複合制導系統初始姿態現場校準系統的製作方法

2023-10-05 12:09:04 1

複合制導系統初始姿態現場校準系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及初始姿態角度差計量校準【技術領域】，具體公開了一種複合制導系統初始姿態現場校準系統及方法。該系統中第一光路系統的準直分劃板A經過第一光路系統照射在捷聯慣組基準稜體後，反射至線陣CCD器件A上；第二光路系統中的準直分劃板B1和準直分劃板B2經過第二光路系統照射在捷聯慣組基準稜體後，分別反射至線陣CCD器件B1線陣CCD器件B2上；第三光路系統的準直分劃板C經過第三光路系統照射在星敏感器基準稜體後，反射至線陣CCD器件C上；第四光路系統的準直分劃板D1以及準直分劃板D2經過第四光路系統後，分別反射至線陣CCD器件D1和線陣CCD器件D2上。該系統中的光電測角本身測量精度高，四條自準直光路集於一體，結構簡單，操作便捷。
【專利說明】複合制導系統初始姿態現場校準系統

【技術領域】
[0001]本發明屬於初始姿態角度差計量校準【技術領域】，具體涉及一種複合制導系統初始姿態現場校準系統。

【背景技術】
[0002]新時期我國在航天領域的探索圍繞著發射人造衛星、載人航天和深空探測這三大項系統工程展開，新型運載火箭將具備適應連續多日發射窗口、長時間滑行、高準確度入軌和高可靠性飛行的能力，這其中對火箭導航系統的精度、可靠性提出了更為嚴格的要求，單一的導航方式已經很難滿足長航時、高準確度的導航要求，將逐步採用捷聯慣組/星敏感器複合制導方式。
[0003]捷聯慣組/星敏感器複合導航系統，以捷聯慣導系統為主，充分利用星敏感器的姿態輸出精度高且誤差不隨著時間累積的優點，實時對捷聯慣組的數學平臺姿態誤差進行修正，有效提高導航系統精度。
[0004]在捷聯慣組/星敏感器複合制導系統中，捷聯慣組與星敏感器之間的初始姿態相對位置尤為重要，必須在火箭起飛前準確標定出二者之間姿態角度差，得到星光敏感器的初始姿態基準，為後續導航和制導控制奠定基礎。
[0005]國內慣性制導行業對各制導單元之間初始姿態的標定，初期是依靠儀器艙安裝板上的定位擋銷定位，定位擋銷連線之間的位置公差僅靠機械加工精度保證，然後將慣組和星敏感器分別與各自的定位擋銷靠緊，即認為兩制導單元的角偏差滿足圖紙設計的公差範圍，也無具體的真實數值。後來發展為利用多臺經緯儀組成測量系統，每臺經緯儀望遠鏡分別與制導單元外部基準稜體相應反射面準直。其中，兩基準稜體在俯仰和滾轉方向上的角度差測量，首先測量出兩基準稜體反光面法線分別與大地水平面的夾角，然後再計算二者的差值。在此測量過程中，包含兩臺經緯儀的豎軸調平誤差和人為準直對線誤差，這兩項誤差將1:1直接帶入測量數據中，嚴重影響測量結果的準確度。在測量兩基準稜體在偏航方向上的角度差時，也將其它兩臺經緯儀的自身誤差和對瞄誤差帶入測量結果中。後者的標定方法相對前者雖然較為合理，但測量設備的配置數量較多，儀器架設複雜，測量程序繁瑣，測量誤差項多等缺陷，造成測量結果的準確度降低。另外使用經緯儀進行測量時，要求經緯儀與被測基準稜體之間必須通視，但由於測量場環境的局限性，不能滿足測量環境的要求，致使不能完成三維姿態的測量，只能測量一維或兩維的姿態差。


【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，快速、便捷、準確地完成導系統中捷聯慣組與星敏感器之間初始姿態三維角度差的同步現場校準。
[0007]本發明的技術方案如下:一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，該系統包括第一光路系統、第二光路系統、第三光路系統以及第四光路系統，其中，第一光路系統的準直分劃板A經過第一光路系統照射在捷聯慣組基準稜體後，反射至第一光路系統中的線陣CCD器件A上；第二光路系統中的準直分劃板B1和準直分劃板B2經過第二光路系統照射在捷聯慣組基準稜體後，分別反射至第二光路系統中的線陣CXD器件B1線陣CXD器件B2上；第三光路系統的準直分劃板C經過第三光路系統照射在星敏感器基準稜體後，反射至第三光路系統的線陣CCD器件C上；第四光路系統的準直分劃板D1以及準直分劃板D2經過第四光路系統後，分別反射至第四光路系統中的線陣CCD器件D1和線陣CCD器件D2上。
