一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法
【专利摘要】一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，建立了二维指向镜分别绕滚动轴和俯仰轴转动时镜面法线空间运动轨迹的数学模型；利用经纬仪对镜面法线的空间轨迹进行测量；结合数学模型和测量数据，利用特征根最小二乘法对数据进行处理；将数据处理结果作为依据反馈二维指向镜控制器。本发明有效地提高了二维指向镜指向精度的测量和反馈，大大改进了航天遥感器中指向控制器对二维指向镜转动角度的控制精度。
【专利说明】一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航天遥感器指向镜指向精度的测量方法，特别涉及一种采用两轴转动结构的二维指向镜指向精度测量方法。
【背景技术】
[0002]二维指向镜是航天遥感器中一种重要的扫描装置，采用两轴结构，扫描视场比较大。二维指向镜安装完成后，由控制器发出指令控制转动角度。二维指向装置轴系的非正交性、旋转变压器旋变反馈信号的不准确性都会导致物方指向偏差，进而影响对物观测精度。由于二维指向镜装置的复杂性和高精度要求，其指向精度的测量需要进行数学建模，关于二维指向镜指向精度的测量并未见公开的资料报道。
【发明内容】
[0003]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，实现二维指向镜指向的高精度测量。
[0004]本发明的技术方案是:一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，步骤如下:
[0005]I)将二维指向镜上的俯仰轴伺服在固定位置不动，二维指向镜上的滚动轴接收外部的控制指令，在预设的转动范围内从起点转到终点，每次增加一个固定角度；每转到一个新的角度后，测量获得二维指向镜在该角度下的指向方向；
[0006]2)根据步骤I)获得的二维指向镜绕滚动轴转动时各角度下的指向方向，建立平面111数学模型，其中所有指向方向都在平面TI1内；
[0007]3 )将二维指向镜上的滚动轴伺服在固定位置不动，二维指向镜上的俯仰轴、接收外部的控制指令，在预设的转动范围内从起点转到终点，每次增加一个固定角度；每转到一个新的角度后，测量获得二维指向镜在该角度下的指向方向；
[0008]4)利用特征根最小二乘法，根据步骤3)获得的二维指向镜绕俯仰轴转动时各角度下的指向方向，建立圆锥面数学模型，其中所有指向方向均在一个圆锥面内，圆锥面底面构成平面Π 2 ；
[0009]5)根据步骤2)建立的平面Π !数学模型，求解得到二维指向镜绕俯仰轴转动时的指向精度，根据步骤4)建立的圆锥面数学模型，求解得到二维指向镜绕滚动轴转动时的指向精度。
[0010]所述步骤I)中二维指向镜绕滚动轴的转动范围为-15°到+15°，每次增加1°。
[0011]所述步骤I)中使用经纬仪来测量二维指向镜指向方向。
[0012]所述步骤2)中建立平面Π !数学模型的具体方法为:
[0013]21)使用经纬仪测量获得步骤2)中各指向方向的空间角度；
[0014]22)将各空间角度转换为经纬仪坐标系下的空间单位向量；
[0015]23)根据步骤22)获得的所有空间单位向量的三维坐标拟合得到平面Π 10[0016]所述步骤5)中二维指向镜绕俯仰轴转动时的指向精度采用转角误差和晃动量来表征；所述的转角误差为利用步骤2)中建立的平面Π !内相邻两次指向方向之间的夹角与外部控制指令之差；晃动量为利用步骤2)中建立的平面Π !内指向方向与平面Π !的夹角。
[0017]所述步骤3)中二维指向镜绕俯仰轴的转动范围为-30°到+30°，每次增加2°。
[0018]所述步骤4)中建立圆锥面数学模型的具体方法为:
[0019]41)使用经纬仪测量获得步骤3)中各指向方向的空间角度；
[0020]42)将各空间角度转换为经纬仪坐标系下的空间单位向量，所有空间单位向量构成空间圆锥数学模型；
[0021]43)根据步骤42)获得的所有空间单位向量的三维坐标拟合得到圆锥模型底面
Π 2。
[0022]所述步骤5)中二维指向镜绕滚动轴转动时的指向精度采用晃动量和转角误差来表征；所述的晃动量为步骤4)中建立的圆锥面内指向方向的空间单位向量和圆锥面旋转轴之间的夹角；转角误差为步骤4)中建立的圆锥面内指向方向的空间单位向量和转动前指向空间单位向量之间的夹角在圆锥底面Π 2上的投影。
[0023]所述步骤5)中求解二维指向镜绕俯仰轴转动时的指向精度以及二维指向镜绕滚动轴转动时的指向精度均采用特征根最小二乘法。
[0024]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0025](I)对二维指向镜俯仰轴不动绕滚动轴转动时指向方向的空间轨迹建立了数学模型，使得二维指向镜在该情况下的指向精度有明确的数学量进行表征。
[0026](2)对二维指向镜滚动轴不动绕俯仰轴转动时指向方向的空间轨迹建立了数学模型，使得二维指向镜在该情况下的指向精度有明确的数学量进行表征。。
[0027](3)结合数学模型和测量数据，利用特征根最小二乘法处理数据并将处理结果作为二维指向镜控制器的反馈依据，提高了指向精度。
[0028](4)通过数学建模、数据测量、数据处理以及结果反馈等步骤，为二维指向镜指向精度的测量提供了系统而又完善的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明方法流程图。
[0030]图2是本发明二维指向镜绕滚动轴转动时指向方向空间轨迹模型示意图。
