本发明属于动态环境下姿态角度的计量校准领域，具体涉及一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置及方法。
背景技术：
姿态测量仪能够在动态环境下建立三维姿态基准，可用于海态情况下船上的定姿的工作，但对于姿态测量仪的校准尚没有成熟的技术，目前只能在实验室环境下利用摇摆台模拟动基座的环境，但对于实际的海态试验环境，舰船的运动是多种运动的复杂综合形式，还包含很多随机因素，因此，有必要开展在实际使用船体上姿态测量仪的计量校准。
技术实现要素：
本发明的目的在于：利用高精度的星光测量装置，通过星光测量，计算其底座的三维姿态角，设计为一种姿态测量仪提供一种姿态角的校准方法，解决姿态测量仪校准的难题。
本发明的技术方案如下：一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，包括gps接收机、双头星敏测姿装置、自调平伺服跟踪台和刚性基座，被校准设备为姿态测量仪；
所述的gps接收机，包括天线吸盘座、gps天线和gps接收处理卡，gps天线通过螺纹安装在天线吸盘座顶部，gps接收处理卡嵌入在双头星敏测姿装置的处理计算机里；
所述的双头星敏测姿装置，包括星敏感器a、星敏感器b、星敏基准六面体、星敏基座，其中，星敏感器a、星敏感器b和星敏基准六面体通过螺钉紧固在星敏基座上；双头星敏测姿装置输出的姿态即为星敏基准六面体的姿态；
所述的自调平伺服跟踪台，包括方位伺服跟踪轴、调平台面六面体、调平台俯仰框、调平台横滚框、横滚轴码盘、调平台基座、调平台基座六面体和俯仰轴码盘；
所述的方位伺服跟踪轴，包括方位电机和方位码盘，控制系统控制方位电机带动方位伺服跟踪轴顶部的双头星敏测姿装置相对调平台俯仰框旋转，方位码盘实时测出旋转角度；
所述的调平台俯仰框侧面安装有调平台面六面体，保证调平台面六面体对应面的法线与俯仰轴平行，通过螺钉紧固；
所述的调平台俯仰框通过俯仰轴系与调平台横滚框连接；调平台俯仰框远离俯仰轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台俯仰框沿俯仰轴系旋转运动；俯仰轴系的一端安装有俯仰轴码盘，用来实时测量俯仰轴旋转角度；
所述的调平台横滚框通过横滚轴系与调平台基座连接；调平台横滚框远离横滚轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台横滚框沿横滚轴系旋转运动；横滚轴系的一端安装有横滚轴码盘，用来实时测量横滚轴旋转角度；所述的自调平伺服跟踪台俯仰和横滚轴系正交，方位轴系与俯仰轴系正交；
所述的调平台基座的侧面安装有调平台基座六面体，保证调平台基座六面体对应面的法线与横滚轴平行，通过螺钉紧固；
所述的自调平伺服跟踪台装配完成后，调整其放置基座，使调平台横滚框的底面处于水平状态，调整俯仰和横滚轴系，使调平台俯仰框顶部仪器安装面处于水平状态，标定调平台面六面体和调平台基座六面体的姿态，使其姿态一致，记录下该状态下横滚轴码盘和俯仰轴码盘的角度值，记为“零位”。
进一步的，所述的双头星敏测姿装置，固定在自调平伺服跟踪台的方位伺服跟踪轴的顶部，自调平伺服跟踪台的调平台基座底部固定在刚性基座上，gps接收机的gps天线通过天线吸盘座吸附在整套装置的旁边，距离双头星敏测姿装置不超过1m。
进一步的，所述的双头星敏测姿装置安装到自调平伺服跟踪台后，标定星敏基准六面体和调平台面六面体的安装姿态，使其水平双向一致；转动伺服跟踪方位轴轴系，当星敏基准六面体和调平台面六面体的方位一致时，记录下方位码盘的角度值，记作方位“零位”值；当方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘角度处于“零位”角度时，保证星敏基准六面体、调平台面六面体和调平台基座六面体三者的三维姿态一致。
进一步的，所述的姿态测量仪固定在刚性基座上，校准测试过程中保证其相对刚性基座的姿态不变；姿态测量仪输出的姿态角为姿态基准六面体的姿态。
进一步的，所述的姿态测量仪安装到刚性基座时，要先标出调平台基座六面体与姿态基准六面体之间的关系，使其三个方向姿态一致；那么姿态测量仪输出的姿态角，也即调平台基座六面体的姿态角；基座须具备足够高的刚度，以保证在设备安装后和工作过程中调平台基座六面体和姿态基准六面体之间的姿态一致。
