基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法技术

本发明专利技术属于光学测量领域，具体公开了基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法，本发明专利技术通过：1.建立光学陀螺敏感轴约束坐标系；2.固定陀螺组件安装基座工装及调整自准直仪；3.确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系、光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影；4.确定光学陀螺敏感轴约束坐标系与光学基准镜坐标系之间的安装关系，实现星载光学陀螺组件姿态引出的校正。本发明专利技术充分利用了光学陀螺组件自身输出的高精度测量信息，操作简单、耗时短；在陀螺敏感轴约束坐标系下实现陀螺组件姿态信息的引出，不需要借助高精度三轴转台坐标系或者标准六面体坐标系作为过渡坐标系，避免了减振器形变带来的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法
本专利技术属于光学测量领域，特别涉及一种基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法。
技术介绍
光学陀螺具有全固态、可靠性好、使用寿命长及测量精度高的优点，在各类卫星上得到了广泛应用。光学陀螺构成的系统组件可以测量卫星的姿态变化，既可以为卫星姿态控制系统提供所需信息，也可以为卫星上的其它载荷提供姿态基准信息。光学陀螺组件为卫星载荷提供姿态基准信息的时候，需要通过光学基准镜引出陀螺组件的姿态。由于安装误差的存在，光学基准镜的镜面坐标系与光学陀螺组件自身的坐标系并不一致，需要校正陀螺组件与光学基准镜之间的安装关系进而实现高精度的姿态引出。传统的方法需要将高精度三轴转台坐标系或者标准六面体坐标系作为过渡坐标系，将陀螺组件的安装误差标定到此过渡坐标系下，进而以过渡坐标系为基准，通过标定光学基准镜与过渡坐标系之间的安装关系以引出陀螺组件姿态。因此，在标定陀螺组件与光学基准镜之间的安装关系过程中，通常需要借助高精度三轴转台、标准六面体、陀螺经纬仪、北向基准等设备来完成标定，操作繁琐、误差源多、耗时较长。另外，在过渡坐标系下标定陀螺组件的安装误差过程中还会受陀螺组件减振器形变的影响，增加了新的误差源，进一步影响陀螺组件姿态引出精度。针对以上的问题，有必要寻找一种操作简单、耗时较短、精度高的光学陀螺组件姿态引出校正方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：不依赖于高精度三轴转台、陀螺经纬仪、北向基准，仅使用一般的单轴速率转台和自准直仪，并充分利用光学陀螺组件自身输出的高精度信息，达到校正陀螺组件与光学基准镜之间安装关系的目的，并且操作要简单、耗时要短；此外，要解决陀螺敏感轴约束坐标系下陀螺组件姿态信息的引出问题，不需要借助高精度三轴转台坐标系或者标准六面体坐标系作为过渡坐标系，避免减振器形变带来的影响。通过解决以上两个关键技术问题，实现陀螺组件高精度姿态引出。为解决上述技术问题，本专利技术提出的解决方案为：基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法，包括以下步骤：(1)建立光学陀螺敏感轴约束坐标系，其中以X陀螺敏感轴oxg为约束坐标系的xb轴，约束坐标系的yb轴在X陀螺敏感轴oxg与Y陀螺敏感轴oyg构成的平面内，约束坐标系的zb轴与xb轴、yb轴构成右手正交坐标系，并将光学陀螺敏感轴约束坐标系作为光学陀螺组件的体坐标系；(2)将光学陀螺组件固定到安装基座工装上，然后将安装基座工装固定到调平后的单轴速率转台上，进而将光学基准镜固定到光学陀螺组件的中心位置，其中，光学基准镜为立方镜，最后定义光学基准镜的坐标系，光学基准镜坐标系定义为：以光学基准镜的一个侧面的法线为xp轴，以与其相邻的侧面、顶面的法线为yp轴、zp轴，并且xp轴、yp轴、zp轴构成右手正交坐标系；(3)确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影，包括以下步骤：(3.1)光学基准镜的法线zp轴朝向天向时，确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影up，包括以下步骤：(3.1.1)首先控制单轴速率转台回归零位，然后将自准直仪放到水平台上，进而调节水平台的高度及自准直仪的光轴；(3.1.2)使自准直仪瞄准光学基准镜垂直于xp轴法线的镜面，然后进行自准直读数，得到俯仰角读数θ1；(3.1.3)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转360°k，然后静止30s，继而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转360°k，然后静止30s，进而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转180°，然后保持静止不动，并再次利用自准直仪进行自准直读数，得到俯仰角读数θ2；此外，以上所述的k值为正整数，且其取值范围为3≤k≤7；并且单轴速率转台绕旋转轴旋转过程中需要记录保存光学陀螺组件的输出值；(3.1.4)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转90°，此时自准直仪瞄准光学基准镜垂直于yp轴法线的镜面，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ3；保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针继续旋转180°，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ4；最后，控制单轴速率转台回归零位；(3.1.5)重复步骤(3.1.2)～(3.1.4)两次，其中，第一次重复以上所述步骤时，步骤(3.1.2)中得到的俯仰角读数记为θ1′，步骤(3.1.3)中得到的俯仰角读数记为θ2′，(3.1.4)中得到的俯仰角读数分别记为θ3′、θ4′；第二次重复以上所述步骤时，步骤(3.1.2)中得到的俯仰角读数记为θ1″，步骤(3.1.3)中得到的俯仰角读数记为θ2″，步骤(3.1.4)中得到的俯仰角读数分别记为θ3″、θ4″；(3.1.6)确定光学基准镜的法线zp轴朝向天向时，单轴速率转台旋转轴矢量与光学基准镜坐标系的xp轴、yp轴、zp轴的夹角，其中，单轴速率转台旋转轴矢量与xp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与yp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与zp轴的夹角为因此，单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影up为up＝[α1β1γ1]T；(3.2)光学基准镜的法线yp轴朝向天向时，确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影ep，包括以下步骤：(3.2.1)首先将光学陀螺组件的安装基座工装绕xp轴逆时针旋转90°，并将安装基座工装固定到调平后的单轴速率转台上，此时光学基准镜的法线yp轴朝向天向；(3.2.2)调节自准直仪的光轴，使得自准直仪瞄准光学基准镜垂直于xp轴法线的镜面，最后进行自准直读数，得到俯仰角读数θ5；(3.2.3)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转360°k，然后静止30s，继而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转360°k，然后静止30s，进而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转180°，然后保持静止不动，并再次利用自准直仪进行自准直读数，得到俯仰角读数θ6；此外，以上所述的k值为正整数，且其取值范围为3≤k≤7；并且单轴速率转台绕旋转轴旋转过程中需要记录保存光学陀螺组件的输出值；(3.2.4)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转90°，此时自准直仪瞄准光学基准镜垂直于zp轴法线的镜面，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ7；最后，控制单轴速率转台回归零位；(3.2.5)重复步骤(3.2.2)～(3.2.4)两次，其中，第一次重复以上所述步骤时，步骤(3.2.2)中得到的俯仰角读数记为θ5′，步骤(3.2.3)中得到的俯仰角读数记为θ6′，(3.2.4)中得到的俯仰角读数记为θ7′；第二次重复以上所述步骤时，步骤(3.2.2)中得到的俯仰角读数记为θ5″，步骤(3.2.3)中得到的俯仰角读数记为θ6″，(3.2.4)中得到的俯仰角读数记为θ7″；(3.2.6)确定光学基准镜的法线yp轴朝向天向时，单轴速率转台旋转轴矢量与光学基准镜坐标系的xp轴、yp轴、zp轴的夹角，其中，单轴速率转台旋转轴矢量与xp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与zp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与yp轴的夹角为因此光学基准镜的法线yp轴朝向天向时，单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影ep为ep＝[α2β2γ2]T；(4)确定单轴速率转台的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法，其特征在于：包括以下步骤(1)建立光学陀螺敏感轴约束坐标系，其中以X陀螺敏感轴oxg为约束坐标系的xb轴，约束坐标系的yb轴在X陀螺敏感轴oxg与Y陀螺敏感轴oyg构成的平面内，约束坐标系的zb轴与xb轴、yb轴构成右手正交坐标系，并将光学陀螺敏感轴约束坐标系作为光学陀螺组件的体坐标系；(2)将光学陀螺组件固定到安装基座工装上，然后将安装基座工装固定到调平后的单轴速率转台上，进而将光学基准镜固定到光学陀螺组件的中心位置，其中，光学基准镜为立方镜，最后定义光学基准镜的坐标系，光学基准镜坐标系定义为：以光学基准镜的一个侧面的法线为xp轴，以与其相邻的侧面、顶面的法线为yp轴、zp轴，并且xp轴、yp轴、zp轴构成右手正交坐标系；(3)确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影，包括以下步骤：(3.1)光学基准镜的法线zp轴朝向天向时，确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影u

【技术特征摘要】
