一種基于wMPS系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及月球車等航天器模擬試驗(yàn)中地面導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于wMPS 系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高月球車等航天器在月面工作的可靠性，需要在地面研制過程中對月球車 等航天器的位姿確定性能、路徑規(guī)劃能力和移動(dòng)控制能力進(jìn)行驗(yàn)證，然而，在室內(nèi)試驗(yàn)過程 中，月球車等航天器安裝的太陽敏感器、星敏感器等姿態(tài)測量設(shè)備無法工作，需要外測設(shè)備 實(shí)時(shí)測量月球車等航天器的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將位姿數(shù)據(jù)傳輸給月球車模擬太敏以供月 球車使用。另外，室內(nèi)試驗(yàn)還需要通過外測方法或外置設(shè)備對月球車的位置、姿態(tài)、速度等 進(jìn)行測量，與設(shè)計(jì)的月球車輸入值比對以驗(yàn)證月球車性能。在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，較為成熟的 高精度跟蹤測量手段包括全站儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)及wMPS (車間測量定位） 系統(tǒng)，其中，單臺全站儀或激光跟蹤儀只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)位置的跟蹤，要實(shí)現(xiàn)對月球車姿態(tài)角度 的實(shí)時(shí)測量需要配置3臺以上設(shè)備，成本昂貴；而wMPS (車間測量定位）系統(tǒng)作為一種新型 的坐標(biāo)測量定位系統(tǒng)，具有測量空間尺度大、全空間覆蓋及多任務(wù)等優(yōu)勢，已經(jīng)被成功應(yīng)用 于飛機(jī)全機(jī)水平測量、AGV導(dǎo)航及船舶分段對接等任務(wù)中。
[0003] wMPS系統(tǒng)包括紅外發(fā)射站、信號接收器、標(biāo)尺、手持探針及SA測量軟件，其中，紅 外發(fā)射站發(fā)射出兩束紅外激光，每束激光呈扇面形，扇面中心對稱，覆蓋范圍為±30°，兩 束扇面激光也相互對稱，與對稱中心平面的夾角為45°，兩束激光扇面圍繞紅外發(fā)射站中 心高速旋轉(zhuǎn)，在測量區(qū)域內(nèi)高速劃掃。信號接收器包括信號傳感器、信號處理器及電源等， 其中，信號傳感器用于探測激光扇面，信號處理器用于處理接收到的信號并與SA測量軟件 通過無線信號通信，實(shí)時(shí)解算出傳感器光敏面幾何中心抽象點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0004] 在部分室內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)中，例如月球車等航天器地面試驗(yàn)，導(dǎo)航坐標(biāo)系不是建立在 室內(nèi)整體測量場中，同時(shí)為了與月球車等航天器實(shí)際運(yùn)行條件相同，通常選用天文坐標(biāo)系 作為導(dǎo)航坐標(biāo)系。因此在試驗(yàn)前的標(biāo)定過程中，對月球車實(shí)施高精度導(dǎo)航需要將導(dǎo)航坐標(biāo) 系與wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系對準(zhǔn)統(tǒng)一，精確測量確定出月球車等室內(nèi)目標(biāo)在天文坐 標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于wMPS系統(tǒng)的室 內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法，通過測量并計(jì)算wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系與天文坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換矩陣、天文坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系對準(zhǔn)天文 坐標(biāo)系，最終得到室內(nèi)目標(biāo)的天文坐標(biāo)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于wMPS系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法， 包括如下步驟：
[0007] (1)在室內(nèi)測量空間安裝至少兩個(gè)wMPS系統(tǒng)的紅外發(fā)射站，設(shè)置室內(nèi)基墩點(diǎn)A和 室內(nèi)基墩點(diǎn)B，并均勻布置N個(gè)靶球座，室內(nèi)基墩點(diǎn)A和室內(nèi)基墩點(diǎn)B的基墩上分別設(shè)置平 面鏡，且平面鏡與基墩垂直，其中，平面鏡上設(shè)有十字線，N為正整數(shù)；
[0008] (2)在室內(nèi)測量空間外任選一點(diǎn)作為天文觀測點(diǎn)C，在天文觀測點(diǎn)C處測定CA邊 的天文方位角，記為CB邊的天文方位角，記為《4，:然后使用CA邊的天文方位角4 與CB邊的天文方位角ai確定天文坐標(biāo)系的三軸方向及AB線在天文坐標(biāo)系下航向偏差角 ?4，其中，角標(biāo)t表示天文坐標(biāo)系下測量值；
[0009] (3)在室內(nèi)測量空間選取能夠接收到至少兩個(gè)紅外發(fā)射站發(fā)射的信號的位置，在 該位置使用全站儀分別測量得到兩個(gè)平面鏡上的十字線在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)后 進(jìn)行做差得到坐標(biāo)差Pq= [X q，Yq，Γ]，然后計(jì)算出AB線在全站儀坐標(biāo)系下的航向偏差角 為
[0011] 其中，角標(biāo)q表示全站儀坐標(biāo)系下測量值；
[0012] (4)根據(jù)AB線在天文坐標(biāo)系下航向偏差角KU、: AB線在全站儀坐標(biāo)系下的航向偏 差角計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系的航向偏差角Θ為
[0014] 計(jì)算天文坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣尺卜為
[0016] (5)在N個(gè)靶球座上分別放置轉(zhuǎn)站球，對于每一個(gè)轉(zhuǎn)站球使用wMPS系統(tǒng)多次測量 轉(zhuǎn)站球的三維坐標(biāo)，然后取其平均值作為當(dāng)前轉(zhuǎn)站球在wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系下的 三維坐標(biāo)，由此得到N個(gè)轉(zhuǎn)站球在wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并記為f， i = 1,2,3-N ；
