卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术，涉及一种卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 空间飞行器一旦发射将难以维修，其特殊的运行环境使其地面仿真试验显得尤为 重要，因此，空间飞行器地面仿真系统的研宄分析具有重要的意义，其中地面仿真系统的核 心设备就是三轴气浮台。
[0003] 三轴气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮 起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很 小的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，三轴气浮台进行卫星控制系统全物理仿真实 验检验系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。
[0004] 三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出姿态角、角速率等姿 态信息，以便完成控制闭环，由于三轴气浮台的特殊结构，以往用于转台测量的装置（如旋 转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等）不适用于三轴气浮台的测量，需要考虑新的测 量方法和装置。并且在目前实际应用中，姿态测量系统精度的高低直接关系到仿真试验的 效果。
[0005] 经检索文献发现，中国发明专利【申请号】201110249979. 2,专利名称为三轴气浮台 高精度姿态角测量装置及其方法，该专利在三轴气浮台台面底部四周安装导轨、遮光帘和 标志器，人工照明系统和数字C⑶摄像机安装在可升降平台上。数字C⑶摄像机采集标志 器的图像并传输到负责图像处理的计算机上，通过对标志器进行亚像素定位，获取标志器 的精确坐标，从而计算出标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。但由于系统构建上 的缺陷，测量精度受到限制，从而影响其实际使用范围。
[0006] 中国发明专利【申请号】201310134631.8,专利名称为：三轴气浮台高精度姿态角 及角速度测量装置，该专利在三轴气浮台的仪表平台上安装智能侧头、陀螺仪和四面棱镜， 在台下安装激光跟踪仪和两台光电自准直仪，根据激光跟踪仪、两台光电自准直仪和陀螺 仪的数据直接得到姿态信息。但是该专利在数据滤波处理部分，并没有考虑到偏差四元数 模为1的约束条件，直接采用卡尔曼滤波，容易造成误差方差阵发生奇异，导致数据发散， 姿态确定失败。该专利没有考虑到激光跟踪仪和光电自准直仪输出信息的姿态参数转换、 陀螺仪量测坐标系标定等过程。此外，将数据处理与通信部分安排在台下进行，不符合实际 情况。
[0007] 在文献"三轴气浮台单框伺服测角系统的研宄"（发表于宇航学报，1996,第17卷， 第4期，页码：71_74)中，哈尔滨工业大学的张晓友、刘敦和北京控制工程研宄所的李继苏 等提出了一种单框伺服测量方案，该系统在气浮台底座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂 线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测 量气浮台的姿态信息。当该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，机构复杂，工程应 用较困难，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，很难达到高精度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法及装 置。
[0009] 本发明所采用的技术如下：一种卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量装置， 采用的设备包括第一光电自准直仪、第二光电自准直仪、四面棱镜和计算机；第一光电自准 直仪和第二光电自准直仪安装于三轴气浮台台下，第一光电自准直仪和第二光电自准直仪 相互成90°安装，四面棱镜安装在三轴气浮台台上，计算机安装在三轴气浮台台下，第一光 电自准直仪和第二光电自准直仪与计算机连接；工作时，第一光电自准直仪和第二光电自 准直仪接收四面棱镜反射的红外光线，得到四面棱镜相对第一光电自准直仪和第二光电自 准直仪的姿态，并发送给计算机，计算机接收第一光电自准直仪和第二光电自准直仪的输 出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气 浮台的姿态信息。
[0010] 本发明还具有如下特征：
[0011] 1、采用如上所述的一种卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量装置得出的测 量方法，如下：
[0012] 步骤1 :两台光电自准直仪接收四面棱镜反射的红外光线，得到四面棱镜相对光 电自准直仪的姿态；
[0013] 步骤2:光电自准直仪通过数据传输线发送给台下计算机；
[0014] 步骤3:计算机接收光电自准直仪的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进 行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息；
[0015] 双红外矢量姿态确定算法如下：
[0016] 在参考坐标系V中选择两个互不平行的参考矢量Vi，V2，它们在运动坐标系U中的 坐标为UpU2。则姿态矩阵Auv满足条件：
[0017] 1^=AuvVpU2=AuvV2 (1)
[0018] 利用参考矢量的不平行性，在V系中建立正交坐标系R，各轴单位矢量分别是：
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[0020] 同理，在U系中建立正交坐标系S，各轴单位矢量分别是：
[0027]本发明的优点和特点：
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[0028] 本发明不仅适用于三轴气浮台的姿态确定问题，同样也能应用于其他空间飞行器 地面物理仿真系统中，具有较广泛的应用范围。光电自准直仪具有较高的测量精度，配合姿 态确定算法，可以实现姿态超高精度的测量。经实验验证，姿态测量精度优于1"。
【附图说明】
[0029] 图1是超高精度姿态测量装置的组成示意图；
[0030] 图2是四面棱镜的标定系统坐标系和测量坐标系示意图；
[0031] 图3是各坐标系示意图；
[0032]图4是各坐标系转换关系示意图；
[0033] 图5是X轴姿态角；
[0034] 图6是Y轴姿态角；
[0035] 图7是Z轴姿态角。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
[0037] 实施例1:
[0038] 结合图1，本发明卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法及装置，采用的设 备包括第一光电自准直仪1、第二光电自准直仪2、四面棱镜3和计算机4。第一光电自准直 仪1和第二光电自准直仪2相互成90°安装于三轴气浮台的台下，安装位置可依据实验要 求调整；四面棱镜3安装在三轴气浮台的台上；计算机4安装在三轴气浮台的台下；两根数 据传输线通过USB接口分别连接第一光电自准直仪1、第二光电自准直仪2和计算机4。第 一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2接收四面棱镜3反射的红外光线，得到四面棱镜 3相对光电自准直仪的姿态，通过数据传输线发送给计算机4。计算机4接收第一光电自准 直仪1和第二光电自准直仪2的输出信息，根据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和 坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿态信息。光电自准直仪具有较高的测量精度，配 合姿态确定算法，可以实现姿态超高精度的测量。
[0039] 一种卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量方法，步骤如下：
[0040]步骤1:第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2接收四面棱镜3反射的红外 光线，得到四面棱镜3相对第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2的姿态。
[0041] 步骤2:第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2通过数据传输线发送给计算 机4。
[0042] 步骤3:计算机4接收第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2的输出信息，根 据双红外矢量姿态确定算法，进行数据融合和坐标系转换处理，最终给出三轴气浮台的姿 态f目息。
[0043] 本发明卫星地面物理仿真系统超高精度姿态测量装置，其中光电自准直仪可以选 用目前成熟的商用产品，如英国泰勒公司Ultra系列或德国穆勒公司的相关产品，测量精 度都优于1"。第一光电自准直仪1和第二光电自准直仪2相