空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，采用的設(shè)備包括激光跟蹤儀、智能測(cè)頭、陀螺儀和兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，從而搭建地面全物理仿真實(shí)驗(yàn)裝置，該方法是一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的姿態(tài)確定的改進(jìn)方法，通過(guò)對(duì)激光跟蹤儀和陀螺的輸出信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波處理，得到空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)信息，更加符合實(shí)際工作情況，具有較高的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明采用的測(cè)量設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，能夠動(dòng)態(tài)無(wú)接觸測(cè)量空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)角和角速率信息。
【專(zhuān)利說(shuō)明】空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)，具體說(shuō)就是一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)(也稱(chēng)為三軸氣浮臺(tái))依靠壓縮空氣在氣浮軸承與軸承座之間形成的氣膜，使模擬臺(tái)體浮起，從而實(shí)現(xiàn)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件，以模擬衛(wèi)星等空間飛行器在外層空間所受干擾力矩很小的力學(xué)環(huán)境。作為空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的通用模擬器，三軸氣浮臺(tái)可以進(jìn)行飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)性能的全物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，是空間飛行器研制過(guò)程中的重要手段和方法。
[0003]空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地給出姿態(tài)角、角速率等姿態(tài)信息，以便完成控制閉環(huán)，由于空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的特殊結(jié)構(gòu)，以往用于轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量的裝置(如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電碼盤(pán)、光柵等)不適用于空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的測(cè)量，需要考慮新的測(cè)量方法和裝置。并且在目前實(shí)際應(yīng)用中，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)精度的高低直接關(guān)系到仿真試驗(yàn)的效果。
[0004]經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201110249979.2，專(zhuān)利名稱(chēng)為三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角測(cè)量裝置及其方法，該專(zhuān)利在三軸氣浮臺(tái)臺(tái)面底部四周安裝導(dǎo)軌、遮光簾和標(biāo)志器，人工照明系統(tǒng)和數(shù)字CXD攝像機(jī)安裝在可升降平臺(tái)上。數(shù)字CXD攝像機(jī)采集標(biāo)志器的圖像并傳輸?shù)截?fù)責(zé)圖像處理的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)對(duì)標(biāo)志器進(jìn)行亞像素定位，獲取標(biāo)志器的精確坐標(biāo)，從而計(jì)算出標(biāo)志器與數(shù)字CCD攝像機(jī)之間的相對(duì)姿態(tài)角。但由于系統(tǒng)構(gòu)建上的缺陷，測(cè)量精度受到限制，從而影響其實(shí)際使用范圍。
[0005]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201310134631.8，專(zhuān)利名稱(chēng)為:三軸氣浮臺(tái)高精度姿態(tài)角及角速度測(cè)量裝置，該專(zhuān)利在三軸氣浮臺(tái)的儀表平臺(tái)上安裝智能側(cè)頭、陀螺儀和四面棱鏡，在臺(tái)下安裝激光跟蹤儀和兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀，根據(jù)激光跟蹤儀、兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀和陀螺儀的數(shù)據(jù)直接得到姿態(tài)信息。但是該專(zhuān)利在數(shù)據(jù)濾波處理部分，并沒(méi)有考慮到偏差四元數(shù)模為I的約束條件，直接采用卡爾曼濾波，容易造成誤差方差陣發(fā)生奇異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)散，姿態(tài)確定失敗。該專(zhuān)利沒(méi)有考慮到激光跟蹤儀和光電自準(zhǔn)直儀輸出信息的姿態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換、陀螺儀量測(cè)坐標(biāo)系標(biāo)定等過(guò)程。此外，將數(shù)據(jù)處理與通信部分安排在臺(tái)下進(jìn)行，不符合實(shí)際情況。
[0006]在文獻(xiàn)“三軸氣浮臺(tái)單框伺服測(cè)角系統(tǒng)的研究”(發(fā)表于宇航學(xué)報(bào)，1996，第17卷，第4期，頁(yè)碼:71-74)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張曉友、劉敦和北京控制工程研究所的李繼蘇等提出了一種單框伺服測(cè)量方案，該系統(tǒng)在氣浮臺(tái)底座上安裝一個(gè)可以繞氣浮臺(tái)中心鉛垂線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧臂，并在其上安裝可以移動(dòng)的滑架，通過(guò)敏感圓弧臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑架的移動(dòng)測(cè)量氣浮臺(tái)的姿態(tài)信息。當(dāng)該系統(tǒng)需要增加復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和敏感器系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工程應(yīng)用較困難，并且其精度受到機(jī)械裝置和敏感器的限制，很難達(dá)到高精度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)確定問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，該方法是一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的姿態(tài)確定的改進(jìn)方法，通過(guò)對(duì)激光跟蹤儀和陀螺的輸出信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波處理，得到空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)信息。
