專利名稱：三探頭星敏指向標定方法
三探頭星敏指向標定方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)測量，特別是一種三探頭星敏指向標定方法。二、背景技術(shù)
三探頭星敏是由三個星敏感器探頭組成。星敏感器各探頭上有個基準立方鏡(如 圖1)，每個星敏測量坐標系均用安裝在其上的立方鏡來恢復(fù)，各星敏測量坐標系Z軸間角 度設(shè)計值約為60°。為了保證精度，必須在制造與試驗的各個過程中進行每個星敏測量坐 標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣的標定工作。
三探頭星敏指向標定系統(tǒng)由三探頭星敏感器、三探頭星敏指向標定測量軟件、4臺 經(jīng)緯儀聯(lián)機構(gòu)成測量系統(tǒng)。通過三探頭星敏指向標定系統(tǒng)，使用四臺經(jīng)緯儀對任意兩個立 方鏡進行準直測量，解算出它們之間的旋轉(zhuǎn)矩陣。
由于測量的精度要求高，普通的準直測量方法，由于采用調(diào)焦測量，易產(chǎn)生調(diào)焦誤 差，無法達到標定精度要求和測量精度要求。因此，如何采用測量過程中不調(diào)焦測量，通過 調(diào)焦誤差的完全消除，達到標定精度的要求，是需要解決的技術(shù)難題。三、發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種三探頭星敏指 向標定方法，可有效解決三探頭星敏指向標定精度和測量精度要求的問題，其解決的技術(shù) 方案是，先對三個立方鏡兩兩互相組合，然后將四臺經(jīng)緯儀聯(lián)機，再用四臺經(jīng)緯儀分別對互 相組合后的兩個立方鏡同時準直并記錄數(shù)據(jù)，之后，兩兩互瞄，記錄互瞄數(shù)據(jù)，最后解算求 出兩基準立方鏡之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，本發(fā)明操作簡單、方便，標定速度快，不用調(diào)焦測量，精度 高，可有效解決三探頭星敏指向標定精度和測量精度要求的問題。四

圖1為本發(fā)明的三探頭星敏的立方鏡示意圖。
圖2為本發(fā)明的三探頭星敏指向標定流程圖。
圖3為本發(fā)明準直立方鏡示意圖。
圖4為本發(fā)明立方鏡精密準直法的方位傳遞示意圖。
圖5為本發(fā)明立方鏡姿態(tài)傳遞示意圖。五具體實施方式
以下結(jié)合流程圖本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。
由圖2所示，本發(fā)明在具體實施中，先對三個立方鏡m兩兩互相組合，即立 方鏡h、Zb、立方鏡h、Zc、立體鏡Zbjc兩兩互相組合成三組，先將四臺經(jīng)緯儀聯(lián)機，再用 四臺經(jīng)緯儀分別對互相組合后的兩個立方鏡同時準直，之后，兩兩互瞄，解算求出兩基準立 方鏡之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，具體由以下步驟實現(xiàn)
1、設(shè)3個立方鏡分別為Za、Zb、Zc, 4臺經(jīng)緯儀分別為1\、T2, T3、Τ4，將三探頭星敏 放在一個固定位置，不動，用4臺經(jīng)緯儀分別要對準直的3個立方鏡兩兩進行準直，即用4 臺經(jīng)緯儀分別對互相兩兩組合后的兩個立方鏡同時進行準直；
2、用三探頭星敏指向標定測量軟件，將4臺經(jīng)緯儀聯(lián)機，編輯立方鏡的名字、長、 寬、高、立方鏡坐標原點位置、第一準直軸向、第二準直軸向，立方鏡的名字、長、寬、高等，手 動輸入，其余在各自下拉框中選擇；
