一种航天器精测数据处理系统技术方案

本发明专利技术提出一种航天器精测数据处理系统，属于航天器数据处理领域。该系统由精测数据存储模块、精测数据输入输出模块、精测数据修正模块、精测数据显示模块和精测数据处理模块组成，由各个模块之间的协同工作实现了不同阶段航天器精测数据的综合处理，操作界面简单直观，同时解决了计算机数值截断误差与常规数据修正方法增加数据处理误差的问题，可有效保证系统的数据处理精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种精测数据处理系统，特别是一种航天器精测数据处理系统，属于航天器数据处理领域。
技术介绍
为顺利完成航天器在轨飞行任务，航天器上很多设备如星敏感器、陀螺、红外地球敏感器、遥感相机、数传天线等都具有特定的空间指向要求，在航天器总装阶段，必须通过精确测量的方法获取上述设备在航天器全局坐标系下的精确指向(即精测数据)，本质上精测数据是数据所在设备坐标系到另一关联坐标系的数学转换关系。由于测量环境和手段的限制，航天器精测目前主要采用分阶段实施的方式，通常 分为单机设备阶段精测和航天器AIT (总装、测试、试验)阶段精测，必要时在部件装配阶段也进行精测。单机设备阶段精测主要利用设备相关测量装置将设备的工作基准(如星敏感器的光轴和线阵方向，三个基准方向构成设备基准坐标系)引出到设备的光学基准镜上，光学基准镜通常为正六面体形状，其三个相互垂直的面的法向构成设备测量坐标系，单机设备阶段精测的结果是获取设备基准坐标系与测量坐标系之间的坐标转换关系。航天器AIT阶段精测是获取设备测量坐标系与航天器全局坐标系之间的坐标转换关系，主要通过经纬仪等光学准直仪器测量设备与航天器上的立方镜光学镜面实现。对上述各阶段产生的精测数据进行处理可得到设备基准坐标系与航天器全局坐标系之间的坐标转换关系，该数据将用于航天器在轨姿态控制及遥感图像定位分析等领域；利用设备精测数据还可计算设备与设备之间的相对指向(即设备基准坐标系之间的坐标转换关系)，如计算星敏感器与遥感相机的相对指向以利用星敏感器在轨测量数据直接确定相机在轨指向等。目前，对各阶段精测数据的综合与处理主要利用Excel表或Matlab等软件工具完成，尚未形成标准化和程序化的精测数据处理系统。论文“航天器精度测量数据库系统建设方法”(航天器环境工程第27卷第I期2010年2月)提到了一种精测数据库的建设方法，该方法主要偏重航天器精测流程以及对现有精测数据的分类与管理，并未涉及精测数据处理和分析的相关技术和方法。此外，由于精测过程中被测光学镜面存在加工误差、精测系统中固有测量误差以及数据处理过程中计算机截断误差等因素的影响，精测数据中通常存在误差，破坏了精测数据表示正交矩阵的单位性和正交性，如不进行数据修正，将给精测数据后续处理和分析带来困难，严重时会导致错误数据(如出现角度余弦值大于I的错误数据等)。为确保数据的单位性，目前最直观且普遍应用的方法是将每个列向量元素除以该列向量的模，但该处理方法具有明显的偏向性，原始角度越小引入的计算修正误差越大(接近0°时产生的误差足以湮灭原始数据)；同时数据处理过程中的数值截断误差如处理不当也会显著增加精测数据的误差。因此，必须解决上述现有技术的缺陷，才能保证精测数据的处理精度，适应目前高精度航天器的发展需要。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种航天器精测数据处理系统，该系统实现了不同阶段航天器精测数据的综合处理，同时解决了计算机数值截断误差与常规数据修正方法增加数据处理误差的问题，可有效保证系统的数据处理精度。本专利技术提出的航天器精测数据处理系统，该系统由精测数据存储模块、精测数据输入输出模块、精测数据修正模块、精测数据显示模块和精测数据处理模块组成；所述精测数据输入输出模块包括数据输入模块和数据输出模块两部分，数据输入模块用于提供用户操作界面，接收用户手工输入或从文件批量导入的精测数据，并将其传递给数据修正模块；数据输入模块接受的数据类型包括以正交矩阵、欧拉角或单位四元数形式输入的精测数据；数据输出模块提供正交矩阵、四元数和欧拉角三种数据输出形式，将 精测数据或精测数据处理模块的处理结果输出到指定文件或者以特定格式输出至外部存储介质；所述精测数据修正模块，用于对输入的精测数据进行规范性检查，包括对正交矩阵的单位性和正交性进行检查，对四元数的单位性进行检查，当数据存在误差而不能通过检查时，该模块将对输入数据进行修正处理以得到规范化的精测数据，最后将规范化的精测数据输出给精测数据存储模块；所述精测数据存储模块，用于建立精测数据的数据结构，并存储由数据输入模块导入的精测数据；精测数据存储模块建立树形表示结构对精测数据进行组织和存储，其中树形结构的节点数据结构的字段有精测数据表示类型、精测数据正交矩阵表示类型、精测数据四元数表示类型、精测数据欧拉角表示类型、数据名称、记录父节点的指针、记录子节点的指针；所述的精测数据表示形式包括正交矩阵、四元数及欧拉角；树形结构的根节点采用航天器全局坐标系，存储的精测数据为单位矩阵或单位四元数；树形结构的其余节点对应一个设备坐标系并记录一条精测数据，该精测数据为该节点设备坐标系到其父节点设备坐标系几何变换关系的实测值；当从数据输入模块增加一条精测数据时，首先确定该精测数据父坐标系对应的树节点位置P，在数据显示模块中直接选取父节点或者利用精测数据名称在精测数据树中进行遍历搜索寻找父节点；确定父节点P的位置后，新建一个树节点N，将新增精测数据赋值给节点N，同时将新节点N的父节点指向P，并在节点P中新增一个子节点指向N;所述精测数据显示模块，用于对系统中的精测数据进行可视化显示；所述精测数据处理模块，用于对精测数据存储模块中的精测数据进行分析处理；首先由用户选择待分析的两个坐标系，精测数据处理模块则可计算出所选的两个坐标系之间的几何变换关系，计算该变换关系需在树形结构中找到连接两个坐标系所在节点的一条路径，利用相邻节点间的精测数据逐级叠加得到所需结果。