用于月球及深空巡视器导航控制性能的地面室内验证方法

摘要

用于月球及深空巡视器导航控制性能的地面室内验证方法，通过坐标转换得到真实的位置、速度和姿态信息，将真实的位置、速度和姿态信息与巡视器导航计算得到的位置、速度和姿态信息做差，得到验证导航控制性能的参数，从而实现在地面验证导航控制性能。本发明提出的验证方案具有组成简便完备、验证项目全面、实时性好、精度高、跟踪能力强、试验连续性和自主性好、试验过程操作简便、试验设备性价比高等优点，能够同时验证姿态、速度、位置等导航信息的精度以及航向角控制精度；本发明所用的iGPS系统可实时高精度测量巡视器的真实位置、姿态，为评价导航控制性能提供基准，iGPS适用于室内测量，对试验场地无特殊要求，可增强对巡视器的试验验证能力；本发明所采用的公共标识能同时为iGPS和经纬仪提供测量目标，克服了iGPS测量和经纬仪测量之间转换的困难。

主权项

1.用于月球及深空巡视器导航控制性能的地面室内验证方法，其特征在于通过以下步骤实现：第一步，构建导航控制性能地面验证系统，导航控制性能地面验证系统包括iGPS系统、真北标识设备、3台经纬仪和若干公共标识，iGPS系统包括四台激光发射器和四个接收器，真北标识设备由安装在地基台上的立方镜组成，公共标识为安装接收器的同心圆环；第二步，建立北-东-地坐标系F_n和真北指示立方镜坐标系F_d，得到F_n和F_d的转换矩阵第三步，在室内试验场地四端固定安装四台激光发射器，建立iGPS系统测量坐标系F_r；第四步，建立真北指示立方镜坐标系F_d与iGPS系统测量坐标系F_r的转换矩阵A4.1、在室内试验场地设置4个公共标识作为控制点，利用三台经纬仪联机互瞄得到控制点在真北指示立方镜坐标系F_d下的坐标[x_di0 y_di0 z_di0]^T，i＝1，2，3，4，即$C_1={\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{di}0}& y_{\mathrm{di}0}& z_{\mathrm{di}0}\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{d10}& x_{d20}& x_{d30}& x_{d40}\\ y_{d10}& y_{d20}& y_{d30}& y_{d40}\\ z_{d10}& z_{d20}& z_{d30}& z_{d40}\end{array}\right]---\left(1\right);$A4.2、将四个接收器安装在4个公共标识上，利用iGPS系统得到控制点在iGPS系统测量坐标系F_r下的坐标[x_ri0 y_ri0 z_ri0]^T，i＝1，2，3，4，即$C_2={\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{ri}0}& y_{\mathrm{ri}0}& z_{\mathrm{ri}0}\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{r10}& x_{r20}& x_{r30}& x_{r40}\\ y_{r10}& y_{r20}& y_{r30}& y_{r40}\\ z_{r10}& z_{r20}& z_{r30}& z_{r40}\end{array}\right]---\left(2\right);$A4.3、利用公式(1)和(2)通过公式(3)得到真北指示立方镜坐标系F_d与iGPS系统测量坐标系F_r的转换矩阵$C_d^r=C_2{C_1}^T{\left(C_1{C_1}^T\right)}^{-1}---\left(3\right);$第五步，利用公式(4)得到北-东-地坐标系F_n与iGPS系统测量坐标系F_r的转换矩阵$C_n^r=C_n^d{C}_d^r---\left(4\right);$第六步，在巡视器上安装立方镜，建立巡视器本体坐标系F_b；第七步，将4个公共标识安装在巡视器上表面，在4个公共标识安装四个接收器；第八步，利用三台经纬仪联机互瞄得到第七步中安装在巡视器上表面的四个接收器在巡视器本体坐标系Fb中的坐标C₃，$C_3={\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{bi}}& y_{\mathrm{bi}}& z_{\mathrm{bi}}\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{b1}& x_{b2}& x_{b3}& x_{b4}\\ y_{b1}& y_{b2}& y_{b3}& y_{b4}\\ z_{b1}& z_{b2}& z_{b3}& z_{b4}\end{array}\right],i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(5\right);$第九步，实时获得iGPS测量坐标系F_r与巡视器本体坐标系F_b的转换矩阵A9.1、安装了四个接收器的巡视器在室内试验场地运动，利用iGPS系统获得四个接收器在iGPS测量坐标系Fr中的坐标C₄，$C_4={\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{ri}}& y_{\mathrm{ri}}& z_{\mathrm{ri}}\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{r1}& x_{r2}& x_{r3}& x_{r4}\\ y_{r1}& y_{r2}& y_{r3}& y_{r4}\\ z_{r1}& z_{r2}& z_{r3}& z_{r4}\end{array}\right],i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(6\right);$A9.2、利用第八步得到的安装在巡视器上表面的四个接收器在巡视器本体坐标系Fb中的坐标C₃和步骤A9.1得到的四个接收器在iGPS测量坐标系Fr中的坐标C₄，根据公式(7)得到iGPS测量坐标系Fr与巡视器本体坐标系Fb的转换矩阵$C_r^b=C_3{C_4}^T{\left(C_4{C_4}^T\right)}^{-1}---\left(7\right);$第十步，实时获得巡视器本体坐标系Fb在北-东-地坐标系Fn的位置、姿态与速度信息，A10.1、利用公式(8)得到巡视器本体坐标系Fb在iGPS测量坐标系Fr中的实时位置信息P_r，$P_r=\frac{1}{k}\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}(x_{\mathrm{ri}}-x_{\mathrm{bi}})\\ \underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}(y_{\mathrm{ri}}-y_{\mathrm{bi}})\\ \underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}(z_{\mathrm{ri}}-z_{\mathrm{bi}})\end{array}\right]---\left(8\right)$其中k为接收到激光发射器有效信号的接收器个数，且k≥3；A10.2、利用公式(9)得到巡视器本体坐标系Fb在北-东-地坐标系Fn中的实时位置信息P_n，$P_n={\left[\begin{array}{ccc}{x}_n& y_n& z_n\end{array}\right]}^T={C_n^r}^T{P}_r---\left(9\right);$A10.3、利用公式(10)得到巡视器本体坐标系Fb相对iGPS测量坐标系Fr的姿态信息其中r、p和ψ为巡视器滚动、俯仰和航向姿态角，-90°＜r_r＜90°，-90°＜p_r＜90°，-180°＜ψ_r≤180°，表示矩阵中的第i′行第j′列的元素；A10.4、利用公式(11)得到巡视器本体坐标系Fb相对北-东-地坐标系Fn中的实时姿态信息A10.5利用公式(12)获得巡视器本体坐标系Fb相对北-东-地坐标系Fn的速度信息V_n，$V_n={\left[\begin{array}{ccc}{v}_{\mathrm{nx}}& v_{\mathrm{ny}}& v_{\mathrm{nz}}\end{array}\right]}^T=\frac{\left[\begin{array}{c}{x}_n-x_{\mathrm{nlast}}\\ y_n-y_{\mathrm{nlast}}\\ z_n-z_{\mathrm{nlast}}\end{array}\right]}{\mathrm{\Delta T}}---\left(12\right)$其中，x_n、y_n和z_n为步骤A10.2得到的本次位置获取时刻的巡视器本体坐标系Fb在北-东-地坐标系Fn中的位置信息，x_nlast、y_nlast和z_nlast为上一位置获取时刻得到的实时位置信息，ΔT是本次位置确定时刻距上次位置获取时刻的时间差；第十一步，导航控制性能验证，A11.1、巡视器自主导航运算实时得到位置P_m、姿态和速度V_m；A11.2、根据步骤A11.1得到的位置P_m、姿态和速度V_m和第十步的得到的位置P_n、姿态和速度V_n，利用公式组(13)得到导航性能评价参数ΔP(t)、ΔV(t)、和ψ_c(t)，ΔP(t)＝|P_n(t)-P_m(t)|ΔV(t)＝|V_n(t)-V_m(t)|(13)Δψ(t)＝|ψ_n(t)-ψ_c(t)|其中，t为时间，且t＝0～T，T为试验时间，ψ_c(t)是t时刻的期望航向角度，ψ_n(t)是t时刻的巡视器本体坐标系Fb相对北-东-地坐标系Fn中的航向角度；A11.3、对步骤A11.2得到导航性能评价参数ΔP(t)、ΔV(t)、和ψ_c(t)在试验时间T内的均值和均方差，利用均值和均方差来评价巡视器导航控制的精度和稳定度和巡视器航向角控制精度和稳定度。