进一步的，所述的姿态测量仪工作在动基座环境下，如水面上系泊或航行中的舰、船，行驶中的车辆等，实时测量出其自身的三维姿态角，基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置也工作在动基座环境下。
进一步的，所述的gps接收机实时向星敏测姿装置提供原子钟的精确时间信息，大地经纬度信息，星敏测姿装置将大地经纬度和精确时间信息应用于星图匹配、姿态解算过程中。
进一步的，所述的自调平伺服跟踪台通过固连在调平台俯仰框上的惯性器件敏感基座摇摆角位移，反馈给控制系统对俯仰和横滚轴做反向调整，使调平台俯仰框上的仪器安装面处于水平状态，为双头星敏测姿装置滤除动基座的摇摆运动；另外，控制系统根据星敏测姿装置的反馈，通过控制方位伺服跟踪轴对目标天文星进行跟踪；还有，测量系统根据自调平伺服跟踪台方位、俯仰和横滚轴系上的测角元件实时输出的角度,对星敏测姿装置的姿态进行转换传递。
一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准方法，使用本发明所述的校准装置，包括以下步骤：
第1步，将所述的校准装置及被校设备安装在动基座上，保证装置周围较空旷无遮挡，以便于gps天线顺利接收gps卫星信号；
第2步，开机后，各单机设备开始工作，在某采样时刻，校准控制计算机对双头星敏测姿装置采样得到姿态角度分别为(ψx、θx、γx)，建立在东北天地理坐标系下的三维姿态矩阵
第3步，校准控制计算机分别对自调平伺服跟踪台上的方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘进行采样，并计算出方位、俯仰、横滚码盘相对于“零位”的转动角度为(δψ1、δθ1、δγ1)，组成姿态转换矩阵
第4步，根据姿态转换算法计算得出调平台基座六面体的姿态矩阵：
最后根据矩阵的数据计算出其三维姿态角度(ψt、θt、γt)；
第5步，校准控制计算机对姿态测量仪采样得到的姿态角分别为(ψgz、θgz、γgz)，亦即姿态基准六面体的姿态角；由于安装保证了调平台基座六面体和姿态基准六面体的三维姿态角的一致，因此，姿态测量仪测出的三个姿态角的误差分别为：
第6步，重复以上第1-5步，对各仪器设备重复采样，通过公式(1)、(2)计算得到多次采样数据和误差数据，实现对姿态测量仪测量精度的校准。
进一步的，第1步中，所述的动基座为船。
本发明的显著效果在于：采用的测量设备为星光测量装置和杠杆式自调平台、方位伺服跟踪机构，被测设备是基于激光惯组的高精度姿态测量系统，是两种不同的姿态测量方式，不存在共用的测量环节。另外，星光测量装置通过敏感天文星相对地球上某点的姿态，测姿精度高，动态性能能够满足要求，因此，该校准方案可行，能够达到对高精度姿态测量系统校准的目的。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置的结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准方法的数据采集示意图；
图中：1.姿态测量仪、2.姿态基准六面体、3.星敏感器a、4.星敏感器b、5.星敏基准六面体、6.星敏基座、7.方位伺服跟踪轴、8.调平台面六面体、9.调平台俯仰框、10.调平台横滚框、11.横滚轴码盘、12.调平台基座、13.调平台基座六面体、14.俯仰轴码盘、15.刚性基座、16.天线吸盘座、17.gps天线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置及方法作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，包括gps接收机、双头星敏测姿装置、自调平伺服跟踪台和刚性基座15，被校准设备为姿态测量仪1；
所述的gps接收机，包括天线吸盘座16、gps天线17和gps接收处理卡，gps天线17通过螺纹安装在天线吸盘座16顶部，gps接收处理卡嵌入在双头星敏测姿装置的处理计算机里；
所述的双头星敏测姿装置，包括星敏感器a3、星敏感器b4、星敏基准六面体5、星敏基座6，其中，星敏感器a3、星敏感器b4和星敏基准六面体5通过螺钉紧固在星敏基座6上；双头星敏测姿装置输出的姿态即为星敏基准六面体5的姿态；
