CN113074696B - 一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，该方法为：首先在激光通讯望远镜的方位轴转台上安装倾角仪A、B以及陀螺仪；然后全天域标定100颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向及其偏差；再计算机架修正模型中的偏差系数，作为激光通讯望远镜系统误差的初始值，最后旋转激光通讯望远镜的方位轴转台使得陀螺仪的输出的角度θ；获取此时倾角仪A、B的角度以及方位轴转台的角度用于将机架修正模型中的偏差系数替换，使用替换后的修正系数在全天域找5～10颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向及其偏差，计算得到当前状态的修正系数。本发明能够实现可移动式卫星激光通讯望远镜指向的快速标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，属于光学设备技术领域。
背景技术
随着现代卫星技术的快速发展，卫星需要传输的数据量在快速增加，传统通讯方式已不能满足卫星高速数据传输的需求。而卫星激光通信具有通信容量大、保密性好、结构轻便和低功耗等突出优点。
激光通信链路的建立依赖激光通讯望远镜高精度的指向，而激光通讯望远镜在设计、制造、装配等过程不可避免会引入指向误差，一般在数百角秒。而这些误差一般是可重复的系统误差，固定式激光通讯望远镜一般通过观星(数十颗)来修正指向误差。
可移动式激光通讯望远镜在移动后在固定时会导致望远镜倾斜和真高度方位零位点发生改变，需要花费大量时间在全天域均匀观数十颗恒星来标校系统误差，并且在白天或者天气情况不是情况下，很难有条件在全天域观数十颗恒星。严重制约可移动式激光通讯望远镜的应用。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，在激光通讯望远镜的方位轴上安装倾角仪和光线陀螺寻北仪，根据倾角仪的倾斜角度、全天域观5～10颗恒星以及历史标定数据实现可移动式卫星激光通讯望远镜指向的快速标定。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，该方法包括如下步骤：
步骤1.在激光通讯望远镜的方位轴转台上安装两个倾角仪和一个陀螺仪，随方位轴转动，两个倾角仪记为倾角仪一和倾角仪二，且倾角仪一和倾角仪二的相位角差为90°，在与倾角仪一呈180°夹角安装陀螺仪；
步骤2.将完成倾角仪一、倾角仪二、陀螺仪装配的激光通讯望远镜固定，全天域标定100颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差△Ai、△Hi；
步骤3.根据机架修正模型，使用最小二乘法计算机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22，作为激光通讯望远镜系统误差的初始值，其中a0表示方位轴零位点偏差，a1表示高度轴零位点偏差，a2表示方位轴南北向倾斜，a3表示方位轴东西方向倾斜,a22表示高度轴的双周期；
步骤4.旋转激光通讯望远镜的方位轴转台使得陀螺仪的输出的角度θ，θ＜1°；获取此时倾角仪一的角度b0、倾角仪二的角度b2以及方位轴转台的角度b3，将机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22中a0，a1，a2，a3替换为b3，-b0，b0，b2，使用替换后的修正系数在全天域找5～10颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差ΔAi、ΔHi，使用局部修正模型：
ΔAi＝β0-β2cosAi tanHi-β3sinAitanHi
ΔHi＝β1+β2sinAi-β3cosAi
其中：
β0为新的方位轴编码器零点差；
β1为新的高度轴编码器零点差；
β2为新的方位轴南北方向倾斜；
β3为新的方位轴东西方向倾斜；
使用最小二乘法计算出新的修正系数β0，β1，β2，β3，将其与b3，-b0，b0，b2相加得到当前状态的修正系数，即α′0＝β0+b3，α′1＝β1-b0，α′2＝β2+b0，α′3＝β3+b2完成激光通讯望远镜的指向标定，其中α′0为当前状态的方位轴编码器零点差；α1为当前状态的高度轴编码器零点差；α′2为当前状态的方位轴南北方向倾斜；α′3为当前状态的方位轴东西方向倾斜；
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，步骤3中所述机架修正模型为：
ΔA＝α′0-α′2cosAtanH-α′3sinAtanH+α4secH-α5tanH+α6sinA+α-cosA
+α13sin 2A+α14cos 2A+α19sin 2AsecH+α20cos 2AsecH
ΔH＝α1′+α2′sinA-α3′cosA+α10cotH+α15sinA+α16cosA
+α17HsinA+α18HcosA+α21 sin 2A+α22cos2A
