“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。     

激光跟踪仪转镜倾斜误差的标定及修正

为了提高激光跟踪仪的测量精度,分析了跟踪仪的几何结构误差,重点研究了其转镜倾斜误差的标定和修正方法。利用矢量分析和坐标转换相结合的方法建立了跟踪仪转镜倾斜误差模型,推导出了跟踪仪几何空间坐标修正公式,并基于自准直仪、多面棱体和可调反射镜建立了高精度误差标定装置。利用标定装置分析了误差标定方法,通过系统仿真研究了转镜倾斜误差对系统测角误差及最终坐标测量误差的影响。利用误差标定实验检测出的系统转镜倾斜误差约为4″,将其带入坐标修正公式,并与修正前的坐标进行了比对分析。对比结果显示,经误差修正后系统空间坐标测量误差可减小约2×10-6,验证了转镜倾斜误差标定和误差修正方法的有效性,表明利用该方法可在不改变系统硬件结构的基础上提高测量系统的测量精度。     

精密减速器角位移测量系统设计

为了实现对精密减速器输入端和输出端角位移的精密测量,建立精密减速器角位移测量系统。对该系统的机械结构、角度测量及标定方法、基于非线性最小二乘法的误差补偿模型进行研究。通过"立式筒状"结构和圆光栅角度传感器"前置"避免了传统检测仪的弱刚度结构和轴系形变对角度测量造成的影响。使用光电自准直仪与24面棱体结合的方式离散标定圆光栅角度传感器的角位移测量误差,研究基于谐波分析的误差补偿方法,对角坐标进行补偿,进一步消除误差。实验结果显示,通过优化检测仪的结构设计,角位移测量精度达到±7″;误差补偿后,角位移最终测量精度达到±2″,满足减速器角位移测量的高精度要求,对类似测角系统也有参考价值。     

车载经纬仪的静态指向误差补偿

为了降低载车平台变形对经纬仪静态测角精度的影响,补偿较大变形产生的测角误差,实现移动站弹道测量,分析了平台变形对光电经纬仪静态测角误差影响的基本原理,利用固定在方位轴轴心的倾角传感器测量出因平台变形而导致的经纬仪工作基准面中心点与水平面变化的夹角,并计算其测量坐标系的变化量。建立了平台中心变形角的底部轮廓图,经过有限的平台变形采样,存入计算机,在计算机中以方位、俯仰角为输入变量建立二维查找表,通过插值计算全方位角和全俯仰角的平台变形量,进行事后补偿。实验结果表明,该方法能够有效地补偿因平台变形而带来最大为142″的测角误差,使方位测角精度提高44″,俯仰测量精度提高8.5″。该方法为实现高精度车载光电测量提供了一种有效的途径。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

星上设备安装姿态高精度自动测量系统设计

为了满足高分辨率对地观测卫星上设备安装姿态高精度测量的需求,设计了一种由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助自准直经纬仪构成的高精度自动姿态测量系统。该系统采用了多传感器数据融合的高精度测量算法,融合了自准直经纬仪的俯仰角、偏航角数据,精密转台的数据以及CCD图像数据,可以精确计算出远间距异面直线间的夹角。同时基于理论安装数据驱动的经纬仪自动定位方法,可以实现经纬仪沿导轨自动定位到最佳准直位置和朝向,再通过局部图像识别可以搜索出立方镜镜面法线的指向,最终实现精确准直。试验中,通过测量标准17面棱体与标准值比对,得到最大偏差为4.1",标准差为3.3";通过对模拟卫星上的立方镜进行搜索,可以实现自动化测量。该系统已经在我国高分二号卫星总装测试中进行了应用,保障了高分二号卫星的装配检测精度。     

