCD光敏面上，在这里线阵CCD是放在柱面透镜的像方焦平面上，扫描机构的转轴与CCD光敏元阵列方向垂直。当扫描机构转过一个微小角度θ时,扫描机构反射回来的光线将转过2θ的角度,聚焦在CCD光敏元阵列上的光点也有相应的位移y，根据几何光学知识可得：

其中，y为像斑位移量，F′为光学系统焦距。

在实际应用系统中，目标在CCD器件上的像斑一般占有多个像元，如果采取经电子细分后求重心的方法可以将精度提高一个量级，计算公式如下式(1-6)：

其中，y′——目标重心位置值；

d——CCD光敏元中心距；

i——光敏元序数；

V_i′——第i个光敏元经阈值处理后的输出电压值。

阈值处理的目的是去掉因噪声或者干扰等原因造成的非目标信号，减少后续数据处理的计算量，由于CCD像斑是集中在一个区间，通过阈值处理可以缩小计算范围，还可以消除随机干扰。阈值处理表达式为：

其中，V_i为第i个光敏元输出的电压值；

V_g为设定的阈值电平，一般取信号峰值的5％～8％左右。

根据计算得到y′值与第一个参与运算的光敏元位置y₀相减就可以计算出偏移量y，由此可换算出角度值θ。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)在扫描机构转角受限情况下实现了动态测角精度检测。

(2)通过动态测角仪视场分段测量，实现了扫描机构全视场大范围动态测角精度检测。

附图说明

图1是扫描机构动态测角装置布局图。

图2是CCD动态测角原理示意图。

具体实施方式

第一步：调节经纬仪水平度

检测测角精度前，需通过经纬仪旋钮调节经纬仪的水平度，保证经纬仪的基准面与地面平行。要求表征经纬仪水平度的气泡显示水平误差在3″内。

第二步：调节扫描机构垂直度

将扫描机构及测量设备布置如图1所示。

为减小测量误差，首先需保证扫描机构的垂直度，校正方法如下：

1)将扫描机构置于-5°位置，作为测试的起点，将经纬仪对准扫描机构，读取经纬仪当前位置读数

2)控制扫描机构旋转10°，至+5°位置，读取经纬仪当前位置读数

3)比较两次读数在俯仰方向的差异，若差值大于3″，则在L型工装下使用垫片进行调整

4)重复步骤1)-3)，直至方位读数相差10°时，俯仰读数小于3″。

第三步：等间隔转动角度精度检测

控制扫描机构在±320′即±5.33°范围内，以20′为间隔，进行感应同步器测角精度测试，测量步骤为：

1)控制扫描机构指向0°位置，令此点作为基准点θ₀＝0°；

2)记录当前感应同步器读数，将经纬仪方位读数清零；

3)控制扫描机构指向θ₀-320′位置；

4)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

5)控制扫描机构指向θ₀-300′位置；

6)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

7)控制扫描机构以20′为间隔，逐点进行指向θ₀-280′、θ₀-260′、θ₀-240′……θ₀+320′，并记录每一个点的感应同步器读数及经纬仪方位读数，直至θ₀+320′位置；

8)重复步骤1)-7)，共测试三次；

第四步：等时间采样角度精度检测

控制扫描机构在±5°范围内以进行扫描，使用动态测角仪进行采样角度精度检测，测量步骤为：

1)控制扫描机构指向0°位置；

2)将动态测角仪中心视场对准扫描机构；

3)控制扫描机构进行一档全域扫描；

4)使用动态测角仪辅助计算机及软件采集采样角度数据；采集数据大于等于3组。

5)控制扫描机构指向-3.25°位置，重复步骤2-4；

6)控制扫描机构指向+3.25°位置，重复步骤2-4；

7)进行数据处理并将结果记录至记录表。

第五步：数据处理与分析

等间隔转动角度精度的计算方法为：

1)基准点时，经纬仪方位读数为0°，感应同步器读数E0。

2)扫描范围内，经纬仪方位读数θn，感应同步器读数En。

3)经纬仪测量转角真实值：Δθn＝θn-0°

4)感应同步器测量转角测量值：ΔEn＝En-E0

5)感应同步器测量转角与经纬仪测量转角的偏差，计算公式为An′＝ΔEn*0.11-Δθn。感应同步器读数1码字等于0.11″。

6)计算三次测量的测角偏差An′的平均值An。

等时间采样角度精度的计算方法为：

1)根据公式(1-2)至(1-4)计算理想采样角度值；

2)根据公式(1-1)计算等时间采样角度精度；

3)分别计算三次测量的等时间采样角度精度并取平均值；

4)计算一档速度的等时间采样角度精度；

5)分别计算三个中心视场位置的等时间采样角度精度。

Claims (2)

