基于电子经纬仪的精测系统的磁试验室磁场基准建立方法

摘要

本发明提供了一种基于电子经纬仪的精测系统的磁试验室磁场基准建立方法，应用电子经纬仪的精度测量系统建立精度基准及基准转移，实现磁试验设施的磁场精测基准建立，并以此为基准测量卫星在磁场中的方向精度。本发明的方法能解决卫星总装精测所不能解决的磁场基准转移问题，通过本发明的方法可建立磁场基准与磁试验室测量基准的关系，完成磁试验过程基准转移问题。

说明书

技术领域

本发明属于精度测量领域，尤其涉及一种通过为磁试验室安装精测立 方镜并将磁场基准转移至精测立方镜的磁试验室磁场基准建立方法。

背景技术

卫星磁试验是卫星整星大型试验中重要的一环，用于测试验卫星的剩 磁和剩磁矩，也可用于卫星磁测姿和磁控制系统的仿真测试。目前的大型 磁试验设施并没有精度测量基准，因此试验过程中不能对试件所在位置的 磁场方向进行有效的标定测量，直接影响试验精度。

目前，卫星总装精度测量主要是基于高精度电子经纬仪的精度测量系 统，并利用精测软件对测量原始数据进行采集、加工处理和分析，并给出 测量结果。

基于电子经纬仪的精度测量系统原理如下：

一、精测系统

精测系统由电子经纬仪、测量附件(基准尺、靶标等)、T-link、精测软 件等组成，计算机通过串行接口对电子经纬仪采集数据。可以用两台电子 经纬仪组成一个最小的空间测量系统，为便于对被测对象进行全方位观测， 一般由四台经纬仪组成测量系统。

附图1是现有技术中的精测系统组成示意图，由四台电子经纬仪(T1， T2，T3，T4)组成测量网络系统；基准尺用于对经纬仪测量系统进行定标； RS232接口用于经纬仪与计算机的通讯；计算机及软件系统处理从经纬仪 中采集过来的数据。

二、精测软件

精测软件是精测系统的重要组成部分，软件的主要功能有：仪器控制、 系统标定、坐标测量和变换、分析计算等。附图1是现有技术中的精测软 件卫星测量一般流程图。

三、精测原理

a)空间测量坐标系

卫星精度测量采用精确调平和精确互瞄法，这种方法要求两台架设平 稳的电子经纬仪精确调平并且在经纬仪中心安装内站标。两台精确调平的 电子经纬仪可建立一个空间测量坐标系，经纬仪空间测量坐标系规定如下： 如附图3所示，经纬仪空间测量坐标系以经纬仪T1回转中心为坐标原点， 以经纬仪T1、T2中心连线在水平面内的投影为X轴，铅垂向上为Z轴， 以右手定则确定Y轴。

经纬仪定标的目的是确定经纬仪中心距L，定标方法如下：

(1)在两经纬仪前适当位置架设一根长度为已知的基准尺；

(2)两经纬仪正反两面互瞄，使两经纬仪视准轴成为一直线；

(3)两经纬仪同时瞄准基准尺的一端点；

(4)两经纬仪同时瞄准基准尺的另一端点；

(5)记录(2)、(3)、(4)项的经纬仪数据，计算经纬仪中心距L；

(6)两经纬仪再次分别瞄准基准尺的两个端点，验算定标结果的正确 性。

在测量过程中，要求保持两经纬仪绝对不动，一旦发生移动和触碰， 则需要重新定标。

b)点坐标测量原理

如果两台电子经纬仪中心距已知，当两台电子经纬仪同时瞄准空间某一 点M(x，y，z)时，如附图3所示,假设经纬仪T1、T2中心连线在水平面内 的投影距为L，则可求得空间点M(x，y，z)的坐标，如下公式所示。

$x=\frac{L\sin {\alpha }_b\cos {\alpha }_a}{\sin ({\alpha }_a+{\alpha }_b)}.................................................................\left(1\right)$

$y=\frac{L\sin {\alpha }_b\sin {\alpha }_a}{\sin ({\alpha }_a+{\alpha }_b)}.......................................................................\left(2\right)$

$z=\frac{1}{2}[\frac{L(\sin {\alpha }_b\tan {\beta }_a+\sin {\alpha }_a\tan {\beta }_b)}{\sin ({\alpha }_a+{\alpha }_b)}+h]....................................\left(3\right)$

式中：

x——为空间点P在测量坐标系中的x坐标，单位为毫米(mm)；

L——为两电子经纬仪间的水平距离，单位为毫米(mm)；

α_b——为经纬仪B水平角，单位为度(deg)；

α_a——为经纬仪A水平角，单位为度(deg)；

y——为空间点P在测量坐标系中的y坐标，单位为毫米(mm)；

z——为空间点P在测量坐标系中的z坐标，单位为毫米(mm)；

β_a——为经纬仪A俯仰角，单位为度(deg)；

β_b——为经纬仪B俯仰角，单位为度(deg)；

h——为两电子经纬仪之高差，单位为毫米(mm)。

c)空间矢量夹角测量原理

两空间矢量L₁、L₂的夹角通过用两经纬仪T1、T2同时准直的方法测 量得到，如附图4所示。

设P₁＝(L₁，M₁，N₁)，P₂＝(L₂，M₂，N₂)，则P₁按公式(4)计算，P₂按公式(5)计算，两空间矢量夹角Φ按公式(6)计算。

L₁＝cosα_acosβ_a，M₁＝sinα_acosβ_a,N₁＝sinβ_a…………………………(4)