[0008]所述的第一光路系統包括物鏡A、校正透鏡A、五角稜鏡A、分光稜鏡A1以及準直分劃板A,其中，準直分劃板A產生的光路I經過分光稜鏡A1和分光稜鏡A2反射後依次進入校正透鏡A和物鏡A後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡A轉向90°後入射捷聯慣組基準稜體反射面，通過捷聯慣組基準稜體反射面反射後的光路I依次通過五角稜鏡A、物鏡A和校正透鏡A後，經過分光稜鏡A2反射後透過分光稜鏡A1成像在線陣CXD器件A上，當捷聯慣組基準稜體反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CCD器件A的中心位置，即初始零位位置。
[0009]所述的第二光路系統包括物鏡B、分光稜鏡B1、分光稜鏡B2、分光稜鏡B3、準直分劃板B1以及準直分劃板B2，其中，準直分劃板B1和準直分劃板B2分別經過分光稜鏡B1、分光稜鏡B2反射，以及分光稜鏡B3、分光稜鏡B2透射後形成光路II，光路II依次經過校正透鏡B、物鏡B後形成平行光後垂直入射捷聯慣組基準稜體的另一反射面，經過捷聯慣組基準稜體反射後的光路II依次通過物鏡B、校正透鏡B後入射分光稜鏡B2，光路II經過分光稜鏡B2反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡B2反射後透過分光稜鏡B1成像在線陣CXD器件B1上，另一條光路經分光稜鏡B2透射後由分光稜鏡B3反射成像在線陣CCD器件B2上，當捷聯慣組基準稜體反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時，即可解算出捷聯慣組基準稜體兩維的偏轉角度值。
[0010]所述的第三光路系統包括物鏡C、校正透鏡C、五角稜鏡B、分光稜鏡A3以及準直分劃板C,其中，準直分劃板C產生的光路III經過分光稜鏡A3和分光稜鏡A2反射後依次進入校正透鏡C和物鏡C後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡B轉向90°後入射星敏感器基準稜體反射面，通星敏感器基準稜體反射面反射後的光路III依次通過五角稜鏡B、物鏡C和校正透鏡C後，經過分光稜鏡A2反射後透過分光稜鏡A3成像在線陣CXD器件C上，當星敏感器基準稜體反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CCD器件C的中心位置，即初始零位位置；當星敏感器基準稜體反射面發生偏轉時，反射光線匯聚將偏離線陣CXD器件C中心位置，利用偏離線陣CXD器件C中心位置的距離，即可解算出星敏感器基準稜體偏轉的角度值。
[0011]所述的第四光路系統包括物鏡D、分光稜鏡D1、分光稜鏡D2、分光稜鏡D3、準直分劃板D1以及準直分劃板D2，其中，準直分劃板D1和準直分劃板D2分別經過分光稜鏡D1、分光稜鏡D2反射，以及分光稜鏡D3、分光稜鏡D2透射後形成光路IV，光路IV依次經過校正透鏡D、物鏡D後形成平行光後垂直入射星敏感器基準稜體的另一反射面，經過星敏感器基準稜體反射後的光路IV依次通過物鏡D、校正透鏡D後入射分光稜鏡D2，光路IV經過分光稜鏡D2反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡D2反射後透過分光稜鏡D1成像在線陣CXD器件D1上，另一條光路經分光稜鏡D2透射後由分光稜鏡D3反射成像在線陣CCD器件D2上，當星敏感器基準稜體反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時，即可解算出星敏感器基準稜體兩維的偏轉角度值。
[0012]本發明的顯著效果在於:本發明所述的一種複合制導系統初始姿態現場校準系統及方法，該系統中的光電測量系統將四條自準直光路集於一體，結構簡單，操作便捷；該校準系統及方法中的光電測角本身測量精度高，同時，消除了人為對準帶來的誤差及操作者之間的差異，保證了測量結果的高準確度；同時，該現場校準系統架設在捷聯慣組和星敏感器的安裝基板上，即使在測量過程中晃動，對測量結果也不會產生影響，增強了環境適應性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明所述的複合制導系統初始姿態現場校準系統結構示意圖；
