基于陀螺经纬仪测量基准立方镜姿态角度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于陀螺经纬仪测量基准立方镜相对大地坐标系姿态角度矩阵的方法，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。本发明的测量方法，节省了一台陀螺经纬仪，从而降低了成本，同时也避免了普通经纬仪与陀螺经纬仪之间的互瞄，提高了测量精度和测量效率，克服了复杂工况下互瞄时的光路遮挡。
【专利说明】基于陀螺经纬仪测量基准立方镜姿态角度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业测量【技术领域】，具体涉及一种综合利用陀螺经纬仪和电子经纬仪 测量基准立方镜相对大地坐标系姿态角度的方法，该方法可以用于航天器、飞机、船舶等系 统上惯性设备的指北测量以及设备之间的相对姿态角度测量。
【背景技术】
[0002] 在以航天器总装试验为代表的现代大型精密系统集成制造及试验过程中，需要精 密测量惯性设备相对大地坐标系的姿态角度。被测的惯性设备通常采用基准立方镜来表征 设备的本体坐标系，用立方镜上3个相互正交的平面镜法线代表设备本体坐标系的坐标轴 指向。因此，测量惯性设备相对大地坐标系的姿态角度，就是测量立方镜3个正交的镜法线 相对大地坐标系的姿态角度。
[0003] 通常，测量基准立方镜（基准立方镜通常设置在待测物体上）相对大地坐标系的 姿态角度常采用两种方法，一是利用两台陀螺经纬仪分别准直测量或一台陀螺经纬仪先后 准直测量基准立方镜的两个正交的侧面，测量镜面法线在大地坐标系下的向量，最后通过 叉乘得到立方镜三个镜面法线在大地坐标系下的向量，如本项目组的杨再华等在《航天器 环境工程》2009年第26卷第5期中发表的"空间实验室的精度测量新方法"。另一种方法 是利用一台陀螺经纬仪和一台电子经纬仪，利用陀螺经纬仪测量立方镜一个侧面法线在大 地坐标系下的向量，利用电子经纬仪准直测量立方镜上与第一个镜面相邻的任何一个侧面 的法线，并与陀螺经纬仪互瞄，通过角度传递得到立方镜所有镜面法线在大地坐标系下的 向量，如任春珍等在《航天器环境工程》2011年第28卷第6期中发表的"陀螺经纬仪在大 型航天产品精测中的应用"中所述。采用第一种方法，两台陀螺经纬仪测量成本较高，且 由于陀螺经纬仪指北搜索时间较长，利用陀螺经纬仪测量两个镜面时测量效率较低。采用 第二种方法由于利用一台电子经纬仪准直测量其中的一个镜面，降低了成本提高了测量效 率，但该方法需要电子经纬仪和陀螺经纬仪之间互瞄，因此降低了精度，且在某些复杂的现 场工况下，由于互瞄光路被遮挡，实施比较困难。
[0004] 本发明中提出的测量方法，只需要一台陀螺经纬仪和一台电子经纬仪，但不需要 陀螺经纬仪与电子经纬仪互瞄即可以测量得到基准立方镜相对大地坐标系的姿态角度。不 仅减少了测量环节，还提高了测量精度和测量效率，且避免了互瞄中的光路遮挡。随着我国 探月工程、载人工程等航天技术发展，对测量基准立方镜相对大地坐标系姿态角度的需求 也越来越多，因此该专利具有广泛的应用前景，可以促进未来航天航空等大型复杂系统集 成制造业的发展。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于被测基准立方镜镜面法线之间的正交性，利用陀 螺经纬仪准直的天顶距、方位角和电子经纬仪准直的天顶距，计算出被测基准立方镜相对 大地坐标系的姿态角度。该方法避免了电子经纬仪与陀螺经纬仪之间的互瞄，提高了测量 精度和测量效率，避免了互瞄中的光路遮挡。
