CN114234902B - 一种星光平台视场角自主测试方法 - Google Patents

一种星光平台视场角自主测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测试方法,用于对星光平台台体内安装的星敏感器视场角进行自主测量;本发明利用框架式惯性平台自主转位控制调整星敏感器姿态,使得星光模拟器模拟的中心星点分别成像于星光测量系统中星敏感器视场的上下左右边界,进而确定星光测量系统的圆视场大小或方视场大小;本发明采用平台转位替代传统转台控制星敏感器转位的工作方式,可满足测试方法的自主、简单和可靠的使用要求。

Description

一种星光平台视场角自主测试方法
技术领域
本发明涉及一种星光平台视场角自主测试方法,尤其涉及一种平台内置式星敏感器,属于惯性测量技术领域。
背景技术
当星敏感器视轴指向星空时,视场内的恒星经过光学镜头成像在焦平面探测器上,实现星图采集。因此,星敏感器光学系统的视场角大小决定了单次曝光观测到的导航星数。若视场角过小,或设定的视场角存在外界的视场遮挡,则观测到的导航星数量不足,进而将导致姿态测量失败。
目前,对视场角暂无系统集成状态下的测试方法,一般需要将星敏感器拆下,安装于双轴转台或双轴分度台,前方固定平行光管使其成像于星敏感器坐标原点,控制转台分别绕两个轴缓慢旋转,当星点开始出现时记录转台初始角度,直至测不到星点时记录下转台终止角度,然后人工根据圆视场和方视场进行视场角计算。
上述测量方法需要拆卸产品,且自动化程度较低,需要进行人工判定和计算。
发明内容
本发明的技术解决问题是:提供了一种平台内置式星敏感器在组合导航系统集成状态下视场角的测试方法,无需拆卸产品也不依赖转台或分度台等辅助设备,实现了平台内置式星敏感器视场角的在线测量、自主测量和自动计算,精准辨识平台外部结构对星敏感器边缘视场的影响,增强测试的全面性和准确性。
本发明的技术解决方案是:一种星光平台视场角自主测试方法,测试设备包括框架式惯性平台系统,作为搭载星敏感器的主体,为星敏感器提供准确的姿态位置;星光模拟器一台,用于模拟星点输出。所述框架式惯性平台是一种惯性/天文组合导航装置,采用两框架三轴结构形式,包括陀螺仪、加速度计、星敏感器、外环框、内环框和平台台体及轴端元件等,陀螺仪、加速度计及星敏感器安装在平台台体上,外环框、内环框和平台台体能够分别绕外环轴、内环轴和台体轴旋转,分别实现俯仰、滚转、偏航三个方向单自由度的旋转,轴端安装力矩电机和光电编码器。
星光平台视场角测量方法步骤如下:
a)调整惯性平台台体姿态,使得星光模拟器模拟的中心星点能够成像于星敏感器圆视场或方视场的视场中心。
b)星敏感器光轴绕Ym轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场左侧边缘时以此时的第一边界点为基准,然后反方向转动,当星点恰位于视场的右侧第二边界点时,记录转过的角度αi
c)重复步骤a)后,星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第三边界点为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第四边界点,记录此时转过的角度βi
d)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴正向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第五边界点为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第六边界点时,记录此时转过的角度φi
e)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴反向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第七边界点为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第八边界点时,记录此时转过的角度
f)重复步骤a)~e)N次,并记录数据,N为正整数。
在上述星光平台视场角自主测试方法中,视场角计算方法为
针对记录数据取平均值,见公式(1)
式中:i=1,2,...,N;
α——星敏感器光轴绕Ym轴旋转对应的视场转角平均值;
β——星敏感器光轴绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值;
——星敏感器光轴绕Ym轴正向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值;
——星敏感器光轴绕Ym轴反向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值。
依据α,β,,/>的大小,判定视场为圆视场或方视场。当为圆视场时,视场大小为α和β的最小值;当为方视场时,视场大小表述为α×β。
