[發明專利]航天器用光學陀螺組件姿態基準鏡安裝誤差標定方法有效
| 申請號： | 201910094312.6 | 申請日： | 2019-01-31 |
| 公開（公告）號： | CN109631952B | 公開（公告）日： | 2020-07-03 |
| 發明（設計）人： | 王林;魏國;王國臣;袁保倫;樊振方;羅暉 | 申請（專利權）人： | 中國人民解放軍國防科技大學 |
| 主分類號： | G01C25/00 | 分類號： | G01C25/00 |
| 代理公司： | 國防科技大學專利服務中心 43202 | 代理人： | 王文惠 |
| 地址： | 410073 湖*** | 國省代碼： | 湖南;43 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 航天 器用 光學 陀螺 組件 姿態 基準 安裝 誤差 標定 方法 | ||
1.航天器用光學陀螺組件姿態基準鏡安裝誤差標定方法，使用L型大理石平臺(1)、標準六面體(2)、自準直儀(3)并借助光學陀螺組件(4)自身的測量輸出信息，來實現光學陀螺組件(4)與姿態基準鏡(5)之間安裝誤差的標定，其特征在于：包括以下步驟：
(1)建立光學陀螺敏感軸約束坐標系，并在此約束坐標系下標定光學陀螺組件(4)的安裝誤差參數，其中以X陀螺敏感軸oxg為約束坐標系的xb軸，約束坐標系的yb軸在X陀螺敏感軸oxg與Y陀螺敏感軸oyg構成的平面內，約束坐標系的zb軸與xb軸、yb軸構成右手正交坐標系，將光學陀螺敏感軸約束坐標系定義為光學陀螺組件(4)的體坐標系b；
(2)完成光學陀螺組件(4)安裝誤差參數標定后，將光學基準鏡膠結到光學陀螺組件(4)上作為姿態基準鏡(5)；然后以標準六面體(2)作為光學陀螺組件(4)的安裝基座，將光學陀螺組件(4)安裝到標準六面體(2)上，最后將標準六面體(2)放到調平后的L型大理石平臺(1)上，其中標準六面體(2)的a面(6)、b面(7)須靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)；
(3)定義姿態基準鏡(5)坐標系，并將姿態基準鏡(5)坐標系作為光學陀螺組件(4)的姿態引出基準，其中，姿態基準鏡(5)坐標系的定義為：以姿態基準鏡(5)的一個側面的法線為xp軸，以與其相鄰的側面、頂面的法線為yp軸、zp軸，并且xp軸、yp軸、zp軸構成右手正交坐標系，并且此時xp軸與L型大理石平臺(1)的豎直面(13)的法線方向指向一致；
(4)設定轉動激勵并確定轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在姿態基準鏡(5)坐標系中的投影，包括以下步驟：
(4.1)將自準直儀(3)放到L型大理石平臺(1)水平面上，調節自準直儀(3)光軸使其瞄準姿態基準鏡(5)的xp軸并進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ1；
(4.2)繞方位軸逆時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、d面(9)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，自準直儀(3)在標準六面體(2)轉動前后保持靜止不動，此時再次利用自準直儀(3)進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ2；
(4.3)繼續繞方位軸逆時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、f面(11)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，自準直儀(3)在標準六面體(2)轉動前后保持靜止不動，此時利用自準直儀(3)進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ3；
(4.4)確定步驟(4.2)-(4.3)中的轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在姿態基準鏡(5)坐標系中的投影up，該等效旋轉軸矢量與xp軸的夾角為該等效旋轉軸矢量與yp軸的夾角為該等效旋轉軸矢量與zp軸的夾角為因此，步驟(4.2)-(4.3)中的轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在姿態基準鏡(5)坐標系中的投影up為up＝[α1 β1 γ1]T；
(4.5)繼續繞方位軸逆時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、b面(7)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)；進而繞俯仰軸順時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、a面(6)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，自準直儀(3)在標準六面體(2)轉動前后保持靜止不動，此時再次利用自準直儀(3)進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ4；
(4.6)繼續繞方位軸順時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、c面(8)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，自準直儀(3)在標準六面體(2)轉動前后保持靜止不動，此時利用自準直儀(3)進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ5；
(4.7)繼續繞方位軸順時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、f面(11)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，自準直儀(3)在標準六面體(2)轉動前后保持靜止不動，此時再次利用自準直儀(3)進行自準直讀數，得到俯仰角讀數θ6；
(4.8)確定步驟(4.6)-(4.7)中的轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在姿態基準鏡(5)坐標系中的投影vp，該等效旋轉軸矢量與zp軸的夾角為該等效旋轉軸矢量與yp軸的夾角為該等效旋轉軸矢量與xp軸的夾角為因此，步驟(4.6)-(4.7)中的轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在姿態基準鏡(5)坐標系中的投影up為vp＝[α2 β2 γ2]T；