[0014]圖中:1、物鏡A ;2、分光稜鏡麼3 ;3、校正透鏡A ;4、五角稜鏡A ;5、分光稜鏡麼2 ;6、分光稜鏡A1 ;7、線陣C⑶器件C ;8、線陣C⑶器件A ;9、準直分劃板C ;10、準直分劃板A ;11、物鏡B ;12、校正透鏡B ;13、分光稜鏡氏；14、分光稜鏡民；15、分光稜鏡^ ;16、線陣CXD器件B1 ;17、線陣CCD器件B2 ;18、準直分劃板B1 ;19、準直分劃板B2 ;20、物鏡C ;21、校正透鏡C ；22、五角稜鏡B ;23、物鏡D ;24、校正透鏡D ;25、分光稜鏡D1 ;26、分光稜鏡D2 ;27、分光稜鏡D3 ;28、線陣CCD器件D1 ;29、線陣CCD器件D2 ;30、準直分劃板D1 ;31、準直分劃板D2 ;32、星敏感器基準稜體；33、捷聯慣組基準稜體。

【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0016]如圖1所示，一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，該系統包括第一光路系統、第二光路系統、第三光路系統以及第四光路系統，其中，第一光路系統具體包括物鏡Al、校正透鏡A3、五角稜鏡A4、分光稜鏡A#以及準直分劃板A10，其中，準直分劃板AlO產生的光路I經過分光稜鏡A#和分光稜鏡A25反射後依次進入校正透鏡A3和物鏡Al後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡A4轉向90°後入射捷聯慣組基準稜體33反射面，通過捷聯慣組基準稜體33反射面反射後的光路I依次通過五角稜鏡A4、物鏡Al和校正透鏡A3後，經過分光稜鏡A25反射後透過分光稜鏡A1G成像在線陣CXD器件AS上，當捷聯慣組基準稜體33反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CXD器件AS的中心位置，即初始零位位置；當捷聯慣組基準稜體33反射面發生偏轉時，反射光線匯聚將偏離線陣CCD器件AS中心位置，利用偏離線陣CXD器件AS中心位置的距離，即可解算出捷聯慣組基準稜體33偏轉的角度值。第二光路系統包括物鏡BH、分光稜鏡BJ3、分光稜鏡B214、分光稜鏡B315、準直分劃板B118以及準直分劃板B219，其中，準直分劃板B118和準直分劃板B219分別經過分光稜鏡B#、分光稜鏡B214反射，以及分光稜鏡B315、分光稜鏡B214透射後形成光路II,光路II依次經過校正透鏡B12、物鏡Bll後形成平行光後垂直入射捷聯慣組基準稜體33的另一反射面，經過捷聯慣組基準稜體33反射後的光路II依次通過物鏡BI 1、校正透鏡B12後入射分光稜鏡B214，光路II經過分光稜鏡B2H反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡B214反射後透過分光稜鏡B113成像在線陣CXD器件B116上，另一條光路經分光稜鏡B214透射後由分光稜鏡B315反射成像在線陣CXD器件B217上，當捷聯慣組基準稜體33反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時，即可解算出捷聯慣組基準稜體33兩維的偏轉角度值。第三光路系統包括物鏡C20、校正透鏡C21、五角稜鏡B22、分光稜鏡A32以及準直分劃板C9，其中，準直分劃板C9產生的光路III經過分光稜鏡A32和分光稜鏡A25反射後依次進入校正透鏡C21和物鏡C20後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡B22轉向90°後入射星敏感器基準稜體32反射面，通星敏感器基準稜體32反射面反射後的光路III依次通過五角稜鏡B22、物鏡C20和校正透鏡C21後，經過分光稜鏡A25反射後透過分光稜鏡A32成像在線陣CXD器件C7上，當星敏感器基準稜體32反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CCD器件C7的中心位置，即初始零位位置；當星敏感器基準稜體32反射面發生偏轉時，反射光線匯聚將偏離線陣CCD器件C7中心位置，利用偏離線陣CCD器件C7中心位置的距離，即可解算出星敏感器基準稜體32偏轉的角度值。