3、利用三探頭星敏指向標定系統(tǒng)進行測量，該標定系統(tǒng)由三探頭星敏感器、三探 頭星敏指向標定測量軟件和4臺電子經(jīng)緯儀組成，三探頭星敏指向標定測量軟件采用鄭州 辰維科技股份有限公司研發(fā)的市用三探頭星敏指向標定測量軟件，電子經(jīng)緯儀采用瑞士徠 卡公司生產(chǎn)的ΤΜ5100Α電子經(jīng)緯儀，利用三探頭星敏指向標定測量軟件，先對立方鏡進行 準直測量，以其中一個為基準立方鏡，另一個為目標立方鏡，記錄測量值，得準直測量數(shù)據(jù)； 然后四臺電子經(jīng)緯儀兩兩互瞄，記錄測量值，得互瞄測量數(shù)據(jù)；整個測量過程中為了保證測 量精度，測量過程中不進行任何調(diào)焦，并采用多測回(即多次重復(fù)測量)的方式，減弱照準 誤差，得準直與互瞄的測量數(shù)據(jù)；
4、利用準直與互瞄測量數(shù)據(jù)，通過三探頭星敏指向標定測量軟件準直解算功能， 得到兩個立方鏡坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)(Xtl, Y0, Z0, Rx, Ry, Rz)，其中\(zhòng)，Ytl，Z0為平移參數(shù)，Rx, Ry, Rz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，準直解算出的結(jié)果參數(shù)是目標立方鏡相對于基準立方鏡的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；
所說的準直(準直測量)是四臺電子經(jīng)緯儀對三探頭星敏上要進行準直的兩個 立方鏡進行準直，每兩臺準直一個。如圖3所示，電子經(jīng)緯儀1\、T2對基準立方鏡的兩個垂 直面進行準直，得到立方鏡坐標系的兩個坐標軸的方向，根據(jù)右手法則確定第三個坐標軸 的方向，這樣也就是得到了基準立方鏡的坐標系，按上述同樣方法，用電子經(jīng)緯儀T3、T4對 目標立方鏡進行準直，得到目標立方鏡的坐標系，準直各軸向時，采用多測回測量，減弱照 準誤差；
所說的互瞄是不調(diào)整焦距，保持望遠鏡調(diào)焦為無窮遠，兩經(jīng)緯儀望遠鏡相互瞄準 對方發(fā)射的平行光束，由于兩望遠鏡均發(fā)射的平行光束，當相互瞄準對方光束時，只能保證 兩經(jīng)緯儀望遠鏡視準軸保持平行關(guān)系，不能實現(xiàn)兩望遠鏡視準軸共線。但只要兩望遠鏡視 準軸平行可以保證Q1與α 2的和保持不變(如圖4)，同樣可以達到方位傳遞的目的。互 瞄時，多測回互瞄，減弱調(diào)焦誤差；
所說的準直解算是四臺經(jīng)緯儀，分別有各種的測量坐標系，在其各自坐標系下， 角度測量可以得到一條直線的水平方向和垂直方向，設(shè)水平角為Ηζ，垂直角為V，那么該直 線在經(jīng)緯儀坐標系下的方向余弦為cos a = cos V ■ cos Hz
cos = cos F ■ sin Hz ζ (1-1) cosy = sin F
上式中，為了方便計算夾角，設(shè)兩個準直方向的長度為單位長度，cosa ,cosy分別為測站瞄準方向向量在X、Y、Z(X、Y、Z為四臺經(jīng)緯儀各自坐標系的三軸線)方向 的投影；
利用四臺經(jīng)緯儀分別對兩個任意放置的立方鏡進行準直測量，其中經(jīng)緯儀T1和T2 準直立方鏡1相鄰的兩鏡面，經(jīng)緯儀T3和T4準直立方鏡2相鄰兩鏡面，之后進行經(jīng)緯儀互瞄，如圖5所示。設(shè)對于立方鏡1準直的觀測量Hzn、VnOi = 1，2)，對于立方鏡2準直的觀 測量分別為Hzm、VmOn= 3，4)，四臺儀器互瞄水平角觀測量為Hznm (n，m= 1,2,3,4).首先 對圖中各經(jīng)緯儀的互瞄方向進行室內(nèi)方位傳遞的方向平差，如果互瞄儀器之間有遮擋可不 進行互瞄，但必須保證經(jīng)緯儀I\、T2和Τ3、Τ4之間至少有一條互瞄路線，以進行方位的傳遞。 設(shè)在測量坐標系下各準直方向的向量為筆(it，jt，kt t = 1，2，3，4)，由公式(1-1)建立方 程，得到各準直方向的的方向余弦為
it = cosvt · cos β t
jt = cosvt · sin^ t t = (1,2,3,4) (1-2)
kt = sinvt
其中β t為各準直方向經(jīng)傳遞后在測量坐標系下的水平角方向值，Vt為各準直方 向經(jīng)傳遞后在測量坐標系下的垂直角方向值
