CN107991684B - 大型飞行器中的gnc分系统设备姿态测量系统 - Google Patents

Abstract

大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统属于精密测量与数字化装配技术领域。现有技术难以适应大型飞行器GNC分系统设备姿态测量，测量误差也较大。本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统其特征在于，包含1～2个测量站，在每个测量站内，自准直仪和至少3个标准工具球安装在三维调整台上，各个标准工具球随机摆放后相互之间以及各自与自准直仪之间的位置关系不变；激光雷达测量仪与数据处理服务器连接；标定平面镜与自准直仪相距2～3米，标定平面镜的反射镜面与自准直仪的光学轴线垂直；标定平面镜用来建立自准直仪的光学轴线与标准工具球之间的相对姿态关系；由标准工具球建立自准直仪与激光雷达测量仪的工作关系。用于大型飞行器中的GNC分系统设备安装姿态的测量。

Description

大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统

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，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。

发明内容

为了实现大型飞行器GNC分系统设备的姿态测量，并降低测量误差，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。

本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统其特征在于，如图1、图2所示，包含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；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；标定平面镜6用来建立自准直仪1的光学轴线与标准工具球2之间的相对姿态关系；由标准工具球2建立自准直仪1与激光雷达测量仪4的工作关系。

本发明其技术效果在于，在所述大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统用于测量大型飞行器中的GNC分系统设备姿态之前，建立自准直仪1的光学轴线与标准工具球3之间的相对姿态关系。如图3所示，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；以同样的方法确定其余各个标准工具球2在全局坐标系中的坐标，至此得到一组标准工具球坐标值；采用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，得到一组标准工具球像坐标值；解算所得两组坐标值，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。

接下来将一个设备立方镜与大型飞行器中某一待测GNC分系统设备刚性结合；测量站进入站位，如图2所示，调整三维调整台3，使自准直仪1与所述设备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与设备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，得到设备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，进而解算设备立方镜在全局坐标系中的位置和姿态；根据该设备立方镜与待测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。

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，由于本发明采用测量站位可变换的以自准直仪1为核心的测量站，以及具有测量距离优势的激光雷达测量仪4，虽然激光雷达测量仪4位置固定，但自准直仪1可以根据需要随测量站自由移动以接近被测立方镜，由于激光雷达测量仪4的测量距离较大，不论测量站如何移动，都能够测量到标准工具球2，完全能够适应待测目标的这种布局。为了避免频繁变换站位带来的不便，本发明可以采用两个测量站同时工作，但是，与现有技术使用两台经纬仪不同，两个测量站彼此独立，不受复杂环境影响，只要处在激光雷达测量仪4测量空间即可。自准直仪及激光雷达测量仪的采用，相比于现有技术采用的经纬仪，使得测量误差大幅降低。

附图说明

图1是本发明之大型飞行器中的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，该图同时作为摘要附图。图2是采用本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统现场测量示意图。图3是本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统中的自准直仪标定方法示意图。图4、图5分别是本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统包含的转接组件下半部分、上半部分结构示意图。

具体实施方式

本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统其具体方案如下所述，如图1、图2所示，包含1～2个测量站，如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，如3个标准工具球2，标准工具球2多于3个能够进行冗余计算，3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；标定平面镜6与自准直仪1相距2～3米，如2.5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；标定平面镜6用来建立自准直仪1的光学轴线与标准工具球2之间的相对姿态关系；由标准工具球2建立自准直仪1与激光雷达测量仪4的工作关系。

本发明之大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统还包括1个转接组件，如图4、图5所示，所述转接组件由转接工装7、转接立方镜8、设备立方镜平台9构成，转接立方镜8设置在转接工装7上部，设备立方镜平台9位于转接工装7下部。设备立方镜10摆放在设备立方镜平台9上，转接立方镜8与设备立方镜10的姿态关系由转接工装7固定。转接立方镜8与设备立方镜10的相对姿态关系标定后，在后续测量中以转接立方镜8姿态表征大型飞行器中的GNC分系统设备姿态。转接组件进入工位，如图2所示，将所述转接组件与大型飞行器11中某一待测GNC分系统设备刚性结合，转接组件的引入解决了安装位置较为隐蔽的GNC分系统设备的姿态测量问题。

Claims (1)

1.一种大型飞行器中的GNC分系统设备姿态测量系统，其特征在于，包含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；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；标定平面镜(6)用来建立自准直仪(1)的光学轴线与标准工具球(2)之间的相对姿态关系；由标准工具球(2)建立自准直仪(1)与激光雷达测量仪(4)的工作关系，还包括1个转接组件，所述转接组件由转接工装(7)、转接立方镜(8)、设备立方镜平台(9)构成，转接立方镜(8)设置在转接工装(7)上部，设备立方镜平台(9)位于转接工装(7)下部。

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