[0017] (6)將N個(gè)形狀、尺寸與轉(zhuǎn)站球相同的球形棱鏡分別放置在N個(gè)靶球座上，然后使 用全站儀多次測量球形棱鏡在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，然后取其平均值作為該球形棱 鏡在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，由此得到N個(gè)球形棱鏡在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)， 第i個(gè)球形棱鏡在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)記為野:；
[0018] (7)將兩組三維坐標(biāo)值If:和f分別導(dǎo)入wMPS系統(tǒng)，得到wMPS系統(tǒng)整體測量場 坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣KG
[0019] (8)根據(jù)wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣圮、天文 坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣^得到wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系與天文坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換矩陣尤為 CN 105180940 A 說明書 3/5 頁
[0021] 然后根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣、WMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系下室內(nèi)目標(biāo)坐標(biāo)，得到室內(nèi)目 標(biāo)的天文坐標(biāo)。
[0022] 所述的紅外發(fā)射站為在室內(nèi)測量空間內(nèi)頂裝倒置安裝，其信號從室內(nèi)測量空間頂 部向下投射。
[0023] 所述的N = 10,轉(zhuǎn)站球與球形棱鏡的直徑為38. 1mm。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] (1)本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系不能與天文坐標(biāo) 系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的缺陷，通過測量并計(jì)算wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系與天文坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 矩陣、天文坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將wMPS系統(tǒng)整體測量場坐標(biāo)系對準(zhǔn)天文坐標(biāo) 系，得到了室內(nèi)目標(biāo)的天文坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了使用wMPS系統(tǒng)對室內(nèi)月球車等航天器的高精度導(dǎo) 航；
[0026] (2)本發(fā)明方法與現(xiàn)有的技術(shù)中的全站儀測量系統(tǒng)或激光跟蹤儀測量系統(tǒng)相比， 實(shí)現(xiàn)對月球車姿態(tài)角度的實(shí)時(shí)測量需要較少的全站儀等設(shè)備，在保證測量空間大、全空間 覆蓋的同時(shí)降低了測量及導(dǎo)航成本；
[0027] (3)本發(fā)明方法中wMPS系統(tǒng)的紅外發(fā)射站為頂裝倒置安裝，信號從頂部向下投 射，削弱了信號遮擋現(xiàn)象對wMPS系統(tǒng)正常工作的負(fù)面影響，提高了 wMPS系統(tǒng)對室內(nèi)月球車 等航天器的進(jìn)行導(dǎo)航的精度與可靠性。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明一種基于wMPS系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明方法中wMPS系統(tǒng)整體測量場與建立天文坐標(biāo)系所用儀器設(shè)備示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明提出一種基于wMPS系統(tǒng)的室內(nèi)目標(biāo)天文坐標(biāo)的確定方法，實(shí)現(xiàn)了將wMPS 系統(tǒng)整體測量場的室內(nèi)坐標(biāo)系與室外坐標(biāo)系（天文坐標(biāo)系）的高精度統(tǒng)一，得到了月球車 等航天器等室內(nèi)目標(biāo)的天文坐標(biāo)，使月球車等航天器的地面試驗(yàn)狀態(tài)更加逼近于真實(shí)情 況。下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明，如圖1所示本發(fā)明方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0031 ] 步驟1、建立天文坐標(biāo)系
[0032] 本發(fā)明方法wMPS系統(tǒng)整體測量場環(huán)境與所用實(shí)驗(yàn)儀器如圖2所示，在室內(nèi)測量空 間（廠房）安裝wMPS系統(tǒng)的紅外發(fā)射站，由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為復(fù)雜，因此其所用紅外發(fā) 射站一般為頂裝倒置安裝，信號從廠房頂部向下投射，來削弱信號遮擋現(xiàn)象對wMPS系統(tǒng)正 常工作的負(fù)面影響，在廠房外任意設(shè)置天文觀測點(diǎn)C與天文觀測點(diǎn)D，在廠房內(nèi)任意設(shè)置室 內(nèi)基墩點(diǎn)A和室內(nèi)基墩點(diǎn)B，室內(nèi)基墩點(diǎn)A和室內(nèi)基墩點(diǎn)B的基墩與平面鏡或立方鏡通過大 理石平板連接，且平面鏡或立方鏡與基墩垂直。在天文觀測點(diǎn)D處使用萊卡經(jīng)煒儀TM5100A 進(jìn)行室外天文經(jīng)煒度的測量，并通過在天文觀測點(diǎn)C處架設(shè)萊卡經(jīng)煒儀TM5100A觀測北極 星，測定CA邊的天文方位角，記為<，CB邊的天文方位角，記為％ (角標(biāo)t表示天文坐標(biāo) 系下測量值）。室內(nèi)基墩點(diǎn)A點(diǎn)和室內(nèi)基墩點(diǎn)B點(diǎn)的基墩為用磚和混凝土