CN107664510A - 一种星载二维指向机构测角精度检测装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载二维指向机构测角精度检测装置及实现方法。检测装置主要包括经纬仪及经纬仪固定工装、大理石台、感应同步器前放盒、扫描与指向控制电路箱、指向机构固定工装、稳压电源、数据采集和处理计算机。检测方法通过调整指向机构安装工装实现测量轴与水平面垂直，采用感应同步器前放盒和控制电路箱实现二维视场内等间隔角度指向，每次指向角度为20角分，并用经纬仪进行测量，比对经纬仪的测量角度和感应同步器的测量角度得到测角精度数据。同理，更换安装工装进行另一维测角精度测量。本发明在二维指向机构转角受限情况下实现了视场内的测角精度检测，经测量标定后满足指标要求，为卫星在轨高的定位精度提供了保障。

Description

一种星载二维指向机构测角精度检测装置及实现方法

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，特别是涉及星载二维指向机构测角精度检测方法实现。

背景技术

目前，测角装置的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。一般星载的二维指向机构通常采用经纬仪进行测角精度检测。

“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。但由于二维指向机构为两维耦合在一起进行运动，该方法无法满足其测角精度测量。

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，本发明涉及到的二维指向机构的转角范围有限，无法采用激光陀螺仪进行校准测量。且二维指向机构为两维耦合结构，需要对其东西南北维进行独立测量。两维测量过程中需保证正交，需设计专门的工装进行测量。

因此采用经纬仪配合二维指向机构两维工装进行视场范围内的测角精度标定。

发明内容

为了适应星载二维指向机构的摆动范围受限和二维耦合的特性，本发明提供了一种星载二维指向机构测角精度检测装置和检测方法。解决了二维指向机构的测角精度的测量问题。

本发明解决的方案是检测装置主要包括经纬仪8、经纬仪固定工装9、大理石台4、感应同步器前放盒3、扫描与指向控制电路箱5、指向机构固定工装2、南北维测角工装10、东西维测角工装11、稳压电源7、数据采集和处理计算机6。

本发明在二维指向机构转角仅能运动±6度，角度受限情况下，采用了如下检测方法：通过调整指向机构1的东西维测角工装11实现指向机构东西轴13与水平面垂直，采用感应同步器前放盒3和扫描与控制电路箱5实现二维视场内等间隔角度指向，每次指向的角度间隔为20角分，并用经纬仪8进行测量，比对经纬仪的测量角度和感应同步器的测量角度得到东西维测角精度数据；调整指向机构1的南北维测角工装10实现南北轴12与水平面垂直，按上述方法进行测量得到南北维测角精度数据。

检测装置中经纬仪8测角精度0.5″；大理石台4平整度为0级以上；指向机构固定工装用于固定指向机构，安装平面度优于0.02mm；经纬仪固定工装9用于固定经纬仪，安装平面度优于0.02mm；南北维测角工装10和东西维测角工装11用于调节二维指向机构的测量轴与水平面的垂直度，安装平面度优于0.02mm；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和扫描与指向控制电路箱供电；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角秒；二维指向机构1和扫描指向控制电路箱5共同组成二维指向机构控制系统，指向控制精度优于0.5角秒；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。

检测装置按如下方式进行布局。

(1)东西维测角装置布局：

指向机构1安装到指向机构固定工装2上，然后固定在东西维测角工装11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，连接指向机构1与感应同步器前放盒3之间的电缆，连接感应同步器前放盒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间电缆，经纬仪8固定在经纬仪固定工装9上。

(2)南北维测角装置布局：

指向机构1安装到指向机构固定工装2上，然后固定在南北维测角工装10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，连接指向机构1与感应同步器前放盒3之间的电缆，连接感应同步器前放盒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间电缆，经纬仪8固定在经纬仪固定工装9上。

二维指向机构东西维测角精度检测包括如下步骤：

(1)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。

(2)调节指向镜东西维垂直度

1)将指向镜南北维指向0°位置，将东西维置于-3°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数

2)控制指向镜东西维旋转-3°至+3°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6°时，俯仰读数小于3″

(3)东西维测角精度检测

保持指向镜南北维指向0°位置，指向镜东西维在±200′即±3.33°范围内，以20′为间隔，进行测角精度测试，测量步骤为：

1)控制指向镜东西维指向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)控制指向镜东西维指向θ₀-200′位置；

4)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

5)控制指向镜东西维指向θ₀-180′位置；

6)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

7)控制指向镜东西维以20′为间隔，逐点进行指向θ₀-160′、θ₀-140′、θ₀-120′……θ₀+200′，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+200′位置；

8)重复步骤1)-7)，共测试三次；

二维指向机构南北维测角精度检测包括如下步骤：

(1)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。

(2)调节指向镜南北维垂直度

1)将指向镜东西维指向星下点位置，将南北维置于-5°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数

2)控制指向镜南北维旋转-5°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″

(3)南北维测角精度检测

保持指向镜东西维指向0°位置，指向镜南北维在±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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维以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；

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)在二维指向机构转角受限情况下实现了视场内的测角精度检测。

(2)实现了两维耦合的转动机构的测角精度检测。

附图说明

图1是二维指向机构东西维测角装置布局图。

图2是二维指向机构南北维测角装置布局图。

图3是二维指向机构示意图。

图4是二维指向机构东西维测角精度曲线图。

图5是二维指向机构南北维测角精度曲线图。

具体实施方式

第一步：星下点标定即零点标定

使用经纬仪进行星下点的标定，指向镜指向±5°即南5°和北5°，用水平放置的经纬仪监测指向镜法线的方向，如果监测结果指向镜法线只在经纬仪的俯仰方向变化，而没有方位角的变化，则认为此时的指向机构的东西指向轴的位置为其零位。如果指向镜的法线方向在经纬仪的方位方向变化较大，则应该改变指向机构的东西指向轴的位置或是调节指向机构的水平状态，重新做南北指向，直到指向机构做南北±5°指向时，指向镜的法线在经纬仪的方位方向的变化在允许范围内为止。