在上述星光平台系统中,基于框架式惯性平台系统实现,所述框架式惯性平台系统包括基座、外框架、内框架和台体,可实现三轴精确转位与连续旋转。星敏感器安装于平台台体时惯导的坐标基准XpYpZp(由台体的基准六面体确定)和星敏感器的坐标基准XmYmZm(星敏感器的主光轴为Xm轴)有严格的位置要求。平台六面体侧面法线为坐标轴,Xp轴和Zp轴为水平轴,Yp轴方向由右手定则确定,其中Xp轴与星敏感器光轴Xm轴方向重合,平台六面体Zp轴方向与星敏感器六面体的Zm方向重合,平台六面体Xp轴方向与星敏感器六面体的Ym方向重合。所述框架式惯性平台系统实现平台台体转位的方法为:平台接到转位命令后,按照目标姿态角进行框架分解,然后控制相应轴端的力矩电机进行转动,以轴端光电编码器输出作为反馈控制,使台体快速逼近目标位置。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明可实现平台内置式星敏感器视场角系统集成状态下测量,无需对星敏感器进行拆卸即可完成视场角测试,本发明的方法是为了判断平台结构对星敏感器是否存在视场遮挡时直接采用平台自主对星敏感器视场角进行测量的测试方法。
(2)本发明利用框架式平台转位功能调整星敏感器姿态,实现对星敏感器视场角的测量,无需配备转台或分度台等辅助设备,可自动进行圆视场和方视场的角度计算。
(3)利用平台转位可以精确扫描星敏感器全视场,从而直接得到星敏感器视场边缘在使用环境条件下的成像质量及外部结构对星敏感器光路的遮挡情况,测试结果与使用状态一致性好。
(4)本发明的方法可在系统集成状态下完成测试,无需拆卸产品;且由于集成系统结构对于边缘视场存在一定的遮挡关系,该方法可以用来考核最终使用状态下的视场情况;本发明的方法基于现有单机视场角测试方法进行了功能升级,可自动进行圆视场和方视场的角度计算。
附图说明
图1为本发明测试设备示意图;
图2(a)为本发明圆视场示意图;
图2(b)为本发明方视场示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示,本发明提供了一种星光平台视场角自主测试方法,测试设备包括框架式惯性平台系统,作为搭载星敏感器的主体,为星敏感器提供准确的姿态位置;星光模拟器11一台,用于模拟星点输出。所述框架式惯性平台是一种惯性/天文组合导航装置,采用两框架三轴结构形式,包括陀螺仪、加速度计、星敏感器9、外环框、内环框和平台台体及轴端元件等,陀螺仪、加速度计及星敏感器9安装在平台台体10上,外环框、内环框和平台台体10能够分别绕外环轴、内环轴和台体轴旋转,分别实现俯仰、滚转、偏航三个方向单自由度的旋转,轴端安装力矩电机和光电编码器。
星光平台视场角测量方法步骤如下:
a)调整惯性平台台体姿态,使得星光模拟器模拟的中心星点能够成像于星敏感器圆视场或方视场的视场中心,如图2(a)、图2(b)所示。
b)星敏感器光轴绕Ym轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场左侧边缘时以此时的第一边界点1为基准,然后反方向转动,当星点恰位于视场的右侧第二边界点2时,记录转过的角度αi
c)重复步骤a)后,星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第三边界点3为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第四边界点4,记录此时转过的角度βi
d)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴正向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第五边界点5为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第六边界点6时,记录此时转过的角度φi
e)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴反向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动时读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第七边界点7为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第八边界点8时,记录此时转过的角度
f)重复步骤a)~e)N次,并记录数据,N为正整数。
在上述星光平台视场角自主测试方法中,视场角计算方法为
针对记录数据取平均值,见公式(1)
式中:i=1,2,...,N,
α——星敏感器光轴绕Ym轴旋转对应的视场转角平均值,单位为°;
β——星敏感器光轴绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值,单位为°;
——星敏感器光轴绕Ym轴正向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值,单位为°;
——星敏感器光轴绕Ym轴反向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值,单位为°。
依据α,β,,/>的大小,自动判定视场为圆视场或方视场。当为圆视场时,视场大小为α和β的最小值;当为方视场时,视场大小表述为α×β。
