复合制导系统初始姿态现场校准系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于初始姿态角度差计量校准技术领域，具体涉及一种复合制导系统初始姿态现场校准系统及方法。
【背景技术】
[0002]新时期我国在航天领域的探索围绕着发射人造卫星、载人航天和深空探测这三大项系统工程展开，新型运载火箭将具备适应连续多日发射窗口、长时间滑行、高准确度入轨和高可靠性飞行的能力，这其中对火箭导航系统的精度、可靠性提出了更为严格的要求，单一的导航方式已经很难满足长航时、高准确度的导航要求，将逐步采用捷联惯组/星敏感器复合制导方式。
[0003]捷联惯组/星敏感器复合导航系统，以捷联惯导系统为主，充分利用星敏感器的姿态输出精度高且误差不随着时间累积的优点，实时对捷联惯组的数学平台姿态误差进行修正，有效提高导航系统精度。
[0004]在捷联惯组/星敏感器复合制导系统中，捷联惯组与星敏感器之间的初始姿态相对位置尤为重要，必须在火箭起飞前准确标定出二者之间姿态角度差，得到星光敏感器的初始姿态基准，为后续导航和制导控制奠定基础。
[0005]国内惯性制导行业对各制导单元之间初始姿态的标定，初期是依靠仪器舱安装板上的定位挡销定位，定位挡销连线之间的位置公差仅靠机械加工精度保证，然后将惯组和星敏感器分别与各自的定位挡销靠紧，即认为两制导单元的角偏差满足图纸设计的公差范围，也无具体的真实数值。后来发展为利用多台经纬仪组成测量系统，每台经纬仪望远镜分别与制导单元外部基准棱体相应反射面准直。其中，两基准棱体在俯仰和滚转方向上的角度差测量，首先测量出两基准棱体反光面法线分别与大地水平面的夹角，然后再计算二者的差值。在此测量过程中，包含两台经纬仪的竖轴调平误差和人为准直对线误差，这两项误差将1:1直接带入测量数据中，严重影响测量结果的准确度。在测量两基准棱体在偏航方向上的角度差时，也将其它两台经纬仪的自身误差和对瞄误差带入测量结果中。后者的标定方法相对前者虽然较为合理，但测量设备的配置数量较多，仪器架设复杂，测量程序繁琐，测量误差项多等缺陷，造成测量结果的准确度降低。另外使用经纬仪进行测量时，要求经纬仪与被测基准棱体之间必须通视，但由于测量场环境的局限性，不能满足测量环境的要求，致使不能完成三维姿态的测量，只能测量一维或两维的姿态差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种复合制导系统初始姿态现场校准系统及方法，快速、便捷、准确地完成导系统中捷联惯组与星敏感器之间初始姿态三维角度差的同步现场校准。
[0007]本发明的技术方案如下:一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，该系统包括第一光路系统、第二光路系统、第三光路系统以及第四光路系统，其中，第一光路系统的准直分划板A经过第一光路系统照射在捷联惯组基准棱体后，反射至第一光路系统中的线阵CCD器件A上；第二光路系统中的准直分划板B1和准直分划板B2经过第二光路系统照射在捷联惯组基准棱体后，分别反射至第二光路系统中的线阵CXD器件B1线阵CXD器件B2上；第三光路系统的准直分划板C经过第三光路系统照射在星敏感器基准棱体后，反射至第三光路系统的线阵CCD器件C上；第四光路系统的准直分划板D1以及准直分划板D2经过第四光路系统后，分别反射至第四光路系统中的线阵CCD器件D1和线阵CCD器件D2上。
[0008]所述的第一光路系统包括物镜A、校正透镜A、五角棱镜A、分光棱镜A1以及准直分划板A,其中，准直分划板A产生的光路I经过分光棱镜A1和分光棱镜A2反射后依次进入校正透镜A和物镜A后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜A转向90°后入射捷联惯组基准棱体反射面，通过捷联惯组基准棱体反射面反射后的光路I依次通过五角棱镜A、物镜A和校正透镜A后，经过分光棱镜A2反射后透过分光棱镜A1成像在线阵CXD器件A上，当捷联惯组基准棱体反射面垂直于主光轴时，反射光线正好汇聚在线阵CCD器件A的中心位置，即初始零位位置。
[0009]所述的第二光路系统包括物镜B、分光棱镜B1、分光棱镜B2、分光棱镜B3、准直分划板B1以及准直分划板B2，其中，准直分划板B1和准直分划板B2分别经过分光棱镜B1、分光棱镜B2反射，以及分光棱镜B3、分光棱镜B2透射后形成光路II，光路II依次经过校正透镜B、物镜B后形成平行光后垂直入射捷联惯组基准棱体的另一反射面，经过捷联惯组基准棱体反射后的光路II依次通过物镜B、校正透镜B后入射分光棱镜B2，光路II经过分光棱镜B2反射及透射后分成两个相互垂直的光路，一条光路经分光棱镜B2反射后透过分光棱镜B1成像在线阵CXD器件B1上，另一条光路经分光棱镜B2透射后由分光棱镜B3反射成像在线阵CCD器件B2上，当捷联惯组基准棱体反射面在垂直主光轴两个方向发生偏转时，即可解算出捷联惯组基准棱体两维的偏转角度值。