所述的自调平伺服跟踪台，包括方位伺服跟踪轴7、调平台面六面体8、调平台俯仰框9、调平台横滚框10、横滚轴码盘11、调平台基座12、调平台基座六面体13和俯仰轴码盘14；
所述的方位伺服跟踪轴7，包括方位电机和方位码盘，控制系统控制方位电机带动方位伺服跟踪轴7顶部的双头星敏测姿装置相对调平台俯仰框9旋转，方位码盘实时测出旋转角度；
所述的调平台俯仰框9侧面安装有调平台面六面体8，保证调平台面六面体8对应面的法线与俯仰轴平行，通过螺钉紧固；
所述的调平台俯仰框9通过俯仰轴系与调平台横滚框10连接；调平台俯仰框9远离俯仰轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台俯仰框9沿俯仰轴系旋转运动；俯仰轴系的一端安装有俯仰轴码盘14，用来实时测量俯仰轴旋转角度；
所述的调平台横滚框10通过横滚轴系与调平台基座12连接；调平台横滚框10远离横滚轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台横滚框10沿横滚轴系旋转运动；横滚轴系的一端安装有横滚轴码盘11，用来实时测量横滚轴旋转角度；所述的自调平伺服跟踪台俯仰和横滚轴系正交，方位轴系与俯仰轴系正交；
所述的调平台基座12的侧面安装有调平台基座六面体13，保证调平台基座六面体13对应面的法线与横滚轴平行，通过螺钉紧固；
所述的自调平伺服跟踪台装配完成后，调整其放置基座，使调平台横滚框10的地面处于水平状态，调整俯仰和横滚轴系，使调平台俯仰框9顶部仪器安装面处于水平状态，标定调平台面六面体8和调平台基座六面体13的姿态，使其姿态一致，记录下该状态下横滚轴码盘11和俯仰轴码盘14的角度值，记为“零位”。
进一步的，所述的双头星敏测姿装置，固定在自调平伺服跟踪台的方位伺服跟踪轴7的顶部，自调平伺服跟踪台的调平台基座12底部固定在刚性基座15上，gps接收机的gps天线17通过天线吸盘座16吸附在整套装置的旁边，距离双头星敏测姿装置不超过1m。
进一步的，所述的双头星敏测姿装置安装到自调平伺服跟踪台后，标定星敏基准六面体5和调平台面六面体8的安装姿态，使其水平双向一致；转动伺服跟踪方位轴轴系，当星敏基准六面体5和调平台面六面体8的方位一致时，记录下方位码盘的角度值，记作方位“零位”值；当方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘角度处于“零位”角度时，保证星敏基准六面体5、调平台面六面体8和调平台基座六面体13三者的三维姿态一致。
进一步的，所述的姿态测量仪1固定在刚性基座15上，校准测试过程中保证相对刚性基座15的姿态不变；姿态测量仪1输出的姿态角为姿态基准六面体2的姿态。
进一步的，所述的姿态测量仪1安装到刚性基座15时，要先标出调平台基座六面体13与姿态基准六面体2之间的关系，使其三个方向姿态一致；那么姿态测量仪1输出的姿态角，也即调平台基座六面体13的姿态角；基座15须具备足够高的刚度，以保证在设备安装后和工作过程中调平台基座六面体13和姿态基准六面体2之间的姿态一致。
进一步的，所述的姿态测量仪1工作在动基座环境下，如水面上系泊或航行中的舰、船，行驶中的车辆等，实时测量出其自身的三维姿态角，基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置也工作在动基座环境下。
进一步的，所述的gps接收机实时向星敏测姿装置提供原子钟的精确时间信息，大地经纬度信息，星敏测姿装置将大地经纬度和精确时间信息应用于星图匹配、姿态解算过程中。
进一步的，所述的自调平伺服跟踪台通过固连在调平台俯仰框9上的惯性器件敏感基座摇摆角位移，反馈给控制系统对俯仰和横滚轴做反向调整，使调平台俯仰框9上的仪器安装面处于水平状态，为双头星敏测姿装置滤除动基座的摇摆运动；另外，控制系统根据星敏测姿装置的反馈，通过控制方位伺服跟踪轴7对目标天文星进行跟踪；还有，测量系统根据自调平伺服跟踪台方位、俯仰和横滚轴系上的测角元件实时输出的角度,对星敏测姿装置的姿态进行转换传递。
如图2所示，一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准方法，使用本发明所述的校准装置，包括以下步骤：
第1步，将所述的校准装置及被校设备安装在动基座上，保证装置周围较空旷无遮挡，以便于gps天线17顺利接收gps卫星信号；