第四光路系統包括物鏡D23、分光稜鏡D#、分光稜鏡D226、分光稜鏡D327、準直分劃板DJO以及準直分劃板D231，其中，準直分劃板DJO和準直分劃板D231分別經過分光稜鏡DP5、分光稜鏡D226反射，以及分光稜鏡D327、分光稜鏡D226透射後形成光路IV，光路IV依次經過校正透鏡D24、物鏡D23後形成平行光後垂直入射星敏感器基準稜體32的另一反射面，經過星敏感器基準稜體32反射後的光路IV依次通過物鏡D23、校正透鏡D24後入射分光稜鏡D226，光路IV經過分光稜鏡D226反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡D226反射後透過分光稜鏡DP5成像在線陣CXD器件DP8上，另一條光路經分光稜鏡D226透射後由分光稜鏡D327反射成像在線陣CXD器件D229上，當星敏感器基準稜體32反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時，即可解算出星敏感器基準稜體32兩維的偏轉角度值。
[0017]本發明所述的複合制導系統初始姿態現場校準系統中，第一光路系統與第二光路系統構成整個校準系統的左側測量光軸，完成捷聯慣組基準稜體33三維姿態角的測量；第三光路系統與第四光路系統構成整個校準系統的右側測量光軸，完成星敏感器基準稜體32三維姿態角的測量；捷聯慣組基準稜體33為捷聯慣組外部基準，星敏感器基準稜體32為星敏感器外部基準，它們分別與捷聯慣組的慣性坐標和星敏感器的測量光軸安裝誤差已經確定。該校準系統中的光路II和光路IV分別與捷聯慣組基準稜體33、星敏感器基準稜體32準直，並能夠測量出兩基準稜體在偏航和俯仰兩個方向上相對自身的零位光軸偏轉角度值，光路I和光路III分別測量出兩基準稜體在滾轉方向上相對自身的零位光軸偏轉角度值。
【權利要求】
1.一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，其特徵在於:該系統包括第一光路系統、第二光路系統、第三光路系統以及第四光路系統，其中，第一光路系統的準直分劃板A(1)經過第一光路系統照射在捷聯慣組基準稜體(33)後，反射至第一光路系統中的線陣CCD器件A(8)上；第二光路系統中的準直分劃板匕(18)和準直分劃板B2 (19)經過第二光路系統照射在捷聯慣組基準稜體(33)後，分別反射至第二光路系統中的線陣CCD器件B1(Ie)線陣C⑶器件B2 (17)上；第三光路系統的準直分劃板C (9)經過第三光路系統照射在星敏感器基準稜體(32)後，反射至第三光路系統的線陣CCD器件C(7)上；第四光路系統的準直分劃板D1 (30)以及準直分劃板％(31)經過第四光路系統後，分別反射至第四光路系統中的線陣CCD器件D1 (28)和線陣CCD器件D2 (29)上。
2.根據權利要求1所述的一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，其特徵在於:所述的第一光路系統包括物鏡A(I)、校正透鏡A(3)、五角稜鏡A(4)、分光稜鏡A1 (6)以及準直分劃板A(1),其中，準 直分劃板A(1)產生的光路I經過分光稜鏡A1 (6)和分光稜鏡A2 (5)反射後依次進入校正透鏡A (3)和物鏡A (I)後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡A(4)轉向90°後入射捷聯慣組基準稜體(33)反射面，通過捷聯慣組基準稜體(33)反射面反射後的光路I依次通過五角稜鏡A(4)、物鏡A(I)和校正透鏡A(3)後，經過分光稜鏡A2 (5)反射後透過分光稜鏡A1 (6)成像在線陣CCD器件A (8)上，當捷聯慣組基準稜體(33)反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CCD器件A(S)的中心位置，即初始零位位置。