對各準直方向進行坐標軸的正交性修正，由離和&作叉乘得到立方鏡1的姿態(tài), 和&作叉乘得到立方鏡2的姿態(tài)，即分別有立方鏡1相對于測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣隊和立 方鏡2相對于測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣&。利用方向余弦坐標轉(zhuǎn)換法可以方便地得到立方鏡 1相對于立方鏡2的旋轉(zhuǎn)矩陣為& 、，由此實現(xiàn)了兩個立方鏡間的姿態(tài)傳遞。
由上述表明，本發(fā)明是針對星敏感器測量坐標系間的轉(zhuǎn)換矩陣的標定而設(shè)計的一 種標定方法，標定包括星敏感器上的三個基準立方鏡Za、Zb、Zc，是利用三探頭星敏指向標 定系統(tǒng)對各個立方鏡進行準直測量，從而計算出他們之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，該標定方法具有以 下突出的特點
(1)標定場建立方便，可以在實驗室里建立；
(2)標定時采用不調(diào)焦測量，從而提高了精度，精度為5"。
(3)標定時采用多測回測量，減弱照準誤差。
(4)標定過程簡單，不需要具有相關(guān)專業(yè)背景的人員參加也可以完成標定工作；
(5)標定速度快，為原來的三分之一。
權(quán)利要求
1.一種三探頭星敏指向標定方法，其特征在于，由以下步驟實現(xiàn)(1)、設(shè)3個立方鏡分別為Za、Zb、Zc,4臺經(jīng)緯儀分別為1\、T2, T3、T4，將三探頭星敏放 在一個固定位置，不動，4臺經(jīng)緯儀分別要對準直的3個立方鏡兩兩進行準直，即用4臺經(jīng)緯 儀分別對互相兩兩組合后的兩個立方鏡同時進行準直；O)、用三探頭星敏指向標定測量軟件，將4臺經(jīng)緯儀聯(lián)機，編輯立方鏡的名字、長、寬、 高、立方鏡坐標原點位置、第一準直軸向、第二準直軸向，立方鏡的名字、長、寬、高，手動輸 入，其余在各自下拉框中選擇；(3)、利用三探頭星敏指向標定系統(tǒng)進行標定測量，該標定測量系統(tǒng)由三探頭星敏感 器、三探頭星敏指向標定測量軟件和4臺電子經(jīng)緯儀組成，利用三探頭星敏指向標定測量 軟件，將四臺電子經(jīng)緯儀對三探頭星敏上要準直的兩個立方鏡進行準直測量，以其中一個 為基準立方鏡，另一個為目標立方鏡，準直并記錄，得準直測量數(shù)據(jù)；然后四臺儀器兩兩互 瞄，記錄測量值，得互瞄測量數(shù)據(jù)；在整個測量的過程中為了保證測量精度，測量過程中不 進行任何調(diào)焦，并采用多測回的方式，減弱照準誤差。G)、利用互瞄與準直測量數(shù)據(jù)，通過測量軟件準直解算功能，得到兩個立方鏡坐標系 的旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)&，Z0, Rx, Ry, Rz，其中Xtl, Y0, Z0為平移參數(shù)，Rx, Ry, Rz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，準直 解算出的參數(shù)是目標立方鏡相對于基準立方鏡的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三探頭星敏指向標定方法，其特征在于，所說的準直是四臺 電子經(jīng)緯儀對三探頭星敏上要進行準直的兩個立方鏡進行準直，每兩臺準直一個，電子經(jīng) 緯儀1\、T2對基準立方鏡的兩個垂直面進行準直，得到立方鏡坐標系的兩個坐標軸的方向， 根據(jù)右手法則確定第三個坐標軸的方向，得到基準立方鏡的坐標系，按上述同樣方法，用電 子經(jīng)緯儀！