转台工作面角位置测量装置误差分析与补偿

针对特定转台轴端角位置检测误差不能反映实际产品工作面空间角位置的问题,介绍了一种以圆光栅和水平电容传感器作为测角元件的转台工作面空间角位置定位测量装置。以提高空间测角精度为目的,重点对装置各项误差因素进行归类分析。除光栅和传感器分别存在的分系统测角误差外,测量装置还存在转轴与测量基面不平行、传感器敏感轴与测量基面不平行等误差项。为修正测角系统误差,根据圆光栅旋转面、传感器敏感轴、转轴轴系、测量基面的空间几何关系建立数学模型,分析系统误差影响因素。最后利用分度误差在0.3″高精度转台对校准装置进行标定,并利用径向基函数(RBF)神经网络建立误差补偿模型,对系统测角精度进行修正,使系统最大误差值由13.75″下降至2.9″,满足了3″以内的测角精度需求。     

敏感轴安装偏角的误差分析与标定方法

针对光电辅助惯导的高精度定位定向系统而言,系统间敏感轴安装偏角的标定是惯导系统初始对准的关键。建立了敏感轴安装偏角的标定原理,将安装偏角的标定转化为对横向位置误差的标定,详细分析影响横向位置误差的主要因素,将惯导系统误差的影响与安装偏角影响分离,采用递推最小二乘算法标定出安装偏角所引起的横向位置偏差。仿真结果表明：敏感轴安装偏角的标定精度优于10″,实验验证结果优于20″（1σ）,并且算法简单、实验操作方便、耗时较少、对外在环境依赖性小,因此本系统满足高精度定位定向系统的对准要求。     

变包含角平面光栅单色器扫描转角精度的检测

针对上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线站高分辨变包含角单色器(VAPGM)在超高真空环境下对波长扫描机构转角精度的现场测试,提出了一种实用、有效的检测方法。采用自制的多角棱镜,结合高精度光电自准直仪进行现场测试。首先,介绍了单色器波长扫描原理,给出角度与波长的关系;接着,理论分析了转角精度与系统分辨率之间的关系;最后,介绍了该方法的检测原理、装置及检测步骤。利用该方法完成了VAPGM平面镜(PM)和平面光栅(PG)转角精度的检测,结果分别为0.19″,0.22″,满足单色器技术指标要求。在电离室在线检测了标定后的单色器系统的分辨率,测试结果好于10000,进一步验证了该检测方法的有效性。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

三维激光球杆仪的系统误差分析与补偿

三维激光球杆仪是自研发的一种被动式激光跟踪仪,为了提高其测量精度,该文系统地分析了其主要误差源及补偿方法。首先,通过误差源分析,基于多体系统误差建模理论对仪器进行精度建模;其次,针对误差补偿模型,提出了简单有效的模型参数测量方法,即多齿分度台和光电自准直仪标定二维转台两测角误差,正倒镜法测量两旋转轴的不相交度,精密三轴机床测量轴系不垂直度误差;最后,完成精度补偿验证。实验结果表明,在有效测量范围内,补偿后的垂直度误差从120μm减小到28μm,X轴定位误差从20μm减小到8μm,Z轴定位误差从60μm减小到25μm。研究表明该补偿方法在不改变硬件结构的基础上能有效提高仪器的精度。     

空间交会测量技术在计算机辅助装调中的应用

针对离轴三反光学系统计算机辅助装调过程中单镜失调量的测量,提出了用经纬仪空间交会测量法测量离轴三反光学系统单镜失调量来快速、高精度完成装调过程的失调量测量.给出了应用空间交会测量技术进行失调量测量方法的理论推导、测量误差的分析和计算,并理论讨论了影响空间交会测量过程实施的因素,分析了空间交会测量坐标系的基线长度和测量精度的关系.利用该测量方法,对单镜失调量进行了实际测量,同时辅以高精度电子测长仪同期监测,初步实验验证(基线设为4.5 m)表明,该方法测量精度优于0.01 mm,证明了用经纬仪空间交会测量的方法测量离轴三反光学系统单镜失调量方法的可行性.     