第2步，开机后，各单机设备开始工作，在某采样时刻，校准控制计算机对双头星敏测姿装置采样得到姿态角度分别为(ψx、θx、γx)，建立在东北天地理坐标系下的三维姿态矩阵
第3步，校准控制计算机分别对自调平伺服跟踪台上的方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘进行采样，并计算出方位、俯仰、横滚码盘相对于“零位”的转动角度为(δψ1、δθ1、δγ1)，组成姿态转换矩阵
第4步，根据姿态转换算法计算得出调平台基座六面体13的姿态矩阵：
最后根据矩阵的数据计算出其三维姿态角度(ψt、θt、γt)；
第5步，校准控制计算机对姿态测量仪采样得到的姿态角分别为(ψgz、θgz、γgz)，亦即姿态基准六面体2的姿态角；由于安装保证了调平台基座六面体和姿态基准六面体2的三维姿态角的一致，因此，姿态测量仪测出的三个姿态角的误差分别为：
第6步，重复以上第1-5步，对各仪器设备重复采样，通过公式(1)、(2)计算得到多次采样数据和误差数据，实现对姿态测量仪1测量精度的校准。
进一步的，第1步中，所述的动基座为船。
1.一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：包括gps接收机、双头星敏测姿装置、自调平伺服跟踪台和刚性基座(15)，被校准设备为姿态测量仪(1)；
所述的gps接收机，包括天线吸盘座(16)、gps天线(17)和gps接收处理卡，gps天线(17)通过螺纹安装在天线吸盘座(16)顶部，gps接收处理卡嵌入在双头星敏测姿装置的处理计算机里；
所述的双头星敏测姿装置，包括星敏感器a(3)、星敏感器b(4)、星敏基准六面体(5)、星敏基座(6)，其中，星敏感器a(3)、星敏感器b(4)和星敏基准六面体(5)通过螺钉紧固在星敏基座(6)上；双头星敏测姿装置输出的姿态即为星敏基准六面体(5)的姿态；
所述的自调平伺服跟踪台，包括方位伺服跟踪轴(7)、调平台面六面体(8)、调平台俯仰框(9)、调平台横滚框(10)、横滚轴码盘(11)、调平台基座(12)、调平台基座六面体(13)和俯仰轴码盘(14)；
所述的方位伺服跟踪轴(7)，包括方位电机和方位码盘，控制系统控制方位电机带动方位伺服跟踪轴(7)顶部的双头星敏测姿装置相对调平台俯仰框(9)旋转，方位码盘实时测出旋转角度；
所述的调平台俯仰框(9)侧面安装有调平台面六面体(8)，保证调平台面六面体(8)对应面的法线与俯仰轴平行，通过螺钉紧固；
所述的调平台俯仰框(9)通过俯仰轴系与调平台横滚框(10)连接；调平台俯仰框(9)远离俯仰轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台俯仰框(9)沿俯仰轴系旋转运动；俯仰轴系的一端安装有俯仰轴码盘(14)，用来实时测量俯仰轴旋转角度；
所述的调平台横滚框(10)通过横滚轴系与调平台基座(12)连接；调平台横滚框(10)远离横滚轴系的一端安装有电机和丝杠，控制系统控制电机旋转，电机带动丝杠起落，使调平台横滚框(10)沿横滚轴系旋转运动；横滚轴系的一端安装有横滚轴码盘(11)，用来实时测量横滚轴旋转角度；所述的自调平伺服跟踪台俯仰和横滚轴系正交，方位轴系与俯仰轴系正交；
所述的调平台基座(12)的侧面安装有调平台基座六面体(13)，保证调平台基座六面体(13)对应面的法线与横滚轴平行，通过螺钉紧固；
所述的自调平伺服跟踪台装配完成后，调整其放置基座，使调平台横滚框(10)的底面处于水平状态，调整俯仰和横滚轴系，使调平台俯仰框(9)顶部仪器安装面处于水平状态，标定调平台面六面体(8)和调平台基座六面体(13)的姿态，使其姿态一致，记录下该状态下横滚轴码盘(11)和俯仰轴码盘(14)的角度值，记为“零位”。
2.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的双头星敏测姿装置，固定在自调平伺服跟踪台的方位伺服跟踪轴(7)的顶部，自调平伺服跟踪台的调平台基座(12)底部固定在刚性基座(15)上，gps接收机的gps天线(17)通过天线吸盘座(16)吸附在整套装置的旁边，距离双头星敏测姿装置不超过1m。
