CN112033434A - 一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法 - Google Patents

Abstract

一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，包括以下步骤：在飞行器竖直状态下，架设测量设备；使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；在测量设备上设置激光跟踪仪及电子经纬仪共用的测量点位，并记录所有测量点位中心的实测坐标值；将所述测量点位在机体坐标下的坐标值导入已组好网的电子经纬仪系统内，使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐；对齐机体坐标系与标定测量坐标系后，进行准直测量，直至标定结束；能够测量再入轨飞行器上的复杂的电子经纬仪光路不可达的区域的点位坐标值。

Description

一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法

技术领域

本发明涉及飞机装配领域，特别涉及一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法。

背景技术

目前，基于立方镜准直测量的位姿测量技术广泛应用于航空航天等领域，该技术将星敏的光学、力学、电学等特性归算到立方镜坐标下，通过立方镜实现坐标系的快速恢复和重建。立方镜准直测量主要是采用电子经纬仪自准直测量，常规准直测量方法，包括步骤如下：

1、设置测量场，并并使得经纬仪准直光路与立方镜镜面垂直；

2、使用多台仪器进行空间角度交会，确定各个仪器站点间的相互位置关系，解算出测量坐标系；

3、后续测量出飞行器外形基准点，将测量坐标系与飞行器坐标系匹配对齐。

上述现有标定方法中有如下局限性：

1、飞行器测量基准点位于机翼上的隔热瓦外形孔内或其他电子经纬仪仪器光路不可达区域时，常用经纬仪测量时，需移动仪器使得光路能达测量点位，移动仪器对准测量点位时，使得测量过程的协调性不高，影响标定精度；

2、电子经纬仪进行点位测量精度较低，以常用测量精度为±0.5″的电子经纬仪为例，大量工程测试表明，5m距离上点位误差最大为：±0.1mm，10m距离上点位误差最大为：±0.2mm，而常用激光跟踪仪在10m距离上点位误差最大为：±0.075mm。

3、上述方法不能完全适用于带机翼的再入轨飞行器。

综上所述，由于再入轨飞行器分为筒体和本体两部分，导航成品间的位置关系复杂，高度差较大，以至于导航系统较其他航天或航空飞行器导航系统复杂很多，使用电子经纬仪组网按常用方法进行标定测量时，无法精确测量再入轨飞行器在竖直状态下的机身测量基准点，无法保证标定导航系统成品间位姿的解算精度。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，解决了上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，包括以下步骤：

步骤S1：在飞行器竖直状态下，架设测量设备；

步骤S2：使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；

步骤S3：在测量设备上设置激光跟踪仪及电子经纬仪共用的测量点位，并记录所有测量点位中心的实测坐标值；

步骤S4：将所述测量点位在机体坐标下的坐标值导入已组好网的电子经纬仪系统内，使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐；

步骤S5：对齐机体坐标系与标定测量坐标系后，进行准直测量，直至标定结束。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述激光跟踪仪测量时需配合T_CAM、T_PROBE一起测量隔热瓦或光路不可直达区域内的机体测量基准点。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述标定过程中采用四台经纬仪，以其中两台为标定系统参考基准，整个标定测量过程中，需确保此两台经纬仪未移动，移动另外两台经纬仪对相同飞行器进行测量。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述激光跟踪仪测量用的球体与经纬仪用的半球直径一致。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S2中使用最小二乘法建立飞行器机体坐标系。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S3中在测量设备上设置激光及电子经纬仪共用测量点位后，采用最小二乘法转换测量点位参数，并将激光跟踪仪的测量坐标系转换到步骤S2建立的机体坐标系下，然后记录所有测量点位中心的实测坐标值。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S1中架设测量设备时使用支持无极调速的仪器支撑支架。

在本方案中，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，具体地说，使用无极调速的仪器支撑支架，支撑固定激光跟踪仪和电子经纬仪，首先使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；然后使用四台电子经纬仪进行精准互瞄，分别建立四个经纬仪测量坐标系，将电子经纬仪单独无法准确测量的再入轨飞行器中的复杂位置，使用不同位置的电子经纬仪进行测量定位，然后将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐，将基于经纬仪测量坐标系的点位坐标值转化为基于机体坐标系的点位坐标值，进行准直标定。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，并使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐，能够测量再入轨飞行器上的复杂的电子经纬仪光路不可达的区域的点位坐标值；

