复合制导系统初始姿态现场校准系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及初始姿态角度差计量校准【技术领域】，具体公开了一种复合制导系统初始姿态现场校准系统及方法。该系统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，分别反射至线阵CCD器件B1线阵CCD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，分别反射至线阵CCD器件D1和线阵CCD器件D2上。该系统中的光电测角本身测量精度高，四条自准直光路集于一体，结构简单，操作便捷。
【专利说明】复合制导系统初始姿态现场校准系统
【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。
【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，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]本发明的显著效果在于:本发明所述的一种复合制导系统初始姿态现场校准系统及方法，该系统中的光电测量系统将四条自准直光路集于一体，结构简单，操作便捷；该校准系统及方法中的光电测角本身测量精度高，同时，消除了人为对准带来的误差及操作者之间的差异，保证了测量结果的高准确度；同时，该现场校准系统架设在捷联惯组和星敏感器的安装基板上，即使在测量过程中晃动，对测量结果也不会产生影响，增强了环境适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明所述的复合制导系统初始姿态现场校准系统结构示意图；
[0014]图中:1、物镜A ;2、分光棱镜么3 ;3、校正透镜A ;4、五角棱镜A ;5、分光棱镜么2 ;6、分光棱镜A1 ;7、线阵C⑶器件C ;8、线阵C⑶器件A ;9、准直分划板C ;10、准直分划板A ;11、物镜B ;12、校正透镜B ;13、分光棱镜氏；14、分光棱镜民；15、分光棱镜^ ;16、线阵CXD器件B1 ;17、线阵CCD器件B2 ;18、准直分划板B1 ;19、准直分划板B2 ;20、物镜C ;21、校正透镜C ；22、五角棱镜B ;23、物镜D ;24、校正透镜D ;25、分光棱镜D1 ;26、分光棱镜D2 ;27、分光棱镜D3 ;28、线阵CCD器件D1 ;29、线阵CCD器件D2 ;30、准直分划板D1 ;31、准直分划板D2 ;32、星敏感器基准棱体；33、捷联惯组基准棱体。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016]如图1所示，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，第一光路系统具体包括物镜Al、校正透镜A3、五角棱镜A4、分光棱镜A#以及准直分划板A10，其中，准直分划板AlO产生的光路I经过分光棱镜A#和分光棱镜A25反射后依次进入校正透镜A3和物镜Al后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜A4转向90°后入射捷联惯组基准棱体33反射面，通过捷联惯组基准棱体33反射面反射后的光路I依次通过五角棱镜A4、物镜Al和校正透镜A3后，经过分光棱镜A25反射后透过分光棱镜A1G成像在线阵CXD器件AS上，当捷联惯组基准棱体33反射面垂直于主光轴时，反射光线正好汇聚在线阵CXD器件AS的中心位置，即初始零位位置；当捷联惯组基准棱体33反射面发生偏转时，反射光线汇聚将偏离线阵CCD器件AS中心位置，利用偏离线阵CXD器件AS中心位置的距离，即可解算出捷联惯组基准棱体33偏转的角度值。第二光路系统包括物镜BH、分光棱镜BJ3、分光棱镜B214、分光棱镜B315、准直分划板B118以及准直分划板B219，其中，准直分划板B118和准直分划板B219分别经过分光棱镜B#、分光棱镜B214反射，以及分光棱镜B315、分光棱镜B214透射后形成光路II,光路II依次经过校正透镜B12、物镜Bll后形成平行光后垂直入射捷联惯组基准棱体33的另一反射面，经过捷联惯组基准棱体33反射后的光路II依次通过物镜BI 1、校正透镜B12后入射分光棱镜B214，光路II经过分光棱镜B2H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B214反射后透过分光棱镜B113成像在线阵CXD器件B116上，另一条光路经分光棱镜B214透射后由分光棱镜B315反射成像在线阵CXD器件B217上，当捷联惯组基准棱体33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33两维的偏转角度值。