基于跟踪仪的空间角测量

为了解决大尺寸空间角测量中测量基准难以建立、传递的难题,提出一种基于跟踪仪的空间角测量原理,并用自准直仪结合多面棱体对其测角误差进行标定。首先利用跟踪仪测量出基准参考轴和被测轴在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后建立空间角测量的数学模型并实现空间角的计算,同时利用自准直仪结合多面棱体标定其测角误差。最后构建了测量系统的原理样机进行测量实验。测量结果表明样机的实际测量误差为11',满足测量精度要求。该测量原理采用跟踪仪的的惯性测量基准坐标系作为公共测量基准,有效的解决了空间角测量中测量基准难以建立、传递的难题,使得测量过程变得更加灵活。     

车载经纬仪的测量误差修正

载车平台变形会直接导致经纬仪方位旋转轴线产生倾斜,从而影响经纬仪的测角精度。为补偿测角精度,实现活动站测量,通过球面几何推导了平台变形对光电经纬仪测角误差影响的修正公式,利用光电轴角编码器精度高、采样频率高的特性,测量出经纬仪坐标系倾斜,经过坐标变换推导出经纬仪倾斜角和倾斜方向,该测量装置通过时统终端与经纬仪望远系统同时记录测角数据及倾斜数据,从而对测角误差进行修正。实验结果表明,该方法能够实时有效地补偿因平台变形而带来的测角误差,使经纬仪不落地测角精度控制在20″内,为实现高精度车载光电测量提供了一种有效的途径。     

高精度星敏感器标定方法研究

星敏感器是一种广泛应用在航天飞行器中的高精度姿态测量器件,精度标定是保证高精度测量的重要环节。为了尽量提高星敏感器的整体精度,对传统星敏感器标定方法进行了仿真分析,针对传统星敏感器标定方法模型参数难以解耦的弊端,提出单独标定主点,将星敏感器光学参数误差(如焦距、成像平面倾斜和畸变)等看作一个整体误差源,采用直接映射的方式进行标定。该方法简单方便、标定精度高,避免了传统方法中误差影响因素分析不全面及多次求取拟合近似值造成的累积误差。实验结果表明,该标定方法完全满足测量角误差2″的要求。     

姿态敏感器地面标定精密调整机构设计

为了满足光学姿态敏感器地面标定更高精度的应用需求,针对当前敏感器地面测试设备的标定精度与设计值不一致的实际问题,提出了一种分辨率高、稳定性好的五自由度精密调整机构设计方案。分析了光轴一致性误差对星点位置误差的影响,结合姿态敏感器技术指标,采用搭积的调整层结构形式及合理的消隙方法,设计符合敏感器标定要求的调整架机械结构并进行力学分析。仿真结果与测试数据表明:调整机构的实测位移分辨率优于0.1μm,角分辨达到0.1″,在对星图的反复测试中,降低了光轴一致性误差对测试结果的影响,星点位置误差比使用常规调整机构时提高了5″以上,达到了敏感器地面标定的精度要求。     

光电探测系统辅助SINS的动态对准方法

针对陆地战车对定位和定向系统的要求越来越高,提出了一种高精度的对准方法。采用光电探测系统计算出精确的车辆位置和航向,在两次光学定位过程中利用运动约束与零速修正组合的方法估计出惯导系统系统误差,进而估算出光电探测系统与捷联惯导系统之间的敏感轴安装偏角。仿真结果表明:光电探测系统的定向精度优于10″,定位精度优于0.1 m,敏感轴安装偏角的估计精度优于20″,因此本系统满足陆用战车的高精度动态对准需求。     

光电准直经纬仪角度信息的电子学处理系统

光电准直经纬仪是新研制的高精度数字式电子经纬仪,俯仰角极限误差±0.05°,方位角极限误差优于±2.5″,工作稳定可靠。本文介绍它的角度信息电子学处理系统。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.