[发明专利]空间飞行器姿态运动模拟平台高精度姿态确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术，具体说就是一种空间飞行器姿态运动模拟平台高精度姿态确定方法。

背景技术

空间飞行器姿态运动模拟平台(也称为三轴气浮台)依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星等空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为空间飞行器姿态运动的通用模拟器，三轴气浮台可以进行飞行器姿态控制系统性能的全物理仿真实验验证分析，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

空间飞行器姿态运动模拟平台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出姿态角、角速率等姿态信息，以便完成控制闭环，由于空间飞行器姿态运动模拟平台的特殊结构，以往用于转台测量的装置(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于空间飞行器姿态运动模拟平台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。并且在目前实际应用中，姿态测量系统精度的高低直接关系到仿真试验的效果。

经检索文献发现，中国发明专利申请号：201110249979.2，专利名称为三轴气浮台高精度姿态角测量装置及其方法，该专利在三轴气浮台台面底部四周安装导轨、遮光帘和标志器，人工照明系统和数字CCD摄像机安装在可升降平台上。数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机上，通过对标志器进行亚像素定位，获取标志器的精确坐标，从而计算出标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。但由于系统构建上的缺陷，测量精度受到限制，从而影响其实际使用范围。

中国发明专利申请号：201310134631.8，专利名称为：三轴气浮台高精度姿态角及角速度测量装置，该专利在三轴气浮台的仪表平台上安装智能侧头、陀螺仪和四面棱镜，在台下安装激光跟踪仪和两台光电自准直仪，根据激光跟踪仪、两台光电自准直仪和陀螺仪的数据直接得到姿态信息。但是该专利在数据滤波处理部分，并没有考虑到偏差四元数模为1的约束条件，直接采用卡尔曼滤波，容易造成误差方差阵发生奇异，导致数据发散，姿态确定失败。该专利没有考虑到激光跟踪仪和光电自准直仪输出信息的姿态参数转换、陀螺仪量测坐标系标定等过程。此外，将数据处理与通信部分安排在台下进行，不符合实际情况。

在文献“三轴气浮台单框伺服测角系统的研究”(发表于宇航学报，1996，第17卷，第4期，页码：71-74)中，哈尔滨工业大学的张晓友、刘敦和北京控制工程研究所的李继苏等提出了一种单框伺服测量方案，该系统在气浮台底座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的姿态信息。当该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，机构复杂，工程应用较困难，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，很难达到高精度。

发明内容

针对空间飞行器姿态运动模拟平台的姿态确定问题，本发明的目的在于提供一种空间飞行器姿态运动模拟平台高精度姿态确定方法，该方法是一种基于扩展卡尔曼滤波的姿态确定的改进方法，通过对激光跟踪仪和陀螺的输出信息进行数据融合滤波处理，得到空间飞行器姿态运动模拟平台的姿态信息。

本发明是这样实现的：一种空间飞行器姿态运动模拟平台高精度姿态确定方法，采用的设备包括激光跟踪仪、智能测头、陀螺仪和两台工业控制计算机，激光跟踪仪安装于空间飞行器姿态运动模拟平台的台下；在姿态确定之前，智能测头安装在台下，配合激光跟踪仪标定激光跟踪仪的量测坐标系，姿态确定过程中，智能测头固定在空间飞行器姿态运动模拟平台的仪表平台上，智能测头上具有靶标定位系统，激光跟踪仪配合智能测头能够跟踪并确定智能测头转动的三维角度以及移动的三维距离；陀螺仪固定在空间飞行器姿态运动模拟平台的仪表平台上，输出空间飞行器姿态运动模拟平台的角速率信息；第一工业控制计算机安装在空间飞行器姿态运动模拟平台的仪表平台上，进行数据处理工作；第二工业控制计算机安装在台下，采集激光跟踪仪的输出数据，并通过无线网络，发送给第一工业控制计算机；第一工业控制计算机接收激光跟踪仪和陀螺仪的姿态数据，并进行数据融合滤波处理，输出空间飞行器姿态运动模拟平台的姿态角信息，同时标定陀螺仪的漂移，实时修正陀螺仪的输出角速率。

本发明还具有如下特征：

1、如上所述的一种空间飞行器姿态运动模拟平台高精度姿态确定方法，其中数据融合滤波处理的方法如下：

步骤1：根据姿态参数转换公式，采用312转序，利用激光跟踪仪输出的气浮台姿态角θ、ψ计算得到气浮台体坐标系相对惯性系的坐标转换矩阵A_br：