CN107727118A - 大型飞行器中的gnc分系统设备姿态测量系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法属于精密测量与数字化装配技术领域。本发明令标定平面镜的反射镜面与自准直仪的光学轴线垂直；由激光雷达测量仪扫描标准工具球表面，取最强的一束反射激光作为测量信号，由此得出探测距离，同时自动补偿标准工具球的半径值，得到标准工具球球心到全局坐标系原点的距离；从角编码器读取该束激光的扫描角度值，结合所得距离值计算得到标准工具球在全局坐标系中的坐标；以同样的方法确定各个标准工具球以及各个标准工具球各自由标定平面镜所成的像在全局坐标系中的坐标；解算所得坐标值，得到各个标准工具球与自准直仪的光学轴线之间的姿态关系，从而建立自准直仪与激光雷达测量仪之间的相对姿态关系。

Description

大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法
技术领域
本发明涉及一种大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法，属于精密测量与数字化装配技术领域。
背景技术
在飞行器的诸多控制系统中，GNC分系统由多种设备组成，如陀螺、加速度计、数字式太阳敏感器、红外地球敏感器、模拟式太阳敏感器等，在飞行器中分散安装，承担着飞行器从起飞到返回的全部运动控制任务，对各种设备之间的相对安装姿态以及各种设备相对于飞行器机体的安装姿态的要求非常严格，在飞行器地面总装过程中，需要不断测量和调整GNC分系统各种设备的姿态，最终确定其安装姿态并固定下来。现有测量GNC分系统设备姿态的方案是以电子经纬仪建站测量方式，测量附着在飞行器机体以及GNC分系统设备上的立方镜的姿态，实现GNC分系统设备姿态的测量。具体而言，在飞行器中仓位置及GNC分系统各设备上分别固定一个立方镜，分别以其姿态来表征飞行器机体以及GNC分系统各设备的姿态。所述立方镜是由6个平面度较高的镜面构成的正立方体。在某个GNC分系统设备姿态测量过程中，由两台站点已定的电子经纬仪分别自准直附着在该设备上的立方镜的两个相邻反射镜面，之后所述两台电子经纬仪互瞄，由此得到该立方镜坐标系及该坐标系与所述两台电子经纬仪所处的参考坐标系的关系，经转换计算后得到所述被测立方镜的姿态。重复上述过程一一测得各立方镜的姿态，由此得到GNC分系统各种设备相对于飞行器机体的安装姿态。
以往飞行器尺寸不大，被测GNC分系统各设备的位置排布并不分散，彼此距离较近，两台电子经纬仪站点适当，即可完成姿态测量。但是，大型飞行器出现后，所安装的GNC分系统各设备分布距离较大且分散，站点固定的电子经纬仪难以瞄上所有立方镜，两台电子经纬仪的互瞄也可能因受到遮挡而无法进行。另外，随着距离的增大，测量误差也必然增大。再有，作为必要的测量步骤，互瞄本身也会引入测量误差。
以自准直仪为核心建立测量站，在激光雷达测量仪的测量空间内与表征待测目标姿态的立方镜的反射镜面形成准直关系，再由激光雷达测量仪借助标准工具球测量自准直仪的光学轴线在测量空间的矢量形态，也能够测得待测目标在测量空间的姿态。可见，尽管大型飞行器尺寸很大，被测GNC分系统各设备的位置排布十分分散，但是，由于以自准直仪为核心的测量站可变换站位，激光雷达测量仪又具有测量距离优势，虽然激光雷达测量仪位置固定，但自准直仪可以根据需要随测量站自由移动以接近表征待测目标姿态的立方镜，自准直仪与激光雷达测量仪结合所构成的测量系统能够胜任大型飞行器中的GNC分系统设备姿态的测量。当采用两个测量站同时工作，也与使用两台经纬仪不同，两个测量站彼此独立，也因此不受复杂环境影响，只要两个测量站处在激光雷达测量仪测量空间即可，测量误差也会大幅降低。不过，如何建立自准直仪与激光雷达测量仪的工作关系是一个有待解决的技术问题。
发明内容
为了在由自准直仪与激光雷达测量仪结合所构成的测量系统中建立自准直仪与激光雷达测量仪的工作关系，实现大型飞行器GNC分系统设备的姿态测量，我们发明了一种大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法。
在本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法所标定的测量系统中，如图1所示，有1～2个测量站，在每个测量站内，自准直仪1和至少3个标准工具球2安装在三维调整台3上，各个标准工具球2随机摆放后相互之间以及各自与自准直仪1之间的位置关系不变；激光雷达测量仪4与数据处理服务器5连接；本发明之标定方法其特征在于，如图1、图2所示：
第一步，令标定平面镜6与自准直仪1相距2～3米，标定平面镜6的反射镜面与自准直仪1的光学轴线垂直；
第二步，由激光雷达测量仪4扫描标准工具球2表面，在激光雷达测量仪4接收到的反射光中，取最强的一束激光作为测量信号，由此得出探测距离，同时自动补偿标准工具球2的半径值，进而得到标准工具球2球心到全局坐标系原点的距离；从激光雷达测量仪4的角编码器读取该束激光的扫描角度值，结合所得距离值计算得到标准工具球2在全局坐标系中的坐标；在本步骤中以同样的方法确定各个标准工具球2在全局坐标系中的坐标；
第三步，采用与第二步相同的方法确定各个标准工具球2各自由标定平面镜6所成的像在全局坐标系中的坐标；
第四步，解算第二步、第三步所得两组坐标值，得到各个标准工具球2与自准直仪1的光学轴线之间的姿态关系，从而建立自准直仪1与激光雷达测量仪4之间的相对姿态关系。
本发明其技术效果在于，将一个立方镜与大型飞行器7中某一待测GNC分系统设备刚性结合；测量站进入站位，如图3所示，调整三维调整台3，使自准直仪1与所述立方镜的一个反射镜面彼此处于准直状态，之后由激光雷达测量仪4扫描各个标准工具球2表面，至此得到一组标准工具球坐标值并输入数据处理服务器5；测量站进入另一个站位，或者由另一个测量站进入另一个站位，调整三维调整台3，使自准直仪1与立方镜的所述反射镜面的一个相邻反射镜面彼此处于准直状态，之后由激光雷达测量仪4再次扫描各个标准工具球2表面，又得到一组标准工具球坐标值并输入数据处理服务器5；由数据处理服务器5分别解算两组标准工具球坐标值并结合已建立的自准直仪1与激光雷达测量仪4之间的相对姿态关系，也就是工作关系，得到立方镜两个相邻反射镜面的法线在全局坐标系中的矢量姿态，再由此推算出与所述两个相邻反射镜面均相邻的第三个反射镜面的法线在全局坐标系中的矢量姿态，进而解算立方镜在全局坐标系中的位置和姿态；根据该立方镜与待测GNC分系统设备刚性结合姿态关系，最终测得该待测GNC分系统设备的安装姿态。
附图说明
图1是本发明之标定方法所标定的大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统结构及自准直仪标定现场示意图。图2是本发明之标定方法示意图，该图同时作为摘要附图。图3是采用经本发明之标定方法标定过的大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统现场测量示意图。
具体实施方式
在本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法所标定的测量系统中，如图1所示，有1～2个测量站，在每个测量站内，自准直仪1和至少3个标准工具球2安装在三维调整台3上，各个标准工具球2随机摆放后相互之间以及各自与自准直仪1之间的位置关系不变；激光雷达测量仪4与数据处理服务器5连接。接下来依以下步骤标定所述测量系统，如图1、图2所示：
第一步，令标定平面镜6与自准直仪1相距2～3米，标定平面镜6的反射镜面与自准直仪1的光学轴线垂直。
第二步，由激光雷达测量仪4扫描标准工具球2表面，在激光雷达测量仪4接收到的反射光中，取最强的一束激光作为测量信号，由此得出探测距离，同时自动补偿标准工具球2的半径值，进而得到标准工具球2球心到全局坐标系原点的距离；从激光雷达测量仪4的角编码器读取该束激光的扫描角度值，结合所得距离值计算得到标准工具球2在全局坐标系中的坐标；在本步骤中以同样的方法确定各个标准工具球2在全局坐标系中的坐标。
第三步，采用与第二步相同的方法确定各个标准工具球2各自由标定平面镜6所成的像在全局坐标系中的坐标。
第四步，解算第二步、第三步所得两组坐标值，得到各个标准工具球2与自准直仪1的光学轴线之间的姿态关系，从而建立自准直仪1与激光雷达测量仪4之间的相对姿态关系。
多次重复第二、三、四步，如8～10次，得到各个标准工具球2与自准直仪1的光学轴线之间的多个姿态关系，统计去除粗大误差，求得得到各个标准工具球2与自准直仪1的光学轴线之间的最佳姿态关系。