[0010]所述的第三光路系统包括物镜C、校正透镜C、五角棱镜B、分光棱镜A3以及准直分划板C,其中，准直分划板C产生的光路III经过分光棱镜A3和分光棱镜A2反射后依次进入校正透镜C和物镜C后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜B转向90°后入射星敏感器基准棱体反射面，通星敏感器基准棱体反射面反射后的光路III依次通过五角棱镜B、物镜C和校正透镜C后，经过分光棱镜A2反射后透过分光棱镜A3成像在线阵CXD器件C上，当星敏感器基准棱体反射面垂直于主光轴时，反射光线正好汇聚在线阵CCD器件C的中心位置，即初始零位位置；当星敏感器基准棱体反射面发生偏转时，反射光线汇聚将偏离线阵CXD器件C中心位置，利用偏离线阵CXD器件C中心位置的距离，即可解算出星敏感器基准棱体偏转的角度值。
[0011]所述的第四光路系统包括物镜D、分光棱镜D1、分光棱镜D2、分光棱镜D3、准直分划板D1以及准直分划板D2，其中，准直分划板D1和准直分划板D2分别经过分光棱镜D1、分光棱镜D2反射，以及分光棱镜D3、分光棱镜D2透射后形成光路IV，光路IV依次经过校正透镜D、物镜D后形成平行光后垂直入射星敏感器基准棱体的另一反射面，经过星敏感器基准棱体反射后的光路IV依次通过物镜D、校正透镜D后入射分光棱镜D2，光路IV经过分光棱镜D2反射及透射后分成两个相互垂直的光路，一条光路经分光棱镜D2反射后透过分光棱镜D1成像在线阵CXD器件D1上，另一条光路经分光棱镜D2透射后由分光棱镜D3反射成像在线阵CCD器件D2上，当星敏感器基准棱体反射面在垂直主光轴两个方向发生偏转时，即可解算出星敏感器基准棱体两维的偏转角度值。
[0012]一种复合制导系统初始姿态现场校准方法，该方法具体包括如下步骤:
[0013]步骤1、将复合制导系统初始姿态现场校准系统的四路光电测量系统安装在同一基体上，并对捷联惯组和星敏感器的三维姿态差同步进行标校；
[0014]步骤2、利用现场校准系统测量惯组基准棱体和星敏感器基准棱体的三维姿态角，获得星敏感器相对应捷联惯组的初始姿态角差值。
[0015]所述的步骤I具体为:
[0016]将复合制导系统初始姿态现场校准系统的四路光电测量系统安装在同一基体上，将第一光路系统和第三光路系统中的零位光轴调整为同轴，将第二光路系统和第四光路系统中的零位光轴调整为同轴；将该校准系统中的左侧测量光轴和右侧测量光轴均与各自相对应的捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体准直。
[0017]所述的步骤2具体为:
[0018]利用现场校准系统测量捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在偏航方向、俯仰方向及滚转方向的测量值，获得星敏感器相对于捷联惯组的初始姿态角差值，具体为:
[0019]Ay = Y xlc- Y glc+ Δ Ygl-A y χ1
[0020]Δ φ = φ xlc- φ glc+ Δ φ gl- Δ φ χ1
[0021]Δ ψ = VxlcIglc+Λ Ψβ1-Δ ψχ1
[0022]式中，Λ Υ为偏航方向的初始姿态角差值；Λ φ为俯仰方向的初始姿态角差值；Δ Ψ为滚转方向的初始姿态角差值；Λ Ygl、A Yxl分别为捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在偏航方向上的安装误差，其为已知量；Λ Φ81、Λ φχ1分别为捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在俯仰方向上的安装误差，其为已知量；Λ Ψ81、Δ Ψχ1分别为捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在滚转方向上的安装误差，其为已知量；Ygl。、Yxlc分别为捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在偏航方向上的测量值；Φ81。、Φχ1。分别为捷联惯组基准棱体和星敏感器基准棱体在俯仰方向