多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统与流程

1.本发明涉及航天技术领域，涉及一种惯导和星敏多姿态测量设备相对安装误差快速标定及补偿方法，具体为一种用于多源组合导航的多个不同类型姿态测量设备通过姿态测量算法实现相对安装误差的快速标定及补偿方法，尤其涉及一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统。


背景技术：

2.目前，多源组合导航已经在航天、航空、无人驾驶、水下导航、室内定位等生活中各个场景广泛应用，多源组合时往往需要对多种传感器(高、低精度惯导、星敏感器、磁罗盘)测量的姿态进行融合，然而各个传感器的安装位置和安装基准通常不一致，测量出的姿态无法直接融合，因此，在多源组合导航前，首先需要对不同姿态测量传感器的相对安装误差进行标定和补偿。
3.传统的标定方法往往通过在各个传感器上安装棱镜或立方镜，通过经纬仪或光电自准直仪测量相对安装角度误差，这种方法需提前标定棱镜或立方镜与测量坐标系见相对误差，同时，操作较为繁琐，无法快速标定和补偿。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统。
5.根据本发明提供的一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统，所述方案如下：
6.第一方面，提供了一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，所述方法包括：
7.步骤s1：测量星敏感器姿态并转换坐标；
8.步骤s2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差；
9.步骤s3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；
10.步骤s4：补偿相对安装误差。
11.优选地，所述步骤s1包括：
12.载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数
13.根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：
14.首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：
[0015][0016]
式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；
[0017]
其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：
[0018][0019]
式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；
[0020]
最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：
[0021][0022]
其中，
[0023]
式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。
[0024]
优选地，所述步骤s2包括：
[0025]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；
[0026]
星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵
[0027]
高精度惯导根据装订的地理参数进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
[0028][0029]
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；
[0030]
获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：
[0031][0032]
优选地，所述步骤s3包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh、滚动角γh和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；
[0033]
载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh'和低精度惯导俯仰角θ
l
'；
[0034]
载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：
[0035]
ψh＝θh'
[0036]
ψ
l
＝θ
l
'
[0037]
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0038][0039][0040]
根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：
[0041][0042]
优选地，所述步骤s4包括：
[0043]
多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；
[0044]
通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0045][0046]
式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；
[0047]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；
[0048]
通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0049][0050]
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；
[0051]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0052]
第二方面，提供了一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，所述系统包括：
[0053]
模块m1：测量星敏感器姿态并转换坐标；
[0054]
模块m2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差；
[0055]
模块m3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；
[0056]
模块m4：补偿相对安装误差。
[0057]
优选地，所述模块m1包括：
[0058]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数
[0059]
根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：
[0060]
首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：
[0061][0062]
式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；
[0063]
其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：
[0064][0065]
式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；
[0066]
最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：
[0067][0068]
其中，
[0069]
式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。
[0070]
优选地，所述模块m2包括：
[0071]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；
[0072]
星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵
[0073]
高精度惯导根据装订的地理参数进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
[0074][0075]
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；
[0076]
获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：
[0077][0078]
优选地，所述模块m3包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh、滚动角γh和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；
[0079]
载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh'和低精度惯导俯仰角θ
l
'；
[0080]
载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：
[0081]
ψh＝θh'
[0082]
ψ
l
＝θ
l
'
[0083]
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0084][0085][0086]
根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：
[0087][0088]
优选地，所述模块m4包括：
[0089]
多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；
[0090]
通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0091][0092]
式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；
[0093]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；
[0094]
通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0095][0096]
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；
[0097]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0098]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0099]
1、利用惯性导航静态自对准，星敏感器静态姿态测量在静态时对高精度惯测组合、低精度惯测组合和星敏感器间相对安装误差进行标定和补偿，以实现动态下多源组合导航信息融合时空间姿态基准一致性；
[0100]
2、该方法避免了传统棱镜或立方镜标定方法的操作繁琐性，可实现快速标定和补偿。
[0101]
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
[0102]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、
目的和优点将会变得更明显：
[0103]
图1为本发明实施例的惯导、星敏感器在载体平台的安装关系及坐标系示意图；
[0104]
图2为本发明实施例的实施步骤。
具体实施方式
[0105]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0106]