其中：
a4为视场中心与光轴中心偏差；
a5为方位轴与高度轴非正交；
a6为方位方向椭圆率；
a7为方位方向椭圆率；
a8为高度方向椭圆率；
a9为高度方向椭圆率；
a10为镜筒弯沉；
a11为方位轴码盘器刻度差；
a12为高度轴码盘器刻度差；
a13为方位的双周期；
a14为方位的双周期；
a15为高度轴编码器阻力；
a16为高度轴编码器阻力；
a17为高度轴阻力；
a18为高度轴阻力；
a19为方位轴的双周期比例；
a20为方位轴的双周期比例；
a21为高度轴的双周期；
a22为高度轴的双周期；
A为激光通讯望远镜方位轴码盘角度；
H为激光通讯望远镜高度轴码盘角度；
ΔA为激光通讯望远镜方位轴指向修正值；
ΔH为激光通讯望远镜高度轴指向修正值；
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，所述倾角仪采用测量范围±90°，测量精度优于0.005°的倾角仪。
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，所述陀螺仪采用测量范围0～360°，测量精度优于0.06°的陀螺仪。
有益效果：
本发明通过在Intane-500固定式激光通讯望远镜的方位轴转台上安装两个倾角仪和一个陀螺仪，改变实验参数，望远镜标定完成后再改变激光通讯望远镜的方位轴倾斜，以及整个望远镜做小幅度旋转进行重新标定。得到与固定式激光通讯望远镜全天域均匀标定约100颗恒星相同的指向精度，满足实际使用要求，后期将应用在下一代可移动式激光通讯望远镜设备上。
具体实施方式
一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，该方法包括如下步骤：
步骤1.在激光通讯望远镜的方位轴转台上安装两个倾角仪和一个陀螺仪，随方位轴转动，两个倾角仪记为倾角仪一和倾角仪二，且倾角仪一和倾角仪二的相位角差为90°，在与倾角仪一呈180°夹角安装陀螺仪；本实施例中的激光通讯望远镜采用Intane-500固定式激光通讯望远镜；
步骤2.将完成倾角仪一、倾角仪二、陀螺仪装配的激光通讯望远镜固定，全天域标定100颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差ΔAi、ΔHi；
步骤3.根据机架修正模型，使用最小二乘法计算机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22，作为激光通讯望远镜系统误差的初始值，其中a0表示方位轴零位点偏差，a1表示高度轴零位点偏差，a2表示方位轴南北向倾斜，a3表示方位轴东西方向倾斜，a22表示高度轴的双周期；
步骤4.旋转激光通讯望远镜的方位轴转台使得陀螺仪的输出的角度θ，θ＜1°；获取此时倾角仪一的角度b0、倾角仪二的角度b2以及方位轴转台的角度b3，将机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22中a0，a1，a2，a3替换为b3，-b0，b0，b2，使用替换后的修正系数在全天域找5～10颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差ΔAi、ΔHi，使用局部修正模型：
ΔAi＝β0-β2cosAitanHi-β3sinAi tanHi
ΔHi＝β1+β2sinAi-β3cosAi
其中：
β0为新的方位轴编码器零点差；
β1为新的高度轴编码器零点差；
β2为新的方位轴南北方向倾斜；
β3为新的方位轴东西方向倾斜；
使用最小二乘法计算出新的修正系数β0，β1，β2，β3，将其与b3，-b0，b0，b2相加得到当前状态的修正系数，即α′0＝β0+b3，α′1＝βi-b0，α′2＝β2+b0，α′3＝β3+b2完成激光通讯望远镜的指向标定，其中α′0为当前状态的方位轴编码器零点差；α′1为当前状态的高度轴编码器零点差；α′2为当前状态的方位轴南北方向倾斜；α′3为当前状态的方位轴东西方向倾斜；
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，步骤3中所述机架修正模型为：
ΔA＝α′0-α′2cosAtanH-α′3sinAtanH+α4secH-α5tanH+α6sinA+α7cosA+α13sin2A+α14cos2A+α19sin2AsecH+α20cos2AsecH
ΔH＝α′1+α2′sinA-α3′cosA+α10cotH+α15sinA+α16cosA
+α17HsinA+α18HcosA+α21sin 2A+α22cos2A
其中：
a4为视场中心与光轴中心偏差；
a5为方位轴与高度轴非正交；
a6为方位方向椭圆率；
a7为方位方向椭圆率；
a8为高度方向椭圆率；
a9为高度方向椭圆率；
a10为镜筒弯沉；
a11为方位轴码盘器刻度差；
a12为高度轴码盘器刻度差；
a13为方位的双周期；
a14为方位的双周期；
a15为高度轴编码器阻力；
a16为高度轴编码器阻力；