[0031]图3是本发明二维指向镜绕俯仰轴转动时指向方向空间轨迹模型示意图。
【具体实施方式】
[0032]如图2所示，本发明采用的二维指向镜绕滚动轴转动时指向精度测量装置包括:扫描镜1，控制器2，滚动轴3，俯仰轴4，经纬仪5。
[0033]如图3所示，本发明采用的二维指向镜绕俯仰轴转动时指向精度测量装置包括:扫描镜1，控制器2，滚动轴3，俯仰轴4，经纬仪5。
[0034]如图1所示，本发明方法流程如下:
[0035](I)如图2所示，将俯仰轴4伺服在固定角度不动，指向控制器2发出指令，使得滚动轴3从-15°转动到+15°，每次增加1° ;用Leica经纬仪5对二维指向镜相应的指向方向进行测量，测量过程中经纬仪位置不动。
[0036](2)以经纬仪的(0°，90° ), (270° ,90° )方向分别为+X和+Y轴建立右手正交坐标系，称为测量坐标系，记为Σ ο,,坐标系的Z轴正方向竖直向上，此时X轴正方向为经纬仪的零位。假设经纬仪自准空间某方向P，水平角和竖直角分别为h和V，P点的空间向量分量在测量坐标系Σ ^中表示为:
[0037]x=sinvcosh
[0038]y=-sinvsinh(I)
[0039]Z=Cosv
[0040](3)以滚动轴+15°和-15°方向时的法线方向在测量坐标系Stl下的单位向量4 B力基准，建立法线方向运动轨迹模型:平面Π i，如图1所示。
[0041]
【权利要求】
1.一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于步骤如下: 1)将二维指向镜上的俯仰轴(4)伺服在固定位置不动，二维指向镜上的滚动轴(3)接收外部的控制指令，在预设的转动范围内从起点转到终点，每次增加一个固定角度；每转到一个新的角度后，测量获得二维指向镜在该角度下的指向方向； 2)根据步骤I)获得的二维指向镜绕滚动轴(3)转动时各角度下的指向方向，建立平面Π !数学模型，其中所有指向方向都在平面Π !内； 3)将二维指向镜上的滚动轴(3)伺服在固定位置不动，二维指向镜上的俯仰轴(4)接收外部的控制指令，在预设的转动范围内从起点转到终点，每次增加一个固定角度；每转到一个新的角度后，测量获得二维指向镜在该角度下的指向方向； 4)利用特征根最小二乘法，根据步骤3)获得的二维指向镜绕俯仰轴(4)转动时各角度下的指向方向，建立圆锥面数学模型，其中所有指向方向均在一个圆锥面内，圆锥面底面构成平面Π 2 ； 5)根据步骤2)建立的平面Π!数学模型，求解得到二维指向镜绕俯仰轴(4)转动时的指向精度，根据步骤4)建立的圆锥面数学模型，求解得到二维指向镜绕滚动轴(3)转动时的指向精度。
2.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤I)中二维指向镜绕滚动轴(3)的转动范围为-15°到+15°，每次增加1°。
3.根据权利要求1 所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤I)中使用经纬仪(5)来测量二维指向镜指向方向。
4.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤2)中建立平面Π !数学模型的具体方法为: 21)使用经纬仪(5)测量获得步骤2)中各指向方向的空间角度； 22)将各空间角度转换为经纬仪(5)坐标系下的空间单位向量； 23)根据步骤22)获得的所有空间单位向量的三维坐标拟合得到平面Π10
5.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤5)中二维指向镜绕俯仰轴(4)转动时的指向精度采用转角误差和晃动量来表征；所述的转角误差为利用步骤2)中建立的平面Π !内相邻两次指向方向之间的夹角与外部控制指令之差；晃动量为利用步骤2)中建立的平面Π !内指向方向与平面Π !的夹角。
6.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤3)中二维指向镜绕俯仰轴(4)的转动范围为-30°到+30°，每次增加2°。
7.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤4)中建立圆锥面数学模型的具体方法为: 41)使用经纬仪(5)测量获得步骤3)中各指向方向的空间角度； 42)将各空间角度转换为经纬仪(5)坐标系下的空间单位向量，所有空间单位向量构成空间圆锥数学模型； 43)根据步骤42)获得的所有空间单位向量的三维坐标拟合得到圆锥模型底面Π2。
8.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤5)中二维指向镜绕滚动轴(3)转动时的指向精度采用晃动量和转角误差来表征；所述的晃动量为步骤4)中建立的圆锥面内指向方向的空间单位向量和圆锥面旋转轴之间的夹角；转角误差为步骤4)中建立的圆锥面内指向方向的空间单位向量和转动前指向空间单位向量之间的夹角在圆锥底面Π 2上的投影。
9.根据权利要求1所述的一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法，其特征在于:所述步骤5)中求解二维指向镜绕俯仰轴(4)转动时的指向精度以及二维指向镜绕滚动轴(3)转动时的指 向精度均采用特征根最小二乘法。
【文档编号】G01M11/00GK103759922SQ201410029517
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】邢辉, 安超, 文高进, 宋俊儒, 穆生博, 康建兵, 彭宏刚 申请人:北京空间机电研究所