Claims (2)

1.一种大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法，在由所述标定方法标定的大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统中，有1～2个测量站，在每个测量站内，自准直仪(1)和至少3个标准工具球(2)安装在三维调整台(3)上，各个标准工具球(2)随机摆放后相互之间以及各自与自准直仪(1)之间的位置关系不变；激光雷达测量仪(4)与数据处理服务器(5)连接；所述标定方法其特征在于：
第一步，令标定平面镜(6)与自准直仪(1)相距2～3米，标定平面镜(6)的反射镜面与自准直仪(1)的光学轴线垂直；
第二步，由激光雷达测量仪(4)扫描标准工具球(2)表面，在激光雷达测量仪(4)接收到的反射光中，取最强的一束激光作为测量信号，由此得出探测距离，同时自动补偿标准工具球(2)的半径值，进而得到标准工具球(2)球心到全局坐标系原点的距离；从激光雷达测量仪(4)的角编码器读取该束激光的扫描角度值，结合所得距离值计算得到标准工具球(2)在全局坐标系中的坐标；在本步骤中以同样的方法确定各个标准工具球(2)在全局坐标系中的坐标；
第三步，采用与第二步相同的方法确定各个标准工具球(2)各自由标定平面镜(6)所成的像在全局坐标系中的坐标；
第四步，解算第二步、第三步所得两组坐标值，得到各个标准工具球(2)与自准直仪(1)的光学轴线之间的姿态关系，从而建立自准直仪(1)与激光雷达测量仪(4)之间的相对姿态关系。
2.根据权利要求1所述的大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统标定方法，其特征在于，多次重复第二、三、四步，得到各个标准工具球(2)与自准直仪(1)的光学轴线之间的多个姿态关系，统计去除粗大误差，求得得到各个标准工具球(2)与自准直仪(1)的光学轴线之间的最佳姿态关系。
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