a17为高度轴阻力；
a18为高度轴阻力；
a19为方位轴的双周期比例；
a20为方位轴的双周期比例；
a21为高度轴的双周期；
a22为高度轴的双周期；
A为激光通讯望远镜方位轴码盘角度；
H为激光通讯望远镜高度轴码盘角度；
ΔA为激光通讯望远镜方位轴指向修正值；
ΔH为激光通讯望远镜高度轴指向修正值；
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，所述倾角仪采用测量范围±90°，测量精度优于0.005°的倾角仪。
所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，所述陀螺仪采用测量范围0～360°，测量精度优于0.06°的陀螺仪。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。
Claims (3)
1.一种可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
步骤1.在激光通讯望远镜的方位轴转台上安装两个倾角仪和一个陀螺仪，随方位轴转动，两个倾角仪记为倾角仪一和倾角仪二，且倾角仪一和倾角仪二的相位角差为90°，在与倾角仪一呈180°夹角安装陀螺仪；
步骤2.将完成倾角仪一、倾角仪二、陀螺仪装配的激光通讯望远镜固定，全天域标定100颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差ΔAi、ΔHi；
步骤3.根据机架修正模型，使用最小二乘法计算机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22，作为激光通讯望远镜系统误差的初始值，其中a0表示方位轴零位点偏差，a1表示高度轴零位点偏差，a2表示方位轴南北向倾斜，a3表示方位轴东西方向倾斜，a22表示高度轴的双周期；
步骤4.旋转激光通讯望远镜的方位轴转台使得陀螺仪的输出的角度θ，θ＜1°；获取此时倾角仪一的角度b0、倾角仪二的角度b2以及方位轴转台的角度b3，将机架修正模型中的偏差系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16，a17，a18，a19，a20，a21，a22中a0，a1，a2，a3替换为b3，-b0，b0，b2，使用替换后的修正系数在全天域找5～10颗恒星，并记录每颗恒星的望远镜的方位和高度指向Ai、Hi，以及高度和方位偏差ΔAi、ΔHi，使用局部修正模型：
ΔAi＝β0-β2cosAi tanHi-β3sinAi tanHi
ΔHi＝β1+β2sinAi-β3cosAi
其中：
β0为新的方位轴编码器零点差；
β1为新的高度轴编码器零点差；
β2为新的方位轴南北方向倾斜；
β3为新的方位轴东西方向倾斜；
使用最小二乘法计算出新的修正系数β0，β1，β2，β3，将其与b3，-b0，b0，b2相加得到当前状态的修正系数，即α′0＝β0+b3，α′1＝β1-b0，α′2＝β2+b0，α′3＝β3+b2完成激光通讯望远镜的指向标定，其中α′0为当前状态的方位轴编码器零点差；α′1为当前状态的高度轴编码器零点差；α′2为当前状态的方位轴南北方向倾斜；α′3为当前状态的方位轴东西方向倾斜；
步骤3中所述机架修正模型为：
ΔA＝α′0-α′2cosAtanH-α′3sinAtanH+α4secH-α5tanH+α6sinA+α7cosA+α13sin2A+α14cos2A+α19sin2AsecH+α20cos2AsecH
ΔH＝α1′+α2′sinA-α3′cosA+α10cotH+α15sinA+α16cosA+α17HsinA+α18HcosA+α21sin2A+α22cos2A
其中：
a4为视场中心与光轴中心偏差；
a5为方位轴与高度轴非正交；
a6为方位方向椭圆率；
a7为方位方向椭圆率；
a8为高度方向椭圆率；
a9为高度方向椭圆率；
a10为镜筒弯沉；
a11为方位轴码盘器刻度差；
a12为高度轴码盘器刻度差；
a13为方位的双周期；
a14为方位的双周期；
a15为高度轴编码器阻力；
a16为高度轴编码器阻力；
a17为高度轴阻力；
a18为高度轴阻力；
a19为方位轴的双周期比例；
a20为方位轴的双周期比例；
a21为高度轴的双周期；
a22为高度轴的双周期；
A为激光通讯望远镜方位轴码盘角度；
H为激光通讯望远镜高度轴码盘角度；
ΔA为激光通讯望远镜方位轴指向修正值；
ΔH为激光通讯望远镜高度轴指向修正值。
2.根据权利要求1所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，其特征是：所述倾角仪采用测量范围±90°，测量精度优于0.005°的倾角仪。
3.根据权利要求1所述的可移动卫星激光通讯望远镜指向快速标定方法，其特征是：所述陀螺仪采用测量范围0～360°，测量精度优于0.06°的陀螺仪。
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