^、T4對目標立方鏡進行準直，得到目標立方鏡的坐標系，準直各軸向時，采用多 測回測量，減弱照準誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三探頭星敏指向標定方法，其特征在于，所說的互瞄是不調(diào) 整焦距，保持望遠鏡調(diào)焦為無窮遠，兩經(jīng)緯儀望遠鏡相互瞄準對方發(fā)射的平行光束，由于兩 望遠鏡均發(fā)射的平行光束，當相互瞄準對方光束時，只能保證兩經(jīng)緯儀望遠鏡視準軸保持 平行關(guān)系，不能實現(xiàn)兩望遠鏡視準軸共線，兩望遠鏡視準軸平行可以保證CI1與CI2的和保 持不變，達到方位傳遞的目的，互瞄時，多測回互瞄，減弱調(diào)焦誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三探頭星敏指向標定方法，其特征在于，所說的準直解算是 四臺經(jīng)緯儀，分別有各種的測量坐標系，在其各自坐標系下，角度測量可以得到一條直線的 水平方向和垂直方向，設(shè)水平角為Ηζ，垂直角為V，那么該直線在經(jīng)緯儀坐標系下的方向余 弦為cos a = cos V · cos Hz cos β = cos V · sin Hz cos / = SinV上式中，為了方便計算夾角，設(shè)兩個準直方向的長度為單位長度，cosa、cosy 分別為測站瞄準方向向量在X、Y、Z(X、Y、Z為四臺經(jīng)緯儀各自坐標系的三軸線)方向的投 影；利用四臺經(jīng)緯儀分別對兩個任意放置的立方鏡進行準直測量，其中經(jīng)緯儀T1和T2準直 立方鏡1相鄰的兩鏡面，經(jīng)緯儀T3和T4準直立方鏡2相鄰兩鏡面，之后進行經(jīng)緯儀互瞄，設(shè)對于立方鏡1準直的觀測量Η\、νη(η = 1,2),對于立方鏡2準直的觀測量分別為ifem、Vm(m =3，4)，四臺儀器互瞄水平角觀測量為泡 (11，111=1，2，3，4)。首先對圖中各經(jīng)緯儀的互瞄 方向進行室內(nèi)方位傳遞的方向平差，如果互瞄儀器之間有遮擋可不進行互瞄，但必須保證 經(jīng)緯儀I\、T2和T3、T4之間至少有一條互瞄路線，以進行方位的傳遞。設(shè)在測量坐標系下各 準直方向的向量為乏(it，jt，kt t = 1，2，3，4)，由公式(1-1)建立方程，得到各準直方向的 的方向余弦為it = cosvt · cos β tjt = cosvt · sin β t t = 1,2,3,4kt = sinvt其中β 各準直方向經(jīng)傳遞后在測量坐標系下的水平角方向值，Vt為各準直方向經(jīng) 傳遞后在測量坐標系下的垂直角方向值；對各準直方向進行坐標軸的正交性修正，由為和&作叉乘得到立方鏡1的姿態(tài)，4和&作 叉乘得到立方鏡2的姿態(tài)，即分別有立方鏡1相對于測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣札和立方鏡2 相對于測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣&。利用方向余弦坐標轉(zhuǎn)換法可以方便地得到立方鏡1相對 于立方鏡2的旋轉(zhuǎn)矩陣為& =^2"1-^1，由此實現(xiàn)了兩個立方鏡間的姿態(tài)傳遞。
全文摘要
本發(fā)明涉及三探頭星敏指向標定方法，可有效解決三探頭星敏指向標定精度和測量精度要求的問題，其解決的技術(shù)方案是，先對三個立方鏡兩兩互相組合，然后將四臺經(jīng)緯儀聯(lián)機，再用四臺經(jīng)緯儀分別對互相組合后的兩個立方鏡同時準直并記錄數(shù)據(jù)，之后，兩兩互瞄，記錄互瞄數(shù)據(jù)，最后解算求出兩基準立方鏡之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，本發(fā)明操作簡單、方便，標定速度快，不用調(diào)焦測量，精度高，可有效解決三探頭星敏指向標定精度和測量精度要求的問題。
文檔編號G01C25/00GK102032918SQ20101051278
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者盧欣, 張麗華, 李春艷, 王京海, 范生宏, 范欽紅, 陳小婭 申請人:鄭州辰維科技股份有限公司