[发明专利]一种小卫星星上设备高精度姿态测量系统及方法

说明书

一种小卫星星上设备高精度姿态测量系统及方法，利用控制终端确定转台转角并改变转台位置，确定电子经纬仪在升降支架上的竖直高度H，电子经纬仪的水平驱动角和垂直驱动角，并利用升降支架改变电子经纬仪的位置，完成粗定位工作；在粗定位工作的基础上利用CCD相机完成精确准直工作，获取立方棱镜两个端面的法向矢量，最终确定星上设备的姿态测量值。本发明针对多级硬件系统坐标矩阵转换带来的系统累计误差问题，进行了系统硬件构建优化，以及算法的优化改进，提高了航天器设备姿态测量的测量精度和测量稳定性，还大幅提高了测量效率，降低了测量人力成本，减轻了测量技术人员的劳动强度。

技术领域

本发明涉及一种小卫星星上设备高精度姿态测量系统及方法，用于小卫星星上单机设备姿态的自动化精密测量，并指导精密装配。

背景技术

目前，卫星上的关键单机设备在整星座标系下有很高的姿态精度要求，为了保证小卫星在空间中的正常运行工作，在小卫星的总装生产过程中需要对关键单机设备(如星敏、天线、推进及控制装置等)姿态进行精密测量，与此同时根据精测结果，在地面总装阶段将关键单机设备组件调整到设计要求的几何精度。由于设备本身姿态无法进行直接测量，常规方法是在设备上加装立方镜，通过经纬仪测量立方镜与基准立方镜之间的关系，来确定被测设备的姿态。立方镜在航天器组件的位姿测量应用比较广泛，目前大都采用经纬仪工业测量系统建站和准直测量结合的方法，但该方法实际测量过程中需要较多人员共同参与进行准直和多次互瞄，测量效率低、测量结果易受人为因素影响，难以满足工业测量发展对高精度、高效率、自动化的需求。

上海装备研究所201611123615.9号专利公开了一种自动化精度测量系统，包括准直测量子系统、机械伺服子系统。其中，机械伺服子系统包括航天器停放架、基准定位支架、环形转台、竖直运动支架、航天器本体。准直测量子系统包括第一基准经纬仪、第二基准经纬仪、准直经纬仪，使用时将航天器本体静置于航天器停放架上；第一基准经纬仪、第二基准经纬仪都固定安装在基准定位架上；准直经纬仪固定在竖直运动支架上，并沿上下运动；整个竖直运动支架安装在环形转台上，环形转台实现0～360°的方位旋转，整个机械伺服系统运动形成一个高度H的柱形空间。测量时先利用机械伺服机构将准直经纬仪运动到相应位置，并准直待测目标，然后旋转方位角和俯仰角与基准经纬仪进行互瞄，两个过程均读取相应转台的方位角和俯仰角读数、光电自准直仪的读数、电子水平仪的读数，最后通过将待测镜面矢量转移到基准经纬仪所在的基准坐标系下，测量多个待测目标后即可计算两两之间的夹角关系。但该方法主要存在以下问题：

1)系统引入硬件设备较多，系统包括三台经纬仪，其中两台基准经纬仪，经纬仪互瞄环节较多，坐标关系在硬件系统之间转换，会造成系统累计误差较大，影响测量精度。

2)系统的转台和竖直运动支架采用固连的形式，两台基准经纬仪位置也相对固定，因此整个系统的能够适用的卫星尺寸受限，不具备更大的通用性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种小卫星星上设备高精度姿态测量系统及方法，解决了多级硬件系统坐标矩阵转换带来的系统累计误差问题，进行了系统硬件构建优化，以及基于该硬件系统的算法优化改进，提高了航天器设备姿态测量的测量精度和测量稳定性，还大幅提高了测量效率、加快了卫星总装生产进程，并大大节省了卫星生产成本。

本发明的技术方案是：

一种小卫星星上设备高精度姿态测量系统，包括：电子经纬仪、升降支架、转台、CCD相机、控制终端；

升降支架包括：可移动底座、立梁、升降旋转机构；可移动底座上设置有立梁，所述立梁上设置有能够沿所述立梁上下移动和绕所述立梁轴线旋转的升降旋转机构，电子经纬仪固定在所述升降旋转机构上，电子经纬仪的目镜上固连有CCD相机；卫星固定在转台上，卫星上的待测设备上粘贴有立方棱镜；

电子经纬仪固定在升降支架上，卫星固定在转台上，电子经纬仪的目镜上固连有CCD相机；卫星上的待测设备上粘贴有立方棱镜；