3.根據權利要求1所述的一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，其特徵在於:所述的第二光路系統包括物鏡B(Il)、分光稜鏡B1 (13)、分光稜鏡B2 (14)、分光稜鏡B3 (15)、準直分劃板B1 (18)以及準直分劃板B2 (19)，其中，準直分劃板B1 (18)和準直分劃板B2 (19)分別經過分光稜鏡B1 (13)、分光稜鏡B2 (14)反射，以及分光稜鏡B3 (15)、分光稜鏡B2 (14)透射後形成光路II，光路II依次經過校正透鏡B (12)、物鏡B (11)後形成平行光後垂直入射捷聯慣組基準稜體(33)的另一反射面，經過捷聯慣組基準稜體(33)反射後的光路II依次通過物鏡B (11)、校正透鏡B (12)後入射分光稜鏡B2 (14)，光路II經過分光稜鏡B2 (14)反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡B2 (14)反射後透過分光稜鏡B1 (13)成像在線陣CCD器件B1 (16)上，另一條光路經分光稜鏡B2 (14)透射後由分光稜鏡B3 (15)反射成像在線陣CCD器件B2 (17)上，當捷聯慣組基準稜體(33)反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時，即可解算出捷聯慣組基準稜體(33)兩維的偏轉角度值。
4.根據權利要求1所述的一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，其特徵在於:所述的第三光路系統包括物鏡C (20)、校正透鏡C (21)、五角稜鏡B (22)、分光稜鏡A3 (2)以及準直分劃板C(9)，其中，準直分劃板C(9)產生的光路III經過分光稜鏡A3(2)和分光稜鏡A2 (5)反射後依次進入校正透鏡C (21)和物鏡C (20)後形成平行光束，該平行光束經過五角稜鏡B(22)轉向90°後入射星敏感器基準稜體(32)反射面，通星敏感器基準稜體(32)反射面反射後的光路III依次通過五角稜鏡B(22)、物鏡C(20)和校正透鏡C(21)後，經過分光稜鏡A2 (5)反射後透過分光稜鏡A3 (2)成像在線陣CCD器件C (7)上，當星敏感器基準稜體(32)反射面垂直於主光軸時，反射光線正好匯聚在線陣CCD器件C(7)的中心位置，即初始零位位置；當星敏感器基準稜體(32)反射面發生偏轉時，反射光線匯聚將偏離線陣CCD器件C(7)中心位置，利用偏離線陣CCD器件C(7)中心位置的距離，即可解算出星敏感器基準稜體(32)偏轉的角度值。
5.根據權利要求1所述的一種複合制導系統初始姿態現場校準系統，其特徵在於:所述的第四光路系統包括物鏡D (23)、分光稜鏡D1 (25)、分光稜鏡D2 (26)、分光稜鏡D3(27)、準直分劃板D1 (30)以及準直分劃板D2 (31)，其中，準直分劃板D1 (30)和準直分劃板D2 (31)分別經過分光稜鏡D1 (25)、分光稜鏡D2 (26)反射，以及分光稜鏡D3 (27)、分光稜鏡D2 (26)透射後形成光路IV，光路IV依次經過校正透鏡D (24)、物鏡D (23)後形成平行光後垂直入射星敏感器基準稜體(32)的另一反射面，經過星敏感器基準稜體(32)反射後的光路IV依次通過物鏡D (23)、校正透鏡D (24)後入射分光稜鏡D2 (26)，光路IV經過分光稜鏡D2 (26)反射及透射後分成兩個相互垂直的光路，一條光路經分光稜鏡D2 (26)反射後透過分光稜鏡D1 (25)成像在線陣CCD器件D1 (28)上，另一條光路經分光稜鏡D2 (26)透射後由分光稜鏡D3 (27)反射成像在線陣CCD器件D2 (29)上，當星敏感器基準稜體(32)反射面在垂直主光軸兩個方向發生偏轉時 ，即可解算出星敏感器基準稜體(32)兩維的偏轉角度值。
【文檔編號】G01C25/00GK203857967SQ201420243230
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】崔桂利, 馮偉利, 王春喜, 趙天承, 王鍇磊, 魏小林, 郭雨蓉, 姜雲翔 申請人:北京航天計量測試技術研究所, 中國運載火箭技術研究院