第二步：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。

第三步：调节指向镜东西维垂直度

为减小测量误差，首先需保证指向镜的垂直度，校正方法如下：

1)将指向镜南北维指向星下点位置，将东西维置于-3°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数

2)控制指向镜东西维旋转-3°至+3°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6°时，俯仰读数小于3″

第四步：东西维测角精度检测

保持指向镜南北维指向星下点位置，指向镜东西维在±200′即±3.33°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)控制指向镜东西维指向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)控制指向镜东西维指向θ₀-200′位置；

4)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

5)控制指向镜东西维指向θ₀-180′位置；

6)记录当前感应同步器读数及经纬仪方位读数；

7)控制指向镜东西维以20′为间隔，逐点进行指向θ₀-160′、θ₀-140′、θ₀-120′……θ₀+200′，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+200′位置；

8)重复步骤1)-7)，共测试三次；

第五步：调节指向镜南北维垂直度

为减小测量误差，首先需保证指向镜的垂直度，校正方法如下：

1)将指向镜东西维指向星下点位置，将南北维置于-5°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数

2)控制指向镜南北维旋转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”

第六步：南北维测角精度检测

保持指向镜东西维指向星下点位置，指向镜南北维在±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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维以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；

第七步：数据处理与分析

测角精度的计算方法为：

1)基准点时，经纬仪方位读数为0°，感应同步器读数E0。

2)指向范围内，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，其中感应同步器读数1码字等于0.11角秒。

6)计算三次测量的测角偏差An′的平均值An。

表1东西维测量精度 基准点：星下点(θ₀＝0°)；基准点码字：574718.28

表2南北维测量精度 基准点：星下点(θ₀＝0°)；基准点码字：11274112.44

综合上述数据得到二维指向机构东西维测角精度为0.9″；南北维测角精度为0.9″，满足指标2.5″(3σ)的要求。

Claims (2)

1.一种星载二维指向机构测角精度检测装置，包括经纬仪(8)、经纬仪固定工装(9)、大理石台(4)、感应同步器前放盒(3)、扫描与指向控制电路箱(5)、指向机构固定工装(2)、南北维测角工装(10)、东西维测角工装(11)、稳压电源(7)、数据采集和处理计算机(6)，其特征在于：

所述的经纬仪(8)测角精度0.5″；大理石台(4)平整度为0级以上；指向机构固定工装用于固定指向机构，安装平面度优于0.02mm；经纬仪固定工装(9)用于固定经纬仪，安装平面度优于0.02mm；南北维测角工装(10)和东西维测角工装(11)用于调节二维指向机构的测量轴与水平面的垂直度，安装平面度优于0.02mm；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和扫描与指向控制电路箱供电；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角秒；二维指向机构(1)和扫描指向控制电路箱(5)共同组成二维指向机构控制系统，指向控制精度优于0.5角秒；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；

所述的检测装置按如下方式进行布局：

1)东西维测角装置布局：

指向机构(1)安装到指向机构固定工装(2)上，然后固定在东西维测角工装(11)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，连接指向机构(1)与感应同步器前放盒(3)之间的电缆，连接感应同步器前放盒(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)间电缆，经纬仪(8)固定在经纬仪固定工装(9)上；

2)南北维测角装置布局

指向机构(1)安装到指向机构固定工装(2)上，然后固定在南北维测角工装(10)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，连接指向机构(1)与感应同步器前放盒(3)之间的电缆，连接感应同步器前放盒(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)间电缆，经纬仪(8)固定在经纬仪固定工装(9)上；

所述的检测装置通过调整指向机构(1)的东西维测角工装(11)实现指向机构东西轴(13)与水平面垂直，采用感应同步器前放盒(3)和扫描与控制电路箱(5)实现二维视场内等间隔角度指向，每次指向的角度间隔为20角分，并用经纬仪(8)进行测量，比对经纬仪的测量角度和感应同步器的测量角度得到东西维测角精度数据；调整指向机构(1)的南北维测角工装(10)实现南北轴(12)与水平面垂直，按上述方法进行测量得到南北维测角精度数据。

2.一种基于权利要求1所述的一种星载二维指向机构测角精度检测装置的测角精度检测方法，其特征在于包括如下步骤：

A东西维测角精度检测：

1)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；

2)调节指向镜东西维垂直度；

2-1)将指向镜南北维指向0°位置，将东西维置于-3°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数；

2-2)控制指向镜东西维旋转-3°至+3°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6°时，俯仰读数小于3″；

3)东西维测角精度检测

保持指向镜南北维指向0°位置，指向镜东西维在±200′即±3.33°范围内，以20′为间隔，进行测角精度测试，测量步骤为：

3-1)控制指向镜东西维指向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)控制指向镜东西维指向θ₀-200′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)控制指向镜东西维指向θ₀-180′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)控制指向镜东西维以20′为间隔，逐点进行指向θ₀-160′、θ₀-140′、θ₀-120′……θ₀+200′，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+200′位置；

3-8)重复步骤3-1)—3-7)，共测试三次；

B南北维测角精度检测

1)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；

2)调节指向镜南北维垂直度

2-1)将指向镜东西维指向星下点位置，将南北维置于-5°，作为测试的起点，将经纬仪对准指向镜，读取经纬仪当前位置读数；

2-1)控制指向镜南北维旋转-5°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)南北维测角精度检测

保持指向镜东西维指向0°位置，指向镜南北维在±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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维指向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)控制指向镜南北维以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。