2.本发明所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，并使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐，方法简单，测量点位坐标值精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的导航系统成品位置示意图；

图3是本发明的测量坐标系、测站坐标系的定义图；

图4是本发明的光路准直测量示意图；

图5是本发明的电子经纬仪准直测量仪器布局示意图；

图6是本发明的仪器精准互瞄示意图；

图7是本发明的用激光跟踪仪测量机体基准点示意图；

图8是本发明的机体坐标与测量坐标系转换示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图8对本发明作详细说明。

实施例1：

一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，如图1，包括以下步骤：

步骤S1：在飞行器竖直状态下，架设测量设备；

步骤S2：使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；

步骤S3：在测量设备上设置激光跟踪仪及电子经纬仪共用的测量点位，并记录所有测量点位中心的实测坐标值；

步骤S4：将所述测量点位在机体坐标下的坐标值导入已组好网的电子经纬仪系统内，使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐；

步骤S5：对齐机体坐标系与标定测量坐标系后，进行准直测量，直至标定结束。

工作原理：在本方案中，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，具体地说，使用无极调速的仪器支撑支架，支撑固定激光跟踪仪和电子经纬仪，首先使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；然后使用四台电子经纬仪进行精准互瞄，分别建立四个经纬仪测量坐标系，将电子经纬仪单独无法准确测量的再入轨飞行器中的复杂位置，使用不同位置的电子经纬仪进行测量定位，然后将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐，将基于经纬仪测量坐标系的点位坐标值转化为基于机体坐标系的点位坐标值，进行准直标定。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，所述激光跟踪仪测量时配合T_CAM、T_PROBE一起测量隔热瓦或光路不可直达区域内的机体测量基准点。

所述标定过程中采用四台经纬仪，以其中两台为标定系统参考基准，整个标定测量过程中，需确保此两台经纬仪未移动，移动另外两台经纬仪对相同飞行器进行测量。所述激光跟踪仪测量用的球体与经纬仪用的半球直径一致。

所述步骤S1中架设测量设备时使用支持无极调速的仪器支撑支架。

所述步骤S2中使用最小二乘法建立飞行器机体坐标系。

所述步骤S3中在测量设备上设置激光及电子经纬仪共用测量点位后，采用最小二乘法转换测量点位参数，并将激光跟踪仪的测量坐标系转换到步骤S2建立的机体坐标系下，然后记录所有测量点位中心的实测坐标值。

在本方案中，使用激光跟踪仪和电子经纬仪联合建立飞行器机体的坐标系并标定飞行器机体的坐标，具体地说，使用无极调速的仪器支撑支架，支撑固定激光跟踪仪和电子经纬仪，首先使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；然后使用四台电子经纬仪进行精准互瞄，分别建立四个经纬仪测量坐标系，将电子经纬仪单独无法准确测量的再入轨飞行器中的复杂位置，使用不同位置的电子经纬仪进行测量定位，然后将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐，将基于经纬仪测量坐标系的点位坐标值转化为基于机体坐标系的点位坐标值，进行准直标定。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本发明在上述实施例1-2任一项的基础上，

步骤S1：飞行器竖直状态下，架设测量设备。极低支架、极高支架上安装好电子经纬仪，其中极低支架用于准直筒体导航成品，极高支架用于准直本体某一导航成品，使得准直光路按图4方向与相对应成品立方镜镜面垂直，如图5所示。并在测量场内设置激光及电子经纬仪共用测量点位。如图2所示。

每一台电子经纬仪传感器实际上确定了一个坐标系，本方法中采用4台电子经纬仪进行精准互瞄，即有四个测站坐标系，如图6所示。各坐标系的定义如图3所示，定向参数解算其实为求解各测站坐标系的位置参数

和旋转参数

坐标系中第一台仪器设为初始，其参数已知所以由4台传感器构成的测量系统未知定向参数个数为6×(4-1)＝18。进行定向观测时往往还需要测量2个定向点，每个定向点有3个S位置参数，因此定向解算中的未知参数总数为24个。

