基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法与流程

1.本发明涉及工业测量技术领域，具体地，涉及一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法。


背景技术：

2.随着经济和科技的发展，以通讯卫星为代表的航天器开始推行商业化、批量化生产，卫星互联网正式纳入新基建范畴，迫切需要提高航天器生产制造的效率和降低制造成本。传统航天器高精度仪器测量方式较为单一，用3到4台经纬仪建站测量基准立方镜位姿从而复检仪器的安装精度，测量调试周期较长，成本较高。
3.经过检索，专利文献cn104743138b公开了一种航天器用高精度微变形姿控仪器安装结构，仪器安装板包括第一翼板、第二翼板和腹板，第一翼板固定在薄壁壳体结构的外表面，第二翼板设置在薄壁壳体结构的内部，并与导热体的平面对接法兰连接，第一翼板和第二翼板之间通过腹板连接，并通过腹板进行热交换；导热体的安装面连接到封盖板上；封盖板与薄壁壳体结构连接，形成安装结构头部；支撑杆组件的一端与安装结构头部连接，支撑杆组件的另一端安装在航天器光学成像有效载荷结构本体上。该现有技术虽然克服了对于结构热变形的控制有所改善，但是不足之处在于仍然无法高效的提高复检仪器的安装精度。
4.经过检索，专利文献cn104266649a公开了一种基于陀螺经纬仪测量基准立方镜姿态角度的方法，该方法利用陀螺经纬仪和电子经纬仪分别准直测量基准立方镜上任意相邻的两个侧面，测量得到陀螺经纬仪准直方向的方位角、天顶距和电子经纬仪准直方向的天顶距，并通过两个面的垂直关系求解得到电子经纬仪准直方向的方位角，最终得到基准立方镜相对大地坐标系姿态角度矩阵。虽然该现有技术的测量方法节省了一台陀螺经纬仪，但是仍然需要测量的数据很多，才能结合若干数据计算出被测基准立方镜相对大地坐标系的姿态角度。
5.因此，亟需研发一种航天器高精度仪器安装姿态的方法适应航天器目前发展需求，既能够提高复检仪器的安装精度测量，又能够计算简单，同时也能在卫星、飞机等航空航天件装配、检查上使用，具有广泛的应用前景。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法。
7.根据本发明提供的一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法，包括如下步骤：
8.步骤1：将带目标自动锁定功能的绝对激光跟踪仪安装在自动引导小车上，使得激光跟踪仪与自动引导小车一同移动；
9.步骤2：通过自动引导小车将激光跟踪仪移动到预设的测量位置；
10.步骤3：在待测仪器安装底座上预留不在同一直线上的三个可测量的靶点用于放置光学角锥镜，利用激光跟踪仪分别测得参数测量值；
11.步骤4：激光跟踪仪在三个可测量的靶点分别测得参数测量值之后，求出待测仪器底面在大地坐标系中的位置。优选地，步骤1中先将航天器放置台上的某个基准点标定为大地坐标系原点o，并定义x、y、z所对应的方向。
12.优选地，步骤2中自动引导小车按照预设定的程序指令移动到指定位置。
13.优选地，步骤3中手动将光学角锥镜分别置于待测仪器安装底座上的三个可测量的靶点上，激光跟踪仪通过目标子锁定分别测得相对大地坐标系的位置p1,p2,p3。
14.优选地，步骤4中利用p1,p2,p3的测量值确定待测仪器的安装姿态，通过与待测仪器在大地坐标系下的理论位置参数对比即可获得仪器安装调整量。
15.优选地，首次标定大地坐标系的坐标轴方向时，通过某一固定物体的平面上预设的三个可测量的靶点处分别放置角锥镜，利用激光跟踪仪自准直获得的三个可测量的靶点测量值，确定该面的法线方向作为z向，再取与z向垂直的某一固定物体的平面上的三个可测量的靶点以相同的方法确定x向，利用右手法则确定y向。
16.优选地，三个可测量的靶点的选择应满足自动引导小车在指定位置时，光线能达到三个可测量的靶点处的角锥镜。
17.优选地，通过程序预设定多个移动位置，自动引导小车多次移动从而对航天器上多个仪器的安装位姿进行测量。
18.优选地，步骤4中仪器测量姿态确定与调整量具体实现如下：
19.测得三个可测量的靶点相对大地坐标系下的坐标为p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)；
20.设定底面所在平面在大地坐标系的平面方程为ax+by+cz+d＝0；
21.a＝(y2
‑
y1)*(z3
‑
z1)
‑
(z2
‑
z1)*(y3
‑
y1)；
22.b＝(x3
‑
x1)*(z2
‑
z1)
‑
(x2
‑
x1)*(z3
‑
z1)；
23.c＝(x2
‑
x1)*(y3
‑
y1)
‑
(x3
‑
x1)*(y2
‑
y1)；
24.d＝
‑
(a*x1+b*y1+c*z1)；
25.所在平面的法向量为n1＝(a,b,c)
26.测得的三个可测量的靶点实际位置p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)与理论位置对比，先根据法向误差不同调整仪器安装角度，后根据三个可测量的靶点实际位置p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)中一点的位置数值差异调整垫片高度到要求范围内。
27.根据本发明提供的一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的系统，包括：
28.自动引导小车：自动引导小车上安装激光跟踪仪，一同运动至目标测量位置；
29.激光跟踪仪：具有目标自动锁定功能，跟随自动引导小车到达目标点位置后，进行参数值的测量，确定仪器测量姿态与调整量。
30.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
31.1、本发明只通过一台激光跟踪仪和自动引导小车，即可以大幅度降低成本，避免多台经纬仪互瞄，无需考虑经纬仪互瞄过程中的光路遮挡，提高了测量精度和测量效率。