第三光路系统包括物镜C20、校正透镜C21、五角棱镜B22、分光棱镜A32以及准直分划板C9，其中，准直分划板C9产生的光路III经过分光棱镜A32和分光棱镜A25反射后依次进入校正透镜C21和物镜C20后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜B22转向90°后入射星敏感器基准棱体32反射面，通星敏感器基准棱体32反射面反射后的光路III依次通过五角棱镜B22、物镜C20和校正透镜C21后，经过分光棱镜A25反射后透过分光棱镜A32成像在线阵CXD器件C7上，当星敏感器基准棱体32反射面垂直于主光轴时，反射光线正好汇聚在线阵CCD器件C7的中心位置，即初始零位位置；当星敏感器基准棱体32反射面发生偏转时，反射光线汇聚将偏离线阵CCD器件C7中心位置，利用偏离线阵CCD器件C7中心位置的距离，即可解算出星敏感器基准棱体32偏转的角度值。第四光路系统包括物镜D23、分光棱镜D#、分光棱镜D226、分光棱镜D327、准直分划板DJO以及准直分划板D231，其中，准直分划板DJO和准直分划板D231分别经过分光棱镜DP5、分光棱镜D226反射，以及分光棱镜D327、分光棱镜D226透射后形成光路IV，光路IV依次经过校正透镜D24、物镜D23后形成平行光后垂直入射星敏感器基准棱体32的另一反射面，经过星敏感器基准棱体32反射后的光路IV依次通过物镜D23、校正透镜D24后入射分光棱镜D226，光路IV经过分光棱镜D226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D226反射后透过分光棱镜DP5成像在线阵CXD器件DP8上，另一条光路经分光棱镜D226透射后由分光棱镜D327反射成像在线阵CXD器件D229上，当星敏感器基准棱体32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32两维的偏转角度值。
[0017]本发明所述的复合制导系统初始姿态现场校准系统中，第一光路系统与第二光路系统构成整个校准系统的左侧测量光轴，完成捷联惯组基准棱体33三维姿态角的测量；第三光路系统与第四光路系统构成整个校准系统的右侧测量光轴，完成星敏感器基准棱体32三维姿态角的测量；捷联惯组基准棱体33为捷联惯组外部基准，星敏感器基准棱体32为星敏感器外部基准，它们分别与捷联惯组的惯性坐标和星敏感器的测量光轴安装误差已经确定。该校准系统中的光路II和光路IV分别与捷联惯组基准棱体33、星敏感器基准棱体32准直，并能够测量出两基准棱体在偏航和俯仰两个方向上相对自身的零位光轴偏转角度值，光路I和光路III分别测量出两基准棱体在滚转方向上相对自身的零位光轴偏转角度值。
【权利要求】
1.一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，其特征在于: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(1)经过第一光路系统照射在捷联惯组基准棱体(33)后，反射至第一光路系统中的线阵CCD器件A(8)上；第二光路系统中的准直分划板匕(18)和准直分划板B2 (19)经过第二光路系统照射在捷联惯组基准棱体(33)后，分别反射至第二光路系统中的线阵CCD器件B1(Ie)线阵C⑶器件B2 (17)上；第三光路系统的准直分划板C (9)经过第三光路系统照射在星敏感器基准棱体(32)后，反射至第三光路系统的线阵CCD器件C(7)上；第四光路系统的准直分划板D1 (30)以及准直分划板％(31)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 (28)和线阵CCD器件D2 (29)上。
2.根据权利要求1所述的一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，其特征在于:所述的第一光路系统包括物镜A(I)、校正透镜A(3)、五角棱镜A(4)、分光棱镜A1 (6)以及准直分划板A(1),其中，准 直分划板A(1)产生的光路I经过分光棱镜A1 (6)和分光棱镜A2 (5)反射后依次进入校正透镜A (3)和物镜A (I)后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜A(4)转向90°后入射捷联惯组基准棱体(33)反射面，通过捷联惯组基准棱体(33)反射面反射后的光路I依次通过五角棱镜A(4)、物镜A(I)和校正透镜A(3)后，经过分光棱镜A2 (5)反射后透过分光棱镜A1 (6)成像在线阵CCD器件A (8)上，当捷联惯组基准棱体(33)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(S)的中心位置，即初始零位位置。