如图1所示,在上述星光平台系统中,基于框架式惯性平台实现,所述框架式惯性平台系统包括基座13、外框架、内框架和平台台体10,可实现三轴精确转位与连续旋转。平台台体10安装在基座13上,星敏感器9安装于平台台体10时惯导的坐标基准XpYpZp(由台体的基准六面体确定)和星敏感器9的坐标基准XmYmZm(星敏感器的主光轴为Xm轴)有严格的位置要求。平台台体基准六面体12侧面法线为坐标轴,Xp轴和Zp轴为水平轴,Yp轴方向由右手定则确定,其中Xp轴与星敏感器光轴Xm轴方向重合,平台台体基准六面体12的Zp轴方向与星敏感器9六面体的Zm方向重合,平台台体基准六面体12的Xp轴方向与星敏感器9六面体的Ym方向重合。
所述框架式惯性平台系统实现平台台体转位的方法为:平台接到转位命令后,按照目标姿态角进行框架分解,然后控制相应轴端的力矩电机进行转动,以轴端光电编码器输出作为反馈控制,使台体快速逼近目标位置。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种星光平台视场角自主测试方法,其特征在于,测试所需设备包括:框架式惯性平台系统,搭载星敏感器,为星敏感器提供姿态位置;星光模拟器,用于模拟星点输出;测试方法包括步骤如下:
a)调整平台台体姿态,使得星光模拟器模拟的中心星点成像于星敏感器圆视场或方视场的视场中心;
b)控制星敏感器光轴绕Ym轴转动,读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场左侧边缘时以此时的第一边界点(1)为基准,然后反方向转动,当星点位于视场的右侧第二边界点(2)时,记录转过的角度αi
c)重复步骤a)后,控制星敏感器光轴绕Zm轴转动,读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第三边界点(3)为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第四边界点(4),记录此时转过的角度βi
d)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴正向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动,读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第五边界点(5)为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第六边界点(6)时,记录此时转过的角度φi
e)重复步骤a)并使得星敏感器光轴绕Ym轴反向转动αi/4,然后使得星敏感器光轴绕Zm轴转动,读取星光模拟器模拟的中心星点,并判断星点所处位置;当星点位于视场上侧边缘时以此时的第七边界点(7)为基准,然后反方向转动,当星点位于视场下侧第八边界点(8)时,记录此时转过的角度
f)重复步骤a)~e)N次,并记录数据,计算视场角,N为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种星光平台视场角自主测试方法,其特征在于,所述框架式惯性平台系统采用两框架三轴结构,包括基座、陀螺仪、加速度计、星敏感器、外环框、内环框和平台台体及轴端元件;平台台体安装在基座上,陀螺仪、加速度计分别通过内框轴、外框轴安装在平台台体内,星敏感器安装在平台台体内;外环框、内环框和平台台体分别绕外环轴、内环轴和台体轴旋转,分别实现俯仰、滚转、偏航三个方向单自由度的旋转,轴端安装力矩电机和光电编码器。
3.根据权利要求2所述的一种星光平台视场角自主测试方法,其特征在于:星敏感器安装于平台台体时惯导的坐标系XpYpZp和星敏感器的坐标系XmYmZm的定义如下:
星敏感器的主光轴为Xm轴,平台台体基准六面体的侧面法线分别为Xp轴和Zp轴,且Xp轴和Zp轴为水平轴,Yp轴方向由右手定则确定,其中Xp轴与星敏感器的主光轴Xm轴方向重合,平台台体基准六面体的Zp轴方向与星敏感器六面体的Zm方向重合,平台台体基准六面体的Xp轴方向与星敏感器六面体的Ym方向重合。
4.根据权利要求3所述的一种星光平台视场角自主测试方法,其特征在于:所述框架式惯性平台系统实现平台台体转位的方法为:平台接到转位命令后,按照目标姿态角进行框架分解,然后控制相应轴端的力矩电机进行转动,以轴端光电编码器输出作为反馈控制,使台体逼近目标位置。
5.根据权利要求4所述的一种星光平台视场角自主测试方法,其特征在于:所述视场角的计算方法为:
计算记录数据的平均值:
其中:i=1,2,...,N,N=2~3,
α为星敏感器光轴绕Ym轴旋转对应的视场转角平均值;
β为星敏感器光轴绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值;
为星敏感器光轴绕Ym轴正向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值;
为星敏感器光轴绕Ym轴反向旋转αi/4后再绕Zm轴旋转对应的视场转角平均值;
依据α,β,,/>的大小,判定视场为圆视场或方视场,当视场为圆视场时,视场角大小为α和β的最小值;当视场为方视场时,视场角大小为α×β。
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