[0008]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，采用的設(shè)備包括激光跟蹤儀、智能測(cè)頭、陀螺儀和兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，激光跟蹤儀安裝于空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的臺(tái)下；在姿態(tài)確定之前，智能測(cè)頭安裝在臺(tái)下，配合激光跟蹤儀標(biāo)定激光跟蹤儀的量測(cè)坐標(biāo)系，姿態(tài)確定過(guò)程中，智能測(cè)頭固定在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，智能測(cè)頭上具有靶標(biāo)定位系統(tǒng)，激光跟蹤儀配合智能測(cè)頭能夠跟蹤并確定智能測(cè)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的三維角度以及移動(dòng)的三維距離；陀螺儀固定在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，輸出空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的角速率信息；第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)安裝在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作；第二工業(yè)控制計(jì)算機(jī)安裝在臺(tái)下，采集激光跟蹤儀的輸出數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收激光跟蹤儀和陀螺儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波處理，輸出空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)角信息，同時(shí)標(biāo)定陀螺儀的漂移，實(shí)時(shí)修正陀螺儀的輸出角速率。
[0009]本發(fā)明還具有如下特征:
[0010]1、如上所述的一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，其中數(shù)據(jù)融合濾波處理的方法如下:
[0011]步驟1:根據(jù)姿態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，采用312轉(zhuǎn)序，利用激光跟蹤儀輸出的氣浮臺(tái)姿態(tài)角θ、ρ、ψ計(jì)算得到氣浮臺(tái)體坐標(biāo)系相對(duì)慣性系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Afc:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，采用的設(shè)備包括激光跟蹤儀、智能測(cè)頭、陀螺儀和兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其特征在于:激光跟蹤儀安裝于空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的臺(tái)下；在姿態(tài)確定之前，智能測(cè)頭安裝在臺(tái)下，配合激光跟蹤儀標(biāo)定激光跟蹤儀的量測(cè)坐標(biāo)系，姿態(tài)確定過(guò)程中，智能測(cè)頭固定在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，智能測(cè)頭上具有靶標(biāo)定位系統(tǒng)，激光跟蹤儀配合智能測(cè)頭能夠跟蹤并確定智能測(cè)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的三維角度以及移動(dòng)的三維距離；陀螺儀固定在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，輸出空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的角速率信息；第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)安裝在空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的儀表平臺(tái)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作；第二工業(yè)控制計(jì)算機(jī)安裝在臺(tái)下，采集激光跟蹤儀的輸出數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；第一工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收激光跟蹤儀和陀螺儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波處理，輸出空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的姿態(tài)角信息，同時(shí)標(biāo)定陀螺儀的漂移，實(shí)時(shí)修正陀螺儀的輸出角速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)融合濾波處理的方法如下: 步驟1:根據(jù)姿態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，采用312轉(zhuǎn)序，利用激光跟蹤儀輸出的氣浮臺(tái)姿態(tài)角θ、Ρ、Ψ計(jì)算得到氣浮臺(tái)體坐標(biāo)系相對(duì)慣性系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Afc:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，其特征在于，激光跟蹤儀的量測(cè)坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣?〗的標(biāo)定方法，即標(biāo)定激光跟蹤儀的量測(cè)坐標(biāo)系Os-XsYsZs，具體方法如下: 在慣性坐標(biāo)系中的原點(diǎn)和北東兩個(gè)方向軸上測(cè)量好的固定點(diǎn)上分別放置三個(gè)靶球，測(cè)量出三個(gè)靶球在激光跟蹤儀量測(cè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而標(biāo)定出激光跟蹤儀量測(cè)坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系?:； 首先調(diào)整激光跟蹤儀使其水平，再通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)出Os點(diǎn)和北向軸上靶球[O Y1 0]τ在激光跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為HabciI1^P [X y ζ]τ,通過(guò)齊次坐標(biāo)變換關(guān)系有:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)高精度姿態(tài)確定方法，其特征在于，陀螺量測(cè)坐標(biāo)系相對(duì)空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Cf.的標(biāo)定方法，如下: 根據(jù)陀螺儀的安裝和測(cè)量，得出陀螺儀量測(cè)坐標(biāo)系OgXg軸正向與儀表平臺(tái)本體坐標(biāo)系ObXb軸、ObYb軸、ObZb軸正向之間的夾角a 1、α 2、a 3,0gYg軸正向與儀表平臺(tái)本體坐標(biāo)系ObXb軸、ObYb軸、ObZb軸正向之間的夾角β P β 2、β 3^ OgZg軸正向與儀表平臺(tái)本體坐標(biāo)系ObXb軸、ObYb軸、ObZb軸正向之間的夾角Y 1、Y2, Y3，則陀螺儀量測(cè)坐標(biāo)系Og-XgYgZg相對(duì)空間飛行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb的旋轉(zhuǎn)變換矩陣為:
【文檔編號(hào)】G01C1/00GK104006787SQ201410195936
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月1日
【發(fā)明者】刁雁華, 夏紅偉, 馬廣程, 王常虹, 宋效正, 楊立峰, 劉飛 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)