1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。
三轴姿态角度测量 非接触测量 位置敏感探测器 滤波带宽 响应频率 three-axis attitude angle measurement non-contact measurement position sensitive detector filter bandwidth response frequency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230543
中国人民解放军95859部队，甘肃 酒泉 735018
光电经纬仪测量飞行目标的姿态角是重要的测姿手段。提出了一种利用实时动态载波相位差分技术（RTK）定位的无人机对光电经纬仪的测姿精度进行检测的方法。该方法将无人机RTK天线中心点与地面基准点构成的连线作为待测姿态角的轴线，通过RTK定位值计算出轴线与基准面之间的夹角，并以此作为姿态角的标准值来检测光电经纬仪测姿精度。介绍了测姿精度检测原理，对RTK定位精度和检测精度进行了不确定度分析，探讨了在精度检测时的设备布站规则。理论分析和实验结果表明：所提方法可以用于光电经纬仪测姿精度的外场检测。
姿态角 精度检测 实时动态载波相位差分技术 无人机 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512002
1 北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室,北京 100000
2 中国人民解放军63961部队,北京 100000
目前单兵使用筒式发射弹药大都基于前置法提高命中概率,依赖于射手对目标运动信息的估计。目标运动信息主要包括目标相对于射手横向运动的角速率和偏航角,以及目标在弹目连线方向(径向)上的速度。据此提出一种利用固定在发射筒上的MIMU实时测量目标运动信息的方案,使用卡尔曼滤波算法去除传感器数据中的噪声,使用等效旋转矢量法进行姿态解算得到姿态角。设计了试验样机,通过试验验证了方案的可行性,试验结果显示,在5°和28°发射角情况下,目标运动横向角速率最大偏差分别为0.001 5 (°)/s和0.002 5 (°)/s,从而使得射手能够精确获取目标运动信息,进而提高射击精度并减轻操作负担。
微惯性测量单元 目标信息估计 角速率 姿态角 单兵** MIMU target information estimation angular rate attitude angle individual weapon
1 湖北航天技术研究院总体设计所,武汉 430040
2 火箭军驻武汉第一军事代表室,武汉 430040
针对捷联惯性导航系统高精度快速对准的需求,在传统位置观测滤波方案的基础上,提出一种基于姿态角不变约束的捷联惯性导航系统快速初始对准方法。该方法利用静基座条件下初始体坐标系相对于体坐标系的等效旋转矢量保持不变或变化很小的特点,建立了系统状态模型和量测模型,采用闭环卡尔曼滤波完成精对准。仿真及测试结果表明,相比于传统方案,该方案能明显提升对准精度,方位对准精度提高了43%,便于工程应用,且应用效果良好。
捷联惯性导航系统 姿态角不变约束 快速自对准 卡尔曼滤波 strapdown inertial navigation system constraint of constant attitude angle fast self-alignment Kalman filter
空军工程大学航空工程学院, 陕西 西安 710038
通过建立目标光谱辐射的包络模型和目标姿态角的动态特征模型,分析了目标机动模式与姿态角变化率之间的关系。建立了红外辐射的响应信号模型,并对影响信号特征的关键因素进行了理论分析。结果表明,空间距离的指数项和高次幂项是影响红外辐射信号幅度整体变化趋势的主要因素,目标姿态角的变化率对红外辐射响应信号的局部特征影响显著,且红外辐射响应信号的时间导数与目标姿态角的变化率成正比。选取三种典型的目标机动模式进行了仿真实验,结果表明,不同机动模式下目标红外辐射响应特征信号的差异性显著,这为目标机动模式的识别提供了可行性,对空间机动目标的跟踪、机动检测和态势评估具有较大意义。
探测器 红外辐射 特征信号 姿态角变化率 机动模式
为了满足车载光电侦察系统在野外环境下能够实时快速将目标信息分享给相关辅助**系统，提出了一种不同光电平台共享目标信息的方法，并给出了该方法的误差分析。该方法通过引入光电侦察系统的平台姿态角、辅助**系统的平台姿态角等信息，确保光电侦察系统侦察到的目标信息能够实时、准确地传递给辅助**系统。为了验证该方法的准确性，通过建模分析，得出该方法能够实现目标信息的共享；通过仿真试验对该方法的误差进行分析，得出该方法转化后的目标信息比直接使用采集到的目标信息在精度方面提高了大约3.5 m。