3.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的双头星敏测姿装置安装到自调平伺服跟踪台后，标定星敏基准六面体(5)和调平台面六面体(8)的安装姿态，使其水平双向一致；转动伺服跟踪方位轴轴系，当星敏基准六面体(5)和调平台面六面体(8)的方位一致时，记录下方位码盘的角度值，记作方位“零位”值；当方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘角度处于“零位”角度时，保证星敏基准六面体(5)、调平台面六面体(8)和调平台基座六面体(13)三者的三维姿态一致。
4.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的姿态测量仪(1)固定在刚性基座(15)上，校准测试过程中保证其相对刚性基座(15)的姿态不变；姿态测量仪(1)输出的姿态角为姿态基准六面体(2)的姿态。
5.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的姿态测量仪(1)安装到刚性基座(15)时，要先标出调平台基座六面体(13)与姿态基准六面体(2)之间的关系，使其三个方向姿态一致；那么姿态测量仪(1)输出的姿态角，也即调平台基座六面体(13)的姿态角；基座(15)须具备足够高的刚度，以保证在设备安装后和工作过程中调平台基座六面体(13)和姿态基准六面体(2)之间的姿态一致。
6.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的姿态测量仪(1)工作在动基座环境下，如水面上系泊或航行中的舰、船，行驶中的车辆等，实时测量出其自身的三维姿态角，基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置也工作在动基座环境下。
7.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的gps接收机实时向星敏测姿装置提供原子钟的精确时间信息，大地经纬度信息，星敏测姿装置将大地经纬度和精确时间信息应用于星图匹配、姿态解算过程中。
8.如权利要求1所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准装置，其特征在于：所述的自调平伺服跟踪台通过固连在调平台俯仰框(9)上的惯性器件敏感基座摇摆角位移，反馈给控制系统对俯仰和横滚轴做反向调整，使调平台俯仰框(9)上的仪器安装面处于水平状态，为双头星敏测姿装置滤除动基座的摇摆运动；另外，控制系统根据星敏测姿装置的反馈，通过控制方位伺服跟踪轴(7)对目标天文星进行跟踪；还有，测量系统根据自调平伺服跟踪台方位、俯仰和横滚轴系上的测角元件实时输出的角度,对星敏测姿装置的姿态进行转换传递。
9.一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准方法，其特征在于，使用权利要求1所述的校准装置，包括以下步骤：
第1步，将所述的校准装置及被校设备安装在动基座上，保证装置周围较空旷无遮挡，以便于gps天线(17)顺利接收gps卫星信号；
第2步，开机后，各单机设备开始工作，在某采样时刻，校准控制计算机对双头星敏测姿装置采样得到姿态角度分别为(ψx、θx、γx)，建立在东北天地理坐标系下的三维姿态矩阵cxt；
第3步，校准控制计算机分别对自调平伺服跟踪台上的方位轴、俯仰轴和横滚轴码盘进行采样，并计算出方位、俯仰、横滚码盘相对于“零位”的转动角度为(δψ1、δθ1、δγ1)，组成姿态转换矩阵
第4步，根据姿态转换算法计算得出调平台基座六面体(13)的姿态矩阵：
最后根据矩阵的数据计算出其三维姿态角度(ψt、θt、γt)；
第5步，校准控制计算机对姿态测量仪采样得到的姿态角分别为(ψgz、θgz、γgz)，亦即姿态基准六面体(2)的姿态角；由于安装保证了调平台基座六面体和姿态基准六面体(2)的三维姿态角的一致，因此，姿态测量仪测出的三个姿态角的误差分别为：
第6步，重复以上第1-5步，对各仪器设备重复采样，通过公式(1)、(2)计算得到多次采样数据和误差数据，实现对姿态测量仪(1)测量精度的校准。
10.如权利要求9所述的一种基于星光测量的姿态测量仪精度校准方法，其特征在于：第1步中，所述的动基座为船。
技术总结