L₂＝-cosα_bcosβ_b，M₂＝sinα_bcosβ_b,N₂＝sinβ_b………………………(5)

$\cos \Phi =\frac{L_1{L}_2+M_1{M}_2+N_1{N}_2}{\sqrt{L_1^2+M_1^2+N_1^2}\sqrt{L_2^2+M_2^2+N_2^2}}..................................................\left(6\right)$

式中：

L₁——单位矢量P₁在x轴上投影；

M₁——单位矢量P₁在y轴上投影；

N₁——单位矢量P₁在z轴上投影；

L₂——单位矢量P₂在x轴上投影；

M₂——单位矢量P₂在y轴上投影；

N₂——单位矢量P₂在z轴上投影；

Φ——两空间矢量P_1，P₂夹角，单位为度(deg)。

四、卫星精度测量

a)建立整星测量基准

卫星的设计基准在卫星总装过程中一般被覆盖，无法进行直接测量， 必须建立合适测量的工艺基准，将设计基准转移到工艺基准后方可测量， 即建立整星测量基准。

卫星设计基准一般为星体的机械坐标系，以对接环对接法兰内环下表 面(即对接环下端框星箭对接面)作为整星主基准，两个定位销所在圆的 圆心为X轴的零位。理论上认为该机械坐标系与卫星本体坐标系重合，因 此将其作为卫星的设计基准。

立方镜作为精度检测的测量基准，尺寸一般为20×20×20mm，两相邻 镜面互相垂直，垂直度不大于3″，卫星结构部装完成后将整星的设计基准 转换到安装于卫星主结构的立方镜即整星测量基准上。这个过程就是建立 整星测量基准的过程。立方镜在卫星总装精测过程中应一直能见到。

对卫星进行安装精度测量时，被测对象的测量结果，要求给出在卫星 机械坐标系中的三个方向角(α，β，γ)及中心点在该坐标系中的三维坐标 值(X、Y、Z)，而机械坐标系通过精测适配器和高精度转台转移到整星 立方镜即整星测量检测基准上，如附图4和附图5所示。用定位销钉将卫 星对接环与精测花盆对接，通过加工指标来保证精测适配器销钉孔所在圆 几何中心所确定的坐标系等同于卫星机械坐标系。

如附图6和附图7所示，基准变换的测量流程如下：

1)通过精测适配器三个靶标孔及适配器上的2个过渡立方镜，建立卫 星机械坐标系与过渡立方镜的关系；

2)星体与精测花盆对接，按要求通过定位销定位及螺钉连接；

3)分别测量2个整星立方镜与2个过渡立方镜坐标系之间的关系；

当测量完成后，通过坐标系之间转换可得出整星立方镜与机械坐标系 之间的关系，建立整星测量基准工作完成。

b)设备精测

卫星在与精测适配器分解后，停放在支架车上。测量安装的仪器设备 时，只需在整星立方镜与被测设备(有立方镜)之间进行，被测量的结果 要转换为星体机械坐标系中的各项结果。

目前的大型磁试验设施并没有精度测量基准，因此试验过程中不能对 试件所在位置的磁场方向进行有效的标定测量，直接影响试验精度。而实 际上，磁试验室由于线圈框架的建筑精度非常高(达到数十米尺度上毫米 级的精度)，对其产生的空间磁场方向的测量具有很大的实用价值。

发明内容

本发明提出了一种基于电子经纬仪的经测系统的磁试验室磁场基准建 立方法，应用电子经纬仪的精度测量系统建立精度基准及基准转移，实现 磁试验设施的磁场精测基准建立，并以此为基准测量卫星在磁场中的方向 精度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种能够基于电子经纬仪的精测系统的磁试验室磁场基准建立方法， 包括如下步骤：

第一步，布置磁试验室：

在磁试验室的磁试验线圈框架上安装精测立方镜，命名为AC1；卫星 位于磁试验线圈框架的中央，在卫星整星上安装精测立方镜，命名为AC2； 以磁线圈南北向支架同一侧边沿水平连线由南指向北为磁场X正向，以磁 线圈东西向支架同一侧边沿水平连线由东指向西为磁场Y正向，磁场Z向 与Y、X向成右手坐标系；

第二步，建立磁场基准与磁试验室测量基准之间的关系：经纬仪T1 瞄向磁场坐标系+X向，T2瞄向磁场坐标系-Y向，T3瞄向基准立方镜-Y 向，T4瞄向基准立方镜+Z向；通过2台经纬仪确定磁试验磁场基准，通 过另2台经纬仪确定磁试验室测量基准，即精测立方镜AC1，4台经纬仪 互瞄解算以确定磁试验室磁场基准与测量基准之间的关系；