光电侦察 目标信息 轴系转换 姿态角 electro-optical reconnaissance target information shaft system conversion attitude angle
1 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学 微光机电系统技术教育部重点实验室, 天津 300072
3 中国石油天然气管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000
针对目标跟踪处理系统中的视线角速率提取问题, 提出一种利用单成像探测器所得序列图像求导视线角速率的方法。利用序列图像中的运动目标图像坐标解算得到体视线角, 通过图像匹配得到弹体姿态角, 进而求解得到视线角速率。实验结果表明: 结合图像跟踪算法可实时得到体视线角, 使用图像匹配可以较好地解算得到弹体姿态角, 解算结果误差小于±5%; 在体视线角和弹体姿态角均包含噪声的前提下, 使用卡尔曼滤波可以较好地还原视线角速率。该方法适用于微小型飞行器制导探测, 可以省去陀螺仪等惯性元件, 实现探测装置的轻量化、小型化, 具有实际的应用价值。
视线角速率 体视线角 弹体姿态角 序列图像 LOS angular rate body LOS angle missile attitude angle sequence image 红外与激光工程
2017, 46(8): 0828001
靶场现有落点坐标测试设备大多数基于地面观测平台，存在通视要求的局限性，无法及时预测落点概略坐标，且对于连发密集型射击试验无法区分弹序。针对该问题，根据物点与像点的几何位置关系，提出了3种将观测平台设置为空中的无人机弹丸落点测量方法: 内差法、距离比例法以及求解姿态角法。介绍了3种算法的基本原理和数学模型，然后结合模拟试验现场的测试数据对3种方法进行了验证，最后计算出满足要求所需要的相机最低技术指标。实验结果表明: 内差法和比例法测量精度低于3 m，求解姿态角法的精度小于0.3 m。
无人机 弹丸落点测量 内差法 比例法 姿态角法 unmanned aerial vehicle projectile falling point positioning interpolation method distance ratio method attitude angle solved method
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高跟瞄转台出射激光的指向精度, 研究了快速反射镜(FSM)姿态角与转台跟踪误差间的关系, 提出了FSM姿态角的高精度解算方法。介绍了跟瞄转台出射激光的光路特点和FSM的工作原理; 确定了坐标系中入射光与出射光的方向, 依据坐标变换理论和光的反射定律, 建立了FSM反射镜姿态角与转台跟踪误差间的函数关系。然后, 推导出姿态角的解析表达式, 描述了姿态角的空间分布规律, 并从解析表达式中推出了近似表达式, 确定了近似表达式引入的指向误差。最后, 通过指向精度实验验证了姿态角解算方法的正确性。实验结果表明: 在跟踪误差不超过(A 12.9′, E 13.5′)时, 应用姿态角解析表达式和近似表达式均能取得优于2.5″的指向精度; 跟踪误差增大为(A 38.6′, E 37.8′)时, 解析表达式对应的指向误差仍低于2.5″, 而近似表达式对应的指向误差迅速增大为13.2″。得到的结果显示: FSM姿态角的解析表达式不存在原理误差, 在任意跟踪误差下均能使出射激光具有高精度指向能力, 且其形式简洁, 满足伺服控制器快速运算的要求。
快速反射镜 跟瞄转台 指向精度 姿态角 解析表达式 fast steering mirror tracking turntable pointing accuracy attitude angle analytic expression
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。
三维姿态角测量 角度测量装置 二维自准直仪 滚转角 俯仰角 偏摆角 标定 three-dimensional attitude angle measurement angle measuring device two-axis autocollimator roll angle pitch angle yaw angle calibration