1.一种星载扫描机构大范围动态测角精度检测装置，包括动态测角仪(11)、动态测角仪辅助计算机(12)、动态测角仪固定工装(13)、经纬仪(8)、经纬仪固定工装(9)、大理石台(4)、L型工装(14)、扫描机构固定工装(2)、转台(15)、稳压电源(7)、感应同步器前放盒(3)、扫描与指向控制电路箱(5)、控制计算机(10)、数据采集及处理计算机(6)；其特征在于：

所述的动态测角仪(11)测角精度1″(3σ)，测角范围7°(物方)，重复性优于0.5″；

所述的动态测角仪辅助计算机(12)用于采集动态测角仪数据测角数据采集频率3KHz；动态测角仪固定工装(13)安装面平面度优于0.02mm；

所述的经纬仪(8)测角精度0.5″；

所述的经纬仪固定工装(9)安装面平面度优于0.02mm；

所述的大理石台(4)平整度为0级以上；

所述的扫描机构固定工装(2)和L型工装(14)安装面平面度优于0.02mm；

所述的转台(15)用于调整动态测角区域，转台运动范围±180度；

所述的稳压电源(7)为28V电压输出，输出最大电流3A，用于给感应同步器前放盒(3)和扫描与指向控制电路箱(5)供电；

所述的感应同步器前放盒(3)用于实时采集两维角度信息，角度采样频率50KHz，测角稳定度优于0.3″；

扫描机构(1)和扫描指向控制电路箱(5)共同组成扫描机构控制系统，扫描控制精度优于2″；

所述的控制计算机(10)用于给扫描控制电路箱发送运动控制指令，控制其指向目标位置或往复扫描；数据采集和处理计算机(6)获取感应同步器的角度信息用于显示，采样频率1KHz；

扫描机构(1)安装到扫描机构固定工装(2)上，然后固定在L型工装(14)上，L型工装(14)安装于转台(15)上，置于大理石台(4)上，感应同步器前放盒(3)放置于大理石台上，连接扫描机构(1)、感应同步器前放盒(3)和扫描与指向控制电路箱(5)之间的电缆，连接稳压电源(7)和扫描与指向控制电路箱(5)之间的电缆，连接扫描与指向控制电路箱(5)与数据采集及处理计算机(6)和控制计算机(10)间电缆，经纬仪(8)固定在经纬仪固定工装(9)上，动态测角仪(11)固定在动态测角仪固定工装(13)上，置于大理石台(4)上，连接动态测角仪(11)与动态测角仪辅助计算机(12)间电缆。

2.一种基于权利要求1所述的一种星载扫描机构大范围动态测角精度检测装置的动态测角精度检测方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步基准标定，具体步骤如下：

1)调节经纬仪水平度

通过经纬仪旋钮调节经纬仪的水平度，保证经纬仪的基准面与地面平行。要求表征经纬仪水平度的气泡显示水平误差在3″内；

2)调节扫描机构垂直度

为减小测量误差，首先需保证扫描机构的垂直度，校正方法如下：

2-1)将扫描机构置于-5°位置，作为测试的起点，将经纬仪对准扫描机构，读取经纬仪当前位置读数；

2-2)控制扫描机构旋转10°，至+5°位置，读取经纬仪当前位置读数；

2-3)比较两次读数在俯仰方向的差异，若差值大于3″，则在L型工装下使用垫片进行调整；

2-4)重复步骤2-1)—2-3)，直至方位读数相差10°时，俯仰读数小于3″；

3)等间隔转动角度精度检测

控制扫描机构在±320′即±5.33°范围内，以20′为间隔，进行感应同步器测角精度测试，测量步骤为：

3-1)控制扫描机构指向0°位置，令此点作为基准点θ₀＝0°；

3-2)记录当前感应同步器读数，将经纬仪方位读数清零；

3-3)控制扫描机构指向θ₀-320′位置；

3-4)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

3-5)控制扫描机构指向θ₀-300′位置；

3-6)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

3-7)控制扫描机构以20′为间隔，逐点进行指向θ₀-280′、θ₀-260′、θ₀-240′……θ₀+320′，并记录每一个点的感应同步器读数及经纬仪方位读数，直至θ₀+320′位置；

3-8)重复步骤3-1)—3-7)，共测试三次；

第二步：动态测角精度检测

控制扫描机构在±5°范围内以进行扫描，使用动态测角仪进行采样角度精度检测，测量步骤为：

1)控制扫描机构指向0°位置；

2)将动态测角仪中心视场对准扫描机构；

3)控制扫描机构进行一档全域扫描；

4)使用动态测角仪辅助计算机及软件采集采样角度数据；采集数据大于等于3组；

5)控制扫描机构指向-3.25°位置，重复步骤2)—4)；

6)控制扫描机构指向+3.25°位置，重复步骤2)—4)。