测站点或定向点在测量坐标系下的坐标与在第i个测站坐标系下的坐标有如下关系，其中i＝1、2、3、4，k＝1、2、3、4、5、6。

按六自由度测站三维网平差法，基于测站坐标系与测量坐标系相互转换的统一思路的测站三维网平差，且考虑了任意测站坐标系的六个自由度(平移和旋转)，即可完成定向参数求解。

步骤S2：使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，采用最小二乘法建立飞行器机体坐标系。如图8所示。

步骤S3：测量在在测量场内设置激光及电子经纬仪共用测量点位，使用最小二乘法转换参数，将激光跟踪仪测量坐标系转换至机体坐标系下，并记录测量点位中心的实测坐标值；

步骤S4：将上述测量点位在机体坐标下的坐标值导入已组好网的电子经纬仪系统内，使用最小二乘转换将标定坐标系与机体坐标下对齐，将机体坐标系转换至经纬仪测量坐标系下，如图7所示；

步骤S5：对齐机体坐标系与标定测量坐标系后，即可进行准直测量。

准直测量步骤如下：

(1)T1、T2准直星敏立方镜的两个垂直面，测量水平角和垂直角读数(Hz₁，V₁)、(Hz₂，V₂)；

(2)T1、T2经纬仪互瞄内觇标，测量水平角和垂直角读数(Hz₁₂，V₁₂)、(Hz₂₁，V₂₁)；

(3)T3、T4准直惯导1立方镜的两个垂直面，测量水平角和垂直角读数(Hz₃，V₃)、(Hz₄，V₄)；

(4)T3、T4经纬仪互瞄内觇标，测量水平角和垂直角读数(Hz₃₄，V₃₄)、(Hz₄₃，V₄₃)；

(5)T3、T1经纬仪互瞄内觇标，测量水平角和垂直角读数(Hz₁₃，V₁₃)、(Hz₃₁，V₃₁)；

(6)使用上述准直测量和互瞄测量的数据，即可解算得到成品1相对于成品2的3×3矩阵角度姿态参数；

(7)将T₃、T₄经纬仪依次成品3、成品4立方镜的准直位置，重复步骤(3)～步骤(6)，即可得到成品1、成品2、成品3、成品4立方镜相对于经纬仪测量坐标系的3×3矩阵角度姿态参数，设姿态矩阵分别如下，式中，i＝1，2，3，4

至所有成品立方镜位姿数据采集、数据处理后，系统标定工作已完成。

本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：在飞行器竖直状态下，架设测量设备；

步骤S2：使用激光跟踪仪测量飞行器机体测量基准点，建立飞行器机体坐标系；

步骤S3：在测量设备上设置激光跟踪仪及电子经纬仪共用的测量点位，并记录所有测量点位中心的实测坐标值；

步骤S4：将所述测量点位在机体坐标下的坐标值导入已组好网的电子经纬仪系统内，使用最小二乘转换将经纬仪测量坐标系与机体坐标系下对齐；

步骤S5：对齐机体坐标系与标定测量坐标系后，进行准直测量，直至标定结束。

2.根据权利要求1所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述激光跟踪仪测量时配合T_CAM、T_PROBE一起测量隔热瓦或光路不可直达区域内的机体测量基准点。

3.根据权利要求1所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述标定过程中采用四台经纬仪，以其中两台为标定系统参考基准，整个标定测量过程中，需确保此两台经纬仪未移动，移动另外两台经纬仪对相同飞行器进行测量。

4.根据权利要求3所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述激光跟踪仪测量用的球体与经纬仪用的半球直径一致。

5.根据权利要求1所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述步骤S2中使用最小二乘法建立飞行器机体坐标系。

6.根据权利要求1所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述步骤S3中在测量设备上设置激光及电子经纬仪共用测量点位后，采用最小二乘法转换测量点位参数，并将激光跟踪仪的测量坐标系转换到步骤S2建立的机体坐标系下，然后记录所有测量点位中心的实测坐标值。

7.根据权利要求1所述的一种再入轨飞行器在竖直状态下的联合标定方法，其特征在于：所述步骤S1中架设测量设备时使用支持无极调速的仪器支撑支架。

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