[发明专利]航天器用光学陀螺组件姿态基准镜安装误差标定方法

摘要

本发明属于惯性测量技术领域，公开了航天器用光学陀螺组件姿态基准镜安装误差标定方法，通过：1.建立光学陀螺敏感轴约束坐标系2.将光学陀螺组件安装到标准六面体上并调整自准直仪3.设定转动激励并确定转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜坐标系、光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影4.确定光学陀螺敏感轴约束坐标系与姿态基准镜坐标系之间的安装关系，实现航天器用光学陀螺组件姿态基准镜安装误差的标定。本发明直接在陀螺敏感轴约束坐标系下实现陀螺组件姿态的引出，减少了影响陀螺组件姿态引出精度的误差源；不需要使用高精度三轴转台或是其它速率转台，只需利用标准六面体作为陀螺组件的安装基座，并借助L型大理石平台就能完成标定。

主权项

1.航天器用光学陀螺组件姿态基准镜安装误差标定方法，使用L型大理石平台(1)、标准六面体(2)、自准直仪(3)并借助光学陀螺组件(4)自身的测量输出信息，来实现光学陀螺组件(4)与姿态基准镜(5)之间安装误差的标定，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立光学陀螺敏感轴约束坐标系，并在此约束坐标系下标定光学陀螺组件(4)的安装误差参数，其中以X陀螺敏感轴ox_g为约束坐标系的x_b轴，约束坐标系的y_b轴在X陀螺敏感轴ox_g与Y陀螺敏感轴oy_g构成的平面内，约束坐标系的z_b轴与x_b轴、y_b轴构成右手正交坐标系，将光学陀螺敏感轴约束坐标系定义为光学陀螺组件(4)的体坐标系b；(2)完成光学陀螺组件(4)安装误差参数标定后，将光学基准镜胶结到光学陀螺组件(4)上作为姿态基准镜(5)；然后以标准六面体(2)作为光学陀螺组件(4)的安装基座，将光学陀螺组件(4)安装到标准六面体(2)上，最后将标准六面体(2)放到调平后的L型大理石平台(1)上，其中标准六面体(2)的a面(6)、b面(7)须靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)；(3)定义姿态基准镜(5)坐标系，并将姿态基准镜(5)坐标系作为光学陀螺组件(4)的姿态引出基准，其中，姿态基准镜(5)坐标系的定义为：以姿态基准镜(5)的一个侧面的法线为x_p轴，以与其相邻的侧面、顶面的法线为y_p轴、z_p轴，并且x_p轴、y_p轴、z_p轴构成右手正交坐标系，并且此时x_p轴与L型大理石平台(1)的竖直面(13)的法线方向指向一致；(4)设定转动激励并确定转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜(5)坐标系中的投影，包括以下步骤：(4.1)将自准直仪(3)放到L型大理石平台(1)水平面上，调节自准直仪(3)光轴使其瞄准姿态基准镜(5)的x_p轴并进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₁；(4.2)绕方位轴逆时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、d面(9)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，自准直仪(3)在标准六面体(2)转动前后保持静止不动，此时再次利用自准直仪(3)进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₂；(4.3)继续绕方位轴逆时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、f面(11)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，自准直仪(3)在标准六面体(2)转动前后保持静止不动，此时利用自准直仪(3)进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₃；(4.4)确定步骤(4.2)‑(4.3)中的转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜(5)坐标系中的投影u^p，该等效旋转轴矢量与x_p轴的夹角为该等效旋转轴矢量与y_p轴的夹角为该等效旋转轴矢量与z_p轴的夹角为因此，步骤(4.2)‑(4.3)中的转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜(5)坐标系中的投影u^p为u^p＝[α₁ β₁ γ₁]^T；(4.5)继续绕方位轴逆时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、b面(7)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)；进而绕俯仰轴顺时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、a面(6)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，自准直仪(3)在标准六面体(2)转动前后保持静止不动，此时再次利用自准直仪(3)进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₄；(4.6)继续绕方位轴顺时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、c面(8)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，自准直仪(3)在标准六面体(2)转动前后保持静止不动，此时利用自准直仪(3)进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₅；(4.7)继续绕方位轴顺时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、f面(11)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，自准直仪(3)在标准六面体(2)转动前后保持静止不动，此时再次利用自准直仪(3)进行自准直读数，得到俯仰角读数θ₆；(4.8)确定步骤(4.6)‑(4.7)中的转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜(5)坐标系中的投影v^p，该等效旋转轴矢量与z_p轴的夹角为该等效旋转轴矢量与y_p轴的夹角为该等效旋转轴矢量与x_p轴的夹角为因此，步骤(4.6)‑(4.7)中的转动激励对应的等效旋转轴矢量在姿态基准镜(5)坐标系中的投影u^p为v^p＝[α₂ β₂ γ₂]^T；(4.9)继续绕方位轴顺时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、a面(6)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)；进而绕俯仰轴逆时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、b面(7)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)；(5)设定转动激励并确定转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影，包括以下步骤：(5.1)绕方位轴逆时针转动标准六面体(2)360°，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、b面(7)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，且转动完成后静止60s，进而绕方位轴顺时针转动标准六面体(2)360°，转动完成后标准六面体(2)的a面(6)、b面(7)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，且转动完成后静止60s；(5.2)确定步骤(5.1)中的逆时针转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影u⁺，通过以下步骤：(5.2.1)确定步骤(5.1)中标准六面体(2)逆时针旋转开始时刻光学陀螺组件(4)的初始姿态矩阵为即将时刻的光学陀螺组件(4)体坐标系b凝固为惯性坐标系i，其中，I表示三阶单位矩阵；(5.2.2)根据姿态矩阵微分方程对姿态矩阵在惯性坐标系i下进行更新，式中为姿态矩阵，为光学陀螺组件(4)输出的旋转角速度，其中姿态矩阵的更新方式如下：且有其中，分别表示t_k‑1、t_k时刻的姿态矩阵，σ为[t_k‑1,t_k‑1]时间段△t内转动激励对应的等效旋转矢量，σ为σ的模值，△θ₁、△θ₂、△θ₃分别表示旋转角速度在时间段时间段时间段内所对应的角增量；(5.2.3)根据姿态矩阵微分方程解算得到标准六面体(2)逆时针旋转结束时刻光学陀螺组件(4)的姿态四元数(5.2.4)确定逆时针旋转时对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影u⁺表示为：式中，μ⁺的取值为表示的第j行、第k列元素；(5.3)确定步骤(5.1)中的顺时针转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影u^‑，通过以下步骤：(5.3.1)确定步骤(5.1)中标准六面体(2)顺时针旋转开始时刻光学陀螺组件(4)的初始姿态矩阵为即将时刻的光学陀螺组件(4)体坐标系b凝固为惯性坐标系i；(5.3.2)根据姿态矩阵微分方程对姿态矩阵在惯性坐标系i下进行更新；(5.3.3)根据姿态矩阵微分方程解算得到标准六面体(2)顺时针旋转结束时刻光学陀螺组件(4)的姿态四元数(5.3.4)确定顺时针旋转时对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影u^‑表示为：式中，μ^‑的取值为表示的第j行、第k列元素；(5.4)确定步骤(5.1)中转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影u^b为(5.5)绕俯仰轴顺时针转动标准六面体(2)，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、a面(6)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，且转动完成后静止60s；(5.6)绕方位轴顺时针转动标准六面体(2)360°，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、a面(6)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，且转动完成后静止60s，进而绕方位轴逆时针转动标准六面体(2)360°，转动完成后标准六面体(2)的d面(9)、a面(6)靠紧L型大理石平台(1)的水平面(12)和竖直面(13)，且转动完成后静止60s；(5.7)确定步骤(5.6)中的顺时针转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影v⁺，通过以下步骤：(5.7.1)确定步骤(5.6)中标准六面体(2)顺时针旋转开始时刻光学陀螺组件(4)的初始姿态矩阵为即将时刻的光学陀螺组件(4)体坐标系b凝固为惯性坐标系i；(5.7.2)根据姿态矩阵微分方程对姿态矩阵在惯性坐标系i下进行更新；(5.7.3)根据姿态矩阵微分方程解算得到标准六面体(2)顺时针旋转结束时刻光学陀螺组件(4)的姿态四元数(5.7.4)确定顺时针旋转时对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影v⁺表示为：式中，υ⁺的取值为表示的第j行、第k列元素；(5.8)确定步骤(5.6)中的逆时针转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影v^‑，通过以下步骤：(5.8.1)确定步骤(5.1)中标准六面体(2)逆时针旋转开始时刻光学陀螺组件(4)的初始姿态矩阵为即将时刻的光学陀螺组件(4)体坐标系b凝固为惯性坐标系i；(5.8.2)根据姿态矩阵微分方程对姿态矩阵在惯性坐标系i下进行更新；(5.8.3)根据姿态矩阵微分方程解算得到标准六面体(2)逆时针旋转结束时刻光学陀螺组件(4)的姿态四元数(5.8.4)确定逆时针旋转时对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影v^‑表示为：式中，υ^‑的取值为表示的第j行、第k列元素；(5.9)确定步骤(5.6)中转动激励对应的等效旋转轴矢量在光学陀螺敏感轴约束坐标系中的投影v^b为(6)确定光学陀螺敏感轴约束坐标系与姿态基准镜(5)坐标系之间的安装关系其中，进而当光学陀螺组件(4)姿态信息需要引出时即可校正光学陀螺敏感轴约束坐标系与姿态基准镜(5)坐标系之间的安装关系实现高精度姿态信息引出。