1.基于光学自准直的星载光学陀螺组件姿态引出方法，其特征在于：包括以下步骤(1)建立光学陀螺敏感轴约束坐标系，其中以X陀螺敏感轴oxg为约束坐标系的xb轴，约束坐标系的yb轴在X陀螺敏感轴oxg与Y陀螺敏感轴oyg构成的平面内，约束坐标系的zb轴与xb轴、yb轴构成右手正交坐标系，并将光学陀螺敏感轴约束坐标系作为光学陀螺组件的体坐标系；(2)将光学陀螺组件固定到安装基座工装上，然后将安装基座工装固定到调平后的单轴速率转台上，进而将光学基准镜固定到光学陀螺组件的中心位置，其中，光学基准镜为立方镜，最后定义光学基准镜的坐标系，光学基准镜坐标系定义为：以光学基准镜的一个侧面的法线为xp轴，以与其相邻的侧面、顶面的法线为yp轴、zp轴，并且xp轴、yp轴、zp轴构成右手正交坐标系；(3)确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影，包括以下步骤：(3.1)光学基准镜的法线zp轴朝向天向时，确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影up，包括以下步骤：(3.1.1)首先控制单轴速率转台回归零位，然后将自准直仪放到水平台上，进而调节水平台的高度及自准直仪的光轴；(3.1.2)使自准直仪瞄准光学基准镜垂直于xp轴法线的镜面，然后进行自准直读数，得到俯仰角读数θ1；(3.1.3)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转360°k，然后静止30s，继而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转360°k，然后静止30s，进而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转180°，然后保持静止不动，并再次利用自准直仪进行自准直读数，得到俯仰角读数θ2；此外，以上所述的k值为正整数，且其取值范围为3≤k≤7；并且单轴速率转台绕旋转轴旋转过程中需要记录保存光学陀螺组件的输出值；(3.1.4)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转90°，此时自准直仪瞄准光学基准镜垂直于yp轴法线的镜面，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ3；保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针继续旋转180°，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ4；最后，控制单轴速率转台回归零位；(3.1.5)重复步骤(3.1.2)～(3.1.4)两次，其中，第一次重复以上所述步骤时，步骤(3.1.2)中得到的俯仰角读数记为θ1′，步骤(3.1.3)中得到的俯仰角读数记为θ2′，(3.1.4)中得到的俯仰角读数分别记为θ3′、θ4′；第二次重复以上所述步骤时，步骤(3.1.2)中得到的俯仰角读数记为θ1″，步骤(3.1.3)中得到的俯仰角读数记为θ2″，步骤(3.1.4)中得到的俯仰角读数分别记为θ3″、θ4″；(3.1.6)确定光学基准镜的法线zp轴朝向天向时，单轴速率转台旋转轴矢量与光学基准镜坐标系的xp轴、yp轴、zp轴的夹角，其中，单轴速率转台旋转轴矢量与xp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与yp轴的夹角为单轴速率转台旋转轴矢量与zp轴的夹角为因此，单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影up为up＝[α1β1γ1]T；(3.2)光学基准镜的法线yp轴朝向天向时，确定单轴速率转台的旋转轴矢量在光学基准镜坐标系中的投影ep，包括以下步骤：(3.2.1)首先将光学陀螺组件的安装基座工装绕xp轴逆时针旋转90°，并将安装基座工装固定到调平后的单轴速率转台上，此时光学基准镜的法线yp轴朝向天向；(3.2.2)调节自准直仪的光轴，使得自准直仪瞄准光学基准镜垂直于xp轴法线的镜面，最后进行自准直读数，得到俯仰角读数θ5；(3.2.3)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴逆时针旋转360°k，然后静止30s，继而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转360°k，然后静止30s，进而控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转180°，然后保持静止不动，并再次利用自准直仪进行自准直读数，得到俯仰角读数θ6；此外，以上所述的k值为正整数，且其取值范围为3≤k≤7；并且单轴速率转台绕旋转轴旋转过程中需要记录保存光学陀螺组件的输出值；(3.2.4)保持自准直仪静止不动，控制单轴速率转台绕旋转轴顺时针旋转90°，此时自准直仪瞄准光学基准镜垂直于zp轴法线的镜面，继而进行自准直读数，得到俯仰角读数θ7；最后，控制单轴速率转台回归零位；(3.2.5)重复步骤(3.2.2)～(3.2.4)两次，其中，第一次重复以上所述步骤时，步骤(3.2.2)中得到的俯仰角读数记为θ5′，步骤(3.2.3)中得到的俯仰角读数记为θ6′，(3.2.4)中得到的俯仰角读数记为θ7′；第二次重复以上所述步骤时，步骤(3.2.2)中得到的俯仰角读数记为θ5″，步骤(3.2.3)中得到的俯仰角读数记为θ6″，(3.2.4)中得到的俯仰角读数记为θ7″；(3.2.6)确定光学基准...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，魏国，王国臣，袁保伦，樊振方，罗晖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43