32.2、本发明提出的基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法适应航天器目前发展需求，同时也能在飞机等航空件装配、检查上使用，具有广泛的应用前景。
33.3、本发明采用激光跟踪仪和自动引导小车来进行测量，计算航天器高精度仪器安装姿态的运算简单，并且容易操作，解决了传统用3到4台经纬仪建站测量基准立方镜位姿的方法的复杂及耗力。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为本发明的功能示意图；
36.图2为本发明待测仪器p相对大地坐标系的位姿(三个可测量的靶点p1,p2,p3)的示意图；
37.图3为本发明仪器位姿测量实际值与理论位置关系的示意图。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.如图1
‑
图3所示，本发明提供了一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的方法，该方法通过在待测仪器安装底座上预留三个可测量的靶点，底座为平面，用于放置反射用的光学角锥镜，将带目标自锁定功能的绝对激光跟踪仪安装在自动引导小车上，该激光跟踪仪分别置于三个可测量的靶点处的角锥镜自准直获取位置信息，从而获得此仪器的安装姿态；通过自动引导小车绕航天器转动一周实现多仪器姿态的测量。
40.本发明在实施中将带目标自动锁定功能的绝对激光跟踪仪安装在自动引导小车上，与自动引导小车一同移动；该激光跟踪仪与光学角锥镜自准直可获得目标点位置的三个参数，分别为目标点相对于指定参考坐标系的x,y,z值；在待测仪器安装底座上预留不在同一直线上的三个可测量的靶点作为角锥镜放置的靶点，通过三个可测量的靶点位置参数测量值，可求得待测仪器底面在大地坐标系中的位置，通过如下步骤：
41.先将航天器放置台上的某个基准点标定为大地坐标系原点o，并定义x,y,z所对应方向，该放置台固定不动。其中大地坐标系可选择任意位置，但为了减少多台航天器测量时的坐标系标定时间，可尽量选择固定物体作为大地坐标系；首次标定大地坐标系的坐标轴方向时，可通过某一平面上预设的三个可测量的靶点处分别放置角锥镜，利用激光跟踪仪自准直获得的三个可测量的靶点测量值，确定该面的法线方向作为z向，再取与z向垂直的某个面上的三个可测量的靶点以相同的方法确定x向，利用右手法则确定y向。
42.接着，自动引导小车按照预设定的程序指令移动到某指定位置，手动将角锥镜分别置于待测仪器安装底座上的三个可测量的靶点，激光跟踪仪通过目标自锁定分别测得相对大地坐标系的位置p1,p2,p3；在测量仪器安装位姿时，三个可测量的靶点的位置理论上可设置在待测仪器上任意平面，但仪器的安装底面相对精度较高，可测量的靶点加工方便；三
个可测量的靶点的选择应满足自动引导小车在指定位置时，光线能达到三个可测量的靶点处的角锥镜，角锥镜是激光跟踪仪测量的靶镜，通常靶标外形为球形，内部为3个互相垂直的反射镜。自动引导小车每移动到一个指定位置，对此位置上对应仪器上的三个可测量的靶点测量获得待测仪器的安装位姿；通过程序预设定多个移动位置，自动引导小车多次移动从而对航天器上多个仪器的安装位姿进行测量。
43.最后，由于三个可测量的靶点定心且不共线，因此能够确定一个平面，p1,p2,p3的测量值可确定仪器安装姿态，通过与仪器在大地坐标系下的理论位置参数对比即可获得仪器安装调整量。
44.测得三个可测量的靶点相对大地坐标系下的坐标为：
45.p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),p3(x3,y3,z3)；
46.设定底面所在平面在大地坐标系的平面方程为：ax+by+cz+d＝0；
47.a＝(y2
‑
y1)*(z3
‑
z1)
‑
(z2
‑
z1)*(y3
‑
y1)；
48.b＝(x3
‑
x1)*(z2
‑
z1)
‑
(x2
‑
x1)*(z3
‑
z1)；
49.c＝(x2
‑
x1)*(y3
‑
y1)
‑
(x3
‑
x1)*(y2
‑
y1)；
50.d＝
‑
(a*x1+b*y1+c*z1)；
51.所在平面的法向量为：n1＝(a,b,c)
52.调整量确定：测得的三个可测量的靶点实际位置p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)与理论位置对比，先根据法向误差不同调整仪器安装角度，后根据三个可测量的靶点实际位置p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)中一点的位置数值差异调整垫片高度到要求范围内。也就是三个位置的不同方向去修磨垫片的高度。
53.本发明还提供了一种基于激光跟踪仪测量航天器高精度仪器安装姿态的系统，包括：
54.自动引导小车：自动引导小车上安装激光跟踪仪，一同运动至目标点位置；
55.激光跟踪仪：具有目标自动锁定功能，跟随自动引导小车到达目标点位置后，进行参数值的测量，确定仪器测量姿态与调整量。
56.工作原理：
57.在待测仪器上的某一平面上预留三个可进行测量的靶点，供光学角锥镜所在镜面相对大地坐标系的坐标值进行测量；自动引导小车上安装绝对激光跟踪仪，一同运动至目标点位置；绝对激光跟踪仪在对目标自动锁定时，绝对激光跟踪仪的镜头可在垂直和水平两方向旋转，实现对目标进行快速跟踪。仪器与仪器安装底座为一体，三个可测量的靶点的位置在设计时就预留，并有理论位置，即知道三个点的测量值就知道仪器的姿态。激光跟踪仪通过目标自锁定分别测得相对大地坐标系的位置p1,p2,p3；在测量仪器安装位姿时，p1,p2,p3的测量值可确定仪器安装姿态，通过与仪器在大地坐标系下的理论位置参数对比即可获得仪器安装调整量。
58.在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
59.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述
特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。