有益效果本专利技术与现有技术相比的优点在于(I)本专利技术采用树型的数据结构，实现了对航天器上各设备在各阶段精测数据的有效组织和统一管理。在本方案中，树型数据结构与链表等类型的数据结构相比，使得本专利技术的航天器精测数据处理系统数据结构较为清晰，提高了存储效率和查找效率，进而提高了精测数据的处理效率。(2)本专利技术将精测数据进行正交矩阵、欧拉角和单位四元数等表示，并且能够对存储的精测数据进行多样化处理，包括航天器最终指向处理、设备相对指向分析和设备安装误差分析。(3)本专利技术实现了在规范统一的工作界面下对航天器不同阶段的精测数据进行综合处理，以及对航天器上不同设备间的相对指向及设备安装精度进行分析；同时实现了精测数据的三维显示，并可直接基于三维图形进行精测数据的处理与分析，在实现功能的同时使用户操作更加方便和人性化。(4)本专利技术采用了基于角度的误差修正方法对原始精测数据进行规范化修正，能够在数据精度损失更小的情况下实现精测数据的规范化，避免了由于原始精测数据不规范 而在后续数据处理与分析过程中产生的误差增大甚至数据错误的问题。(5)本专利技术分析了计算机截断误差对精测数据精度的影响，在系统数据结构设计时采用了更高精度的实数表示类型，从而有效避免了数值截断误差对系统数据处理精度的显著影响。附图说明图I为本专利技术的系统结构图；图2为本专利技术精测数据存储模块中的精测数据数据结构表示图；图3为本专利技术精测数据输入输出模块中的数据输入流程图；图4为本专利技术精测数据输入输出模块中的数据输出流程图；图5为本专利技术精测数据修正模块流程图；图6为本专利技术精测数据显示模块中的三维显示流程图；图7为本专利技术精测数据处理模块流程图。具体实施例方式下面结合说明书附图对本专利技术进行进一步的说明。一种航本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器精测数据处理系统，其特征在于：该系统由精测数据存储模块、精测数据输入输出模块、精测数据修正模块、精测数据显示模块和精测数据处理模块组成；所述精测数据输入输出模块包括数据输入模块和数据输出模块两部分，数据输入模块用于提供用户操作界面，接收用户手工输入或从文件批量导入的精测数据，并将其传递给数据修正模块；数据输入模块接受的数据类型包括以正交矩阵、欧拉角或单位四元数形式输入的精测数据；数据输出模块提供正交矩阵、四元数和欧拉角三种数据输出形式，将精测数据或精测数据处理模块的处理结果输出到指定文件或者以特定格式输出至外部存储介质；所述精测数据修正模块，用于对输入的精测数据进行规范性检查，包括对正交矩阵的单位性和正交性进行检查，对四元数的单位性进行检查，当数据存在误差而不能通过检查时，该模块将对输入数据进行修正处理以得到规范化的精测数据，最后将规范化的精测数据输出给精测数据存储模块；所述精测数据存储模块，用于建立精测数据的数据结构，并存储由数据输入模块导入的精测数据；精测数据存储模块建立树形表示结构对精测数据进行组织和存储，其中树形结构的节点数据结构的字段有：精测数据表示类型、精测数据正交矩阵表示类型、精测数据四元数表示类型、精测数据欧拉角表示类型、数据名称、记录父节点的指针、记录子节点的指针；所述的精测数据表示形式包括正交矩阵、四元数及欧拉角；树形结构的根节点采用航天器全局坐标系，存储的精测数据为单位矩阵或单位四元数；树形结构的其余节点对应一个设备坐标系并记录一条精测数据，该精测数据为该节点设备坐标系到其父节点设备坐标系几何变换关系的实测值；当从数据输入模块增加一条精测数据时，首先确定该精测数据 父坐标系对应的树节点位置P，在数据显示模块中直接选取父节点或者利用精测数据名称在精测数据树中进行遍历搜索寻找父节点；确定父节点P的位置后，新建一个树节点N，将新增精测数据赋值给节点N，同时将新节点N的父节点指向P，并在节点P中新增一个子节点指向N；所述精测数据显示模块，用于对系统中的精测数据进行可视化显示；所述精测数据处理模块，用于对精测数据存储模块中的精测数据进行分析处理；首先由用户选择待分析的两个坐标系，精测数据处理模块则可计算出所选的两个坐标系之间的几何变换关系，计算该变换关系需在树形结构中找到连接两个坐标系所在节点的一条路径，利用相邻节点间的精测数据逐级叠加得到所需结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高洪涛，徐庆鹤，史海涛，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：