(4.9)繼續繞方位軸順時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、a面(6)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)；進而繞俯仰軸逆時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、b面(7)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)；
(5)設定轉動激勵并確定轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影，包括以下步驟：
(5.1)繞方位軸逆時針轉動標準六面體(2)360°，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、b面(7)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，且轉動完成后靜止60s，進而繞方位軸順時針轉動標準六面體(2)360°，轉動完成后標準六面體(2)的a面(6)、b面(7)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，且轉動完成后靜止60s；
(5.2)確定步驟(5.1)中的逆時針轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影u+，通過以下步驟：
(5.2.1)確定步驟(5.1)中標準六面體(2)逆時針旋轉開始時刻光學陀螺組件(4)的初始姿態矩陣為即將時刻的光學陀螺組件(4)體坐標系b凝固為慣性坐標系i，其中，I表示三階單位矩陣；
(5.2.2)根據姿態矩陣微分方程對姿態矩陣在慣性坐標系i下進行更新，式中為姿態矩陣，為光學陀螺組件(4)輸出的旋轉角速度，其中姿態矩陣的更新方式如下：
且有
其中，分別表示tk-1、tk時刻的姿態矩陣，σ為[tk-1,tk-1]時間段△t內轉動激勵對應的等效旋轉矢量，|σ|為σ的模值，△θ1、△θ2、△θ3分別表示旋轉角速度在時間段時間段時間段內所對應的角增量；
(5.2.3)根據姿態矩陣微分方程解算得到標準六面體(2)逆時針旋轉結束時刻光學陀螺組件(4)的姿態四元數
(5.2.4)確定逆時針旋轉時對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影u+表示為：
式中，μ+的取值為表示的第j行、第k列元素；
(5.3)確定步驟(5.1)中的順時針轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影u-，通過以下步驟：
(5.3.1)確定步驟(5.1)中標準六面體(2)順時針旋轉開始時刻光學陀螺組件(4)的初始姿態矩陣為即將時刻的光學陀螺組件(4)體坐標系b凝固為慣性坐標系i；
(5.3.2)根據姿態矩陣微分方程對姿態矩陣在慣性坐標系i下進行更新；
(5.3.3)根據姿態矩陣微分方程解算得到標準六面體(2)順時針旋轉結束時刻光學陀螺組件(4)的姿態四元數
(5.3.4)確定順時針旋轉時對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影u-表示為：
式中，μ-的取值為表示的第j行、第k列元素；
(5.4)確定步驟(5.1)中轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影ub為
(5.5)繞俯仰軸順時針轉動標準六面體(2)，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、a面(6)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，且轉動完成后靜止60s；
(5.6)繞方位軸順時針轉動標準六面體(2)360°，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、a面(6)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，且轉動完成后靜止60s，進而繞方位軸逆時針轉動標準六面體(2)360°，轉動完成后標準六面體(2)的d面(9)、a面(6)靠緊L型大理石平臺(1)的水平面(12)和豎直面(13)，且轉動完成后靜止60s；
(5.7)確定步驟(5.6)中的順時針轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影v+，通過以下步驟：
(5.7.1)確定步驟(5.6)中標準六面體(2)順時針旋轉開始時刻光學陀螺組件(4)的初始姿態矩陣為即將時刻的光學陀螺組件(4)體坐標系b凝固為慣性坐標系i；
(5.7.2)根據姿態矩陣微分方程對姿態矩陣在慣性坐標系i下進行更新；
(5.7.3)根據姿態矩陣微分方程解算得到標準六面體(2)順時針旋轉結束時刻光學陀螺組件(4)的姿態四元數
(5.7.4)確定順時針旋轉時對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影v+表示為：
式中，υ+的取值為表示的第j行、第k列元素；
(5.8)確定步驟(5.6)中的逆時針轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影v-，通過以下步驟：
(5.8.1)確定步驟(5.1)中標準六面體(2)逆時針旋轉開始時刻光學陀螺組件(4)的初始姿態矩陣為即將時刻的光學陀螺組件(4)體坐標系b凝固為慣性坐標系i；
(5.8.2)根據姿態矩陣微分方程對姿態矩陣在慣性坐標系i下進行更新；
(5.8.3)根據姿態矩陣微分方程解算得到標準六面體(2)逆時針旋轉結束時刻光學陀螺組件(4)的姿態四元數
(5.8.4)確定逆時針旋轉時對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影v-表示為：
式中，υ-的取值為表示的第j行、第k列元素；
(5.9)確定步驟(5.6)中轉動激勵對應的等效旋轉軸矢量在光學陀螺敏感軸約束坐標系中的投影vb為
(6)確定光學陀螺敏感軸約束坐標系與姿態基準鏡(5)坐標系之間的安裝關系其中，進而當光學陀螺組件(4)姿態信息需要引出時即可校正光學陀螺敏感軸約束坐標系與姿態基準鏡(5)坐標系之間的安裝關系實現高精度姿態信息引出。
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