3.根据权利要求1所述的一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，其特征在于:所述的第二光路系统包括物镜B(Il)、分光棱镜B1 (13)、分光棱镜B2 (14)、分光棱镜B3 (15)、准直分划板B1 (18)以及准直分划板B2 (19)，其中，准直分划板B1 (18)和准直分划板B2 (19)分别经过分光棱镜B1 (13)、分光棱镜B2 (14)反射，以及分光棱镜B3 (15)、分光棱镜B2 (14)透射后形成光路II，光路II依次经过校正透镜B (12)、物镜B (11)后形成平行光后垂直入射捷联惯组基准棱体(33)的另一反射面，经过捷联惯组基准棱体(33)反射后的光路II依次通过物镜B (11)、校正透镜B (12)后入射分光棱镜B2 (14)，光路II经过分光棱镜B2 (14)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 (14)反射后透过分光棱镜B1 (13)成像在线阵CCD器件B1 (16)上，另一条光路经分光棱镜B2 (14)透射后由分光棱镜B3 (15)反射成像在线阵CCD器件B2 (17)上，当捷联惯组基准棱体(33)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(33)两维的偏转角度值。
4.根据权利要求1所述的一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，其特征在于:所述的第三光路系统包括物镜C (20)、校正透镜C (21)、五角棱镜B (22)、分光棱镜A3 (2)以及准直分划板C(9)，其中，准直分划板C(9)产生的光路III经过分光棱镜A3(2)和分光棱镜A2 (5)反射后依次进入校正透镜C (21)和物镜C (20)后形成平行光束，该平行光束经过五角棱镜B(22)转向90°后入射星敏感器基准棱体(32)反射面，通星敏感器基准棱体(32)反射面反射后的光路III依次通过五角棱镜B(22)、物镜C(20)和校正透镜C(21)后，经过分光棱镜A2 (5)反射后透过分光棱镜A3 (2)成像在线阵CCD器件C (7)上，当星敏感器基准棱体(32)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(7)的中心位置，即初始零位位置；当星敏感器基准棱体(32)反射面发生偏转时，反射光线汇聚将偏离线阵CCD器件C(7)中心位置，利用偏离线阵CCD器件C(7)中心位置的距离，即可解算出星敏感器基准棱体(32)偏转的角度值。
5.根据权利要求1所述的一种复合制导系统初始姿态现场校准系统，其特征在于:所述的第四光路系统包括物镜D (23)、分光棱镜D1 (25)、分光棱镜D2 (26)、分光棱镜D3(27)、准直分划板D1 (30)以及准直分划板D2 (31)，其中，准直分划板D1 (30)和准直分划板D2 (31)分别经过分光棱镜D1 (25)、分光棱镜D2 (26)反射，以及分光棱镜D3 (27)、分光棱镜D2 (26)透射后形成光路IV，光路IV依次经过校正透镜D (24)、物镜D (23)后形成平行光后垂直入射星敏感器基准棱体(32)的另一反射面，经过星敏感器基准棱体(32)反射后的光路IV依次通过物镜D (23)、校正透镜D (24)后入射分光棱镜D2 (26)，光路IV经过分光棱镜D2 (26)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 (26)反射后透过分光棱镜D1 (25)成像在线阵CCD器件D1 (28)上，另一条光路经分光棱镜D2 (26)透射后由分光棱镜D3 (27)反射成像在线阵CCD器件D2 (29)上，当星敏感器基准棱体(32)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(32)两维的偏转角度值。
【文档编号】G01C25/00GK203857967SQ201420243230
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】崔桂利, 冯伟利, 王春喜, 赵天承, 王锴磊, 魏小林, 郭雨蓉, 姜云翔 申请人:北京航天计量测试技术研究所, 中国运载火箭技术研究院