[0006] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于陀螺经纬仪测量基准立方镜相对大地坐标系姿态角度的方法，该方法的 实施使用陀螺经纬仪、电子经纬仪和基准立方镜，陀螺经纬仪可测量得到方位角和天顶距； 电子经纬仪可测量得到天顶距；正交基准立方镜包括六个面，四个相邻的侧面和上下相对 的顶面与底面，测量时陀螺经纬仪h准直测量基准立方镜C b的任何一个侧面（记为A面）， 得到陀螺经纬仪的方位角和天顶距的观测值分别为a i，％，记为（a i，％)，电子经纬仪1~2准 直测量基准立方镜Cb上与A面相邻的任何一个侧面（标记为B面），得到电子经纬仪的天 顶距的观测值为V 2，根据正交基准立方镜的两相邻面夹角为90°，由以下公式求取电子经 纬仪T2准直方向的方位角α 2 :
[0008] (1)当电子经纬仪Τ2位于图4中陀螺经纬仪匕的右侧位置时，
[0009] α2= a j+arccos (-cot (V^ cot (V2))；
[0010] (2)当电子经纬仪T2位于图4中陀螺经纬仪匕的左侧位置时，
[0011] a 2 = a「arccos (-cot (Vj cot (V2));
[0012] 最终得到基准立方镜相对大地坐标系姿态角度矩阵为：
[0013]
【权利要求】
1. 一种基于陀螺经纬仪测量基准立方镜相对大地坐标系姿态角度的方法，该方法的实 施使用陀螺经纬仪、电子经纬仪和基准立方镜，陀螺经纬仪可测量得到两个参数，分别为方 位角、天顶距；电子经纬仪可测量得到的一个参数天顶距；正交基准立方镜包括六个面，四 个相邻的侧面和上下相对的顶面与底面；测量时陀螺经纬仪G1准直测量基准立方镜Cb的 任何一个侧面标记为A面，得到陀螺经纬仪的方位角和天顶距的观测值分别为a,，V1，记为 (ai，V1)，电子经纬仪T2准直测量基准立方镜Cb的与A面相邻的任意一侧面标记为B面， 得到电子经纬仪的天顶距的观测值为V2，根据正交基准立方镜的两相邻面夹角为90°，由 以下公式求取电子经纬仪T2准直方向的方位角Ci2 : (1) 当电子经纬仪T2位于图4中陀螺经纬仪G1的右侧位置时， a2 = a j+arccos (-cot (V1) cot (V2))； (2) 当电子经纬仪T2位于图4中陀螺经纬仪G1的左侧位置时， a2= a「arccos (-cot (V1) cot (V2))〇 最终得到基准立方镜相对大地坐标系姿态角度矩阵为：
2. 如权利要求1所述的方法，其中方位角apa2和天顶距'、V2均相对大地坐标系， 本发明中大地坐标系原点可以取任意位置，坐标系的+Z轴为垂直大地水平面由原点指向 天顶方向，+X轴为由原点指向大地的地理北方向，按照右手法则确定+Y轴。方位角ap a2为准直方向在水平面内的投影与大地坐标系+X轴的夹角，天顶距为准直方向与大地坐 标系+Z轴的夹角。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，陀螺经纬仪G1准直测量基准立方镜Cb的A面， 形成的A面法线在大地坐标系下的单位向量表达为公式（1):
假设电子经纬仪T2准直测量立方镜Cb的B面方位角为a2 (不能直接由电子经纬仪测 量得到），可得到B面法线在大地坐标系下的单位向量为公式（2):
由于基准立方镜Cb两个镜面A、B的法线正交，axbx+ayby+azbz = 0,因此得到公式（3):
对公式（3)解算后得到：当电子经纬仪T2位于图4中陀螺经纬仪G1的右侧位置时，a2 =a^arccos(-cot(V1)cot(V2));当电子经讳仪T2位于图4中陀螺经讳仪G1的左侧位置时 Ct2=a「arccos(-cot(V1)cot(V2))。把得到的a2值带入到公式⑵中，计算得到立方镜 Cb的B面法线在大地坐标系下的单位向量。 最后通过立方镜Cb的A面法线与B面法线的单位向量叉乘得到立方镜Cb顶面（标记 为C面）的镜面法线在大地坐标系下的单位向量，计算如公式（4)所示：
最终被测基准立方镜在大地坐标系下的姿态角度矩阵如公式（5)所示：
【文档编号】G01C21/18GK104266649SQ201410550699
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】杨再华, 马强, 易旺民, 万毕乐, 闫荣鑫, 郭洁瑛, 阮国伟, 刘浩淼, 任春珍, 陶力, 刘涛, 段晨旭 申请人:北京卫星环境工程研究所