本发明实施例提供了一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，对高精度惯导、低精度惯导和星敏感器三个姿态测量设备的相对安装误差进行快速标定及补偿，三者在载体平台的安装关系及坐标系见图1所示，该方法具体包括以下内容，参照图2所示：
[0107]
步骤s1：测量星敏感器姿态并转换坐标。
[0108]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数
[0109]
根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：
[0110]
首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：
[0111][0112]
式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；
[0113]
其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：
[0114][0115]
式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；
[0116]
最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：
[0117][0118]
其中，
[0119]
式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。
[0120]
步骤s2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差。
[0121]
该步骤具体包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；
[0122]
星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵
[0123]
高精度惯导根据装订的地理参数(经纬高、重力)进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
[0124][0125]
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；
[0126]
获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：
[0127][0128]
步骤s3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；
[0129]
该步骤s3具体包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh、滚动角γh和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；
[0130]
载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ'h和低精度惯导俯仰角θ'
l
；
[0131]
载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：
[0132]
ψh＝θ'h[0133]
ψ
l
＝θ'
l
[0134]
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0135][0136][0137]
根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：
[0138][0139]
步骤s4：补偿相对安装误差。
[0140]
该步骤s4具体包括：
[0141]
多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；
[0142]
通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0143][0144]
式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；
[0145]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；
[0146]
通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0147][0148]
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；
[0149]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0150]
本发明还提供一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，所述多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统可以通过执行所述多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法理解为所述多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统的优选实施方式。
[0151]
模块m1：测量星敏感器姿态并转换坐标。
[0152]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数
[0153]
根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：
[0154]
首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：
[0155][0156]
式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；
[0157]
其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：
[0158][0159]
式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；
[0160]
最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：
[0161][0162]
其中，
[0163]
式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。
[0164]
模块m2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差。
[0165]
该模块具体包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；
[0166]
星敏感器按照模块m1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵
[0167]
高精度惯导根据装订的地理参数(经纬高、重力)进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
[0168][0169]
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；
[0170]
获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：
[0171][0172]
模块m3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；
[0173]
该模块m3具体包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh、滚动角γh和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；
[0174]
载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ'h和低精度惯导俯仰角θ'
l
；
[0175]
载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：
[0176]
ψh＝θ'h[0177]
ψ
l
＝θ'
l
[0178]
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0179][0180][0181]
根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：
[0182][0183]
模块m4：补偿相对安装误差。
[0184]
该模块m4具体包括：
[0185]
多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；
[0186]
通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0187][0188]
式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；
[0189]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；
[0190]
通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0191][0192]
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；
[0193]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0194]
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
[0195]
本发明提供的一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，利用惯性导航静态自对准，星敏感器静态姿态测量在静态时对高精度惯测组合、低精度惯测组合和星敏感器间相对安装误差进行标定和补偿，以实现动态下多源组合导航信息融合时空间姿态基准一致性。该方法避免了传统棱镜或立方镜标定方法的操作繁琐性，可实现快速标定和补偿。
[0196]
图1为本发明实施例的惯导、星敏感器在载体平台的安装关系及坐标系示意图，包括：
[0197]
坐标系x1y1z1：高精度惯导本体坐标系；
[0198]
坐标系x2y2z2：低精度惯导本体坐标系；
[0199]
坐标系x3y3z3：星敏感器本体坐标系。
[0200]
图2为本发明实施例的一种惯导和星敏多姿态测量设备相对安装误差快速标定及补偿方法实施步骤，包括：
[0201]
步骤s1：星敏感器姿态测量和坐标转换。
[0202]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数
[0203]
根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下。
[0204]
首先由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：
[0205][0206]
式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素。
[0207]
j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：
[0208][0209]
式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵。
[0210]
星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：