第三步，建立卫星整星基准与磁试验室基准之间的关系：经纬仪T1 瞄向基准立方镜+X向，T2瞄向基准立方镜-Y向，T3瞄向基准立方镜-Y 向，T4瞄向基准立方镜+Z向；通过2台经纬仪确定卫星整星基准，即精 测立方镜AC2，通过另2台经纬仪确定磁试验室测量基准，即精测立方镜 AC1，4台经纬仪互瞄解算以确定卫星整星基准与磁试验室基准之间的关 系；

第四步，解算出卫星整星基准与磁场基准之间的关系。

本发明的有益效果是：本发明的方法能解决卫星总装精测所不能解决 的磁场基准转移问题，通过本发明的方法可建立磁场基准与磁试验室测量 基准的关系，完成磁试验过程基准转移问题。

附图说明

图1为现有技术中的精测系统组成示意图；

图2为现有技术中的精测软件卫星测量一般流程图；

图3为经纬仪空间测量坐标系示意图；

图4为空间矢量夹角测量原理图；

图5为卫星的设计基准示意图；

图6为卫星的测量基准建立示意图；

图7为三点拟合建立机械坐标系示意图；

图8为本发明的建立磁线圈基准及转移至测量基准示意图；

图9为本发明的经纬仪瞄向磁线圈支架示意图；

图10为本发明的建立磁场基准时经纬仪布局图图；

图11为本发明的建立磁场基准时经纬仪布局图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的基于电子经纬仪的精测系统的磁试验室磁场基准建立方法， 能够在卫星磁试验中建立磁试验室磁场基准与卫星整星测量基准之间的关 系。

本发明的方法包括如下步骤：

第一步，布置磁试验室：

在磁试验室稳固的基础(本实施例中为磁试验线圈框架)上安装精测 立方镜，命名为AC1。卫星位于磁试验线圈框架的中央，在卫星整星上安 装精测立方镜，命名为AC2。

以磁线圈南北向支架同一侧边沿水平连线由南指向北为磁场X正向， 以磁线圈东西向支架同一侧边沿水平连线由东指向西为磁场Y正向，磁场 Z向与Y、X向成右手坐标系。

建立磁试验室磁场基准如附图8所示，经纬仪瞄向磁线圈南北向支架 同一侧边水平连线，以支架在镜头内切一半为准，如附图9所示。

第二步，建立磁场基准与磁试验室测量基准之间的关系：

注意经纬仪瞄向磁线圈支架时，经纬仪应调水平，并水平瞄向线圈支 架。通过2台经纬仪确定磁试验磁场基准。通过另2台经纬仪确定磁试验 室测量基准(精测立方镜AC1)。4台经纬仪互瞄解算可确定磁试验室磁场 基准与测量基准之间的关系。

附图10为建立磁场基准与磁试验室测量基准之间关系经纬仪布局图。 图中：T1:XQ/+X表示测站T1瞄向磁场坐标系+X向，T2:XQ/-Y表示测站 T2瞄向磁场坐标系-Y向，T3:AC1/-Y表示测站T3瞄向基准立方镜-Y向， T4:AC1/+Z表示测站T4瞄向基准立方镜+Z向。

主要测量步骤如下：

(1)T1、T2瞄向磁场线圈支架，具体方法如附图9所示；

(2)T3、T4准直整星立方镜AC1相邻两镜面；

(3)T1、T2、T3与T4每台至少与另3台经纬仪中2台互瞄。

至此，基准建立过程结束，可解算出磁场基准与磁试验室测量基准之 间的关系。

第三步，建立卫星整星基准与磁试验室基准之间的关系：

通过另2台经纬仪确定磁试验室测量基准(精测立方镜AC1)。4台 经纬仪互瞄解算可确定卫星整星基准与磁场基准间的相对关系，仪器设备 布局图见附图11。图中：T1:AC1/+X表示测站T1瞄向基准立方镜+X向， T2:AC1/-Y表示测站T2瞄向基准立方镜-Y向，T3:AC2/-Y表示测站T3 瞄向基准立方镜-Y向，T4:AC2/+Z表示测站T4瞄向基准立方镜+Z向。

主要测量步骤如下：

(1)T1、T2准直磁试验室基准立方镜AC1相邻两镜面；

(2)T3、T4准直整星立方镜AC2相邻两镜面；

(3)T1、T2、T3与T4每台至少与另3台经纬仪中2台互瞄。

至此，测量过程结束，可确定卫星整星测量基准与磁试验室基准之间 关系；

第四步，解算出卫星整星基准与磁场基准之间的关系。

本发明的有益效果是：本发明的方法能解决卫星总装精测所不能解决 的磁场基准转移问题，通过本发明的方法可建立磁场基准与磁试验室测量 基准的关系，完成磁试验过程基准转移问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。