[0211][0212]
其中，
[0213]
式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。
[0214]
步骤s2：高精度惯导与星敏感器相对安装误差标定。
[0215]
载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天。
[0216]
星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵
[0217]
高精度惯导根据装订的地理参数(经纬高、重力)进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
[0218][0219]
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素。
[0220]
获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：
[0221][0222]
步骤s3：高、低精度惯导自对准相对安装误差标定
[0223]
载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θh、滚动角γh和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
。
[0224]
载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ'h和低精度惯导俯仰角θ'
l
。
[0225]
载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：
[0226]
ψh＝θ'h[0227]
ψ
l
＝θ'
l
[0228]
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0229]
[0230][0231]
根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：
[0232][0233]
步骤s4：相对安装误差补偿。
[0234]
多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准。
[0235]
通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0236][0237]
式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵。
[0238]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0239]
通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
[0240][0241]
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵。
[0242]
由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。
[0243]
本发明实施例提供了一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统，利用惯性导航静态自对准，星敏感器静态姿态测量在静态时对高精度惯测组合、低精度惯测组合和星敏感器间相对安装误差进行标定和补偿，以实现动态下多源组合导航信息融合时空间姿态基准一致性。
[0244]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0245]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，其特征在于，包括：步骤s1：测量星敏感器姿态并转换坐标；步骤s2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差；步骤s3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；步骤s4：补偿相对安装误差。2.根据权利要求1所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，其特征在于，所述步骤s1包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：其中，式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。3.根据权利要求1所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，其特征在于，所述步骤s2包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵高精度惯导根据装订的地理参数进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：
式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：4.根据权利要求3所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，其特征在于，所述步骤s3包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ
h
、滚动角γ
h
和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ
h
'和低精度惯导俯仰角θ
l
'；载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：ψ
h
＝θ
h
'ψ
l
＝θ
l
'根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：标系的姿态矩阵：根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：5.根据权利要求4所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法，其特征在于，所述步骤s4包括：多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：
式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。6.一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，其特征在于，包括：模块m1：测量星敏感器姿态并转换坐标；模块m2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差；模块m3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；模块m4：补偿相对安装误差。7.根据权利要求6所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，其特征在于，所述模块m1包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器在夜间垂直朝天进行姿态测量，获得星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数根据获得的星敏本体系至j2000惯性系姿态转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵具体转换过程如下：首先，由星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数构建姿态阵为：式中，q0、q1、q2、q3为星敏本体系至j2000惯性系姿态四元数的四个元素；其次，j2000惯性系至地球坐标系转换矩阵为：式中，a为准地固坐标系与地球坐标系之间的转换矩阵，b为地球自转转换矩阵，c章动转换矩阵，d为岁差转换矩阵；最后，星敏本体系至j2000惯性系姿态阵转换为星敏本体系至北天东坐标系姿态阵转换过程为：其中，式中，地球系至导航系转换矩阵，λ为载体经度，l为载体纬度。8.根据权利要求6所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，其特征在于，所述模块m2包括：载体平台x轴垂直朝天，星敏感器x3轴和高精度惯导x1轴均垂直朝天；星敏感器按照步骤s1完成姿态测量并获取星敏本体系至北天东坐标系姿态阵高精度惯导根据装订的地理参数进行自对准，对准好获取高精度惯导本体系相对北天
东坐标系的姿态四元数，以此获取姿态阵：式中，q
10
、q
11
、q
12
、q
13
为高精度惯导本体系相对北天东坐标系姿态四元数的四个元素；获得高精度惯导本体系x1y1z1与星敏感器本体系x3y3z3相对安装误差矩阵：9.根据权利要求8所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，其特征在于，所述模块m3包括：载体平台正常水平放置，高精度惯导y1轴和低精度惯导y2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ
h
、滚动角γ
h
和低精度惯导俯仰角θ
l
、滚动角γ
l
；载体平台滚转90
°
水平放置，高精度惯导z1轴和低精度惯导z2轴同时垂直朝天，分别自对准获取高精度惯导俯仰角θ
′
h
和低精度惯导俯仰角θ
′
l
；载体平台滚转90
°
水平放置时高、低精度惯导俯仰角为载体平台正常水平放置时的高、低精度惯导偏航角，即：ψ
h
＝θ
′
h
ψ
l
＝θ
′
l
根据高、低精度惯导俯仰角、滚动角和偏航角计算高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵：标系的姿态矩阵：根据高、低精度惯导本体系相对北天东坐标系的姿态矩阵计算出高精度惯导本体系x1y1z1与低精度惯导本体系x2y2z2相对安装误差矩阵：10.根据权利要求9所述的多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿系统，其特征在于，所述模块m4包括：多源组合导航系统以高精度惯导本体坐标系作为坐标基准；通过相对安装误差矩阵补偿，将低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵投影至高精度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：式中：为补偿安装误差后低精度惯导实时动态测量的姿态矩阵；由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合；通过相对安装误差矩阵补偿，将星敏感器实时动态测量的姿态矩阵投影至高精
度惯导本体坐标系相对北天东坐标系的姿态矩阵：式中：为补偿安装误差后星敏感器实时动态测量的姿态矩阵；由姿态阵提取补偿后俯仰角、滚动角和偏航角用于多源组合导航信息融合。

技术总结
本发明提供一种多姿态测量设备相对安装误差标定及补偿方法、系统，涉及航天技术领域，包括：步骤S1：测量星敏感器姿态并转换坐标；步骤S2：标定高精度惯导和星敏感器相对安装误差；步骤S3：标定高精度惯导和低精度惯导自对准相对安装误差；步骤S4：补偿相对安装误差。本发明利用惯性导航静态自对准，星敏感器静态姿态测量在静态时对高精度惯测组合、低精度惯测组合和星敏感器间相对安装误差进行标定和补偿，以实现动态下多源组合导航信息融合时空间姿态基准一致性。姿态基准一致性。姿态基准一致性。


技术研发人员：秦峰 王璞 刘伟鹏 崔闪 张迪 袁杰波
受保护的技术使用者：上海机电工程研究所
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/14