卫星定位定向仪校准三轴转台设计研究

卫星定位定向仪校准三轴转台设计研究
发表时间：2021-01-04T06:23:42.706Z 来源：《现代电信科技》2020年第13期作者：胡文静黄崧[导读] 比较常见自由度转台，一般在飞行控制元件、陀螺仪的仿真测试中应用，主要使用的为内外套框、环形/U型臂结构，这一类型转台具有重量大、结构复杂特点，所以会对卫星定位定向仪安装构成一定影响，无法在较短时间内顺利实施室外卫星定位信号搜索工作。

（南京天择防务科技有限公司江苏南京 210000）
摘要：卫星定向技术多在船舶定向、车辆管理、惯导辅助、双天线测量等领域中应用，比较常用的设备为卫星定位定向仪，因其不会受到磁场因素、漂移误差因素所影响，可达到三轴交汇的效果，但因结构比较复杂，所以需要合理设计卫星定位定向仪校准三轴转台，进行多角度转台测试。

本文主要对卫星定位定向仪校准三轴转台系统功能设计、选型、工作原理、设计等情况进行研究。

关键词：卫星定位；定位定向仪；校准设计；三轴转台
一、卫星定位定向仪校准转台设计分析
比较常见自由度转台，一般在飞行控制元件、陀螺仪的仿真测试中应用，主要使用的为内外套框、环形/U型臂结构，这一类型转台具有重量大、结构复杂特点，所以会对卫星定位定向仪安装构成一定影响，无法在较短时间内顺利实施室外卫星定位信号搜索工作。

为防止受到转台测试件尺寸因素所致遮挡影响，可使用独立三轴结构设计，将开放空间应用于不同类型卫星定位定向仪天线安装中，确保天线于室外不会受到结构因素所影响，及时接收GNSS信号。

不同旋转轴空间为垂直的状态，旋转轴通过独立电机驱动、具有独立驱动控制单元，可以确保不同轴向运动，不会受到相关因素所影响。

转台没有齿轮传动部件，在结构简单、支持直流供电方面的优势突出，故此可在室外环境下作业，同时转台底座、不同支撑结构使用的为轻质铝板，对总体重量控制的同时能在轴向连接位置，合理设置三角筋板，从而保证结构更加稳定。

另外转台底部为平坦的状态，具有连接装置能在机动车车顶位置固定，对运动状况进行测试。

二、转台驱动系统选型研究
驱动涉及直驱伺服电机、驱动器，以及控制器、逆变电源和软件等，通过研究发现使用直驱伺服电机、驱动器的效果较好。

建议通过电机、编码器组合方式驱动，严格控制成本的同时减小扭矩，不足：速率慢、易丢失，无法达到项目相关三轴承重方面的相关标准。

伺服电机具备编码器能及时反馈信号于控制器，这时可形成闭环控制系统，不但抗过载能力较强、反应速度非常快，而且在低速状态下同样不会发生自转的问题，一般伺服电机比较容易出现伺服电机过冲的情况，通过补偿方法处理容易对运动精度造成直接影响。

针对于此，建议选择力矩伺服机，主要在一般伺服电机之上进行驱动，以此确保运动的精度、负载能力。

经直驱伺服电机处理，由于内部存在减速装置可谐波驱动，及时输出转矩约为450Nm，内置位置、绝对位置编码器，转动定位精度约为0.06°，因此能够达到项目0.03°旋转的需要。

控制器经控制模块、上位机和电源等部分构成，支持不同类型驱动单元，值得一提的是控制器作为一体式机箱，会使用intelX86处理器，支持CE 操作系统的同时能提供PC端接口，便于为扩展连接、升级和开发等提供良好支持。

交互端应用软件操作，能达到最小转动角度脉冲、转动范围的要求，将控制转速的范围保持为≤10″/ms。

经使用逆变器控制操作系统，并且提供24V直流供电转换，三轴转台的结构比较简单、拆卸简便，可降低控制系统功耗。

三、卫星定位定向仪校准三轴转台系统设计研究（一）工作原理
通过光学编码盘光电轴角编码器进行角度测量，光电轴角编码器可对光学编码盘、外转子角位移作以编码处理，主要通过连轴工装的作用进行光学编码盘装置、转台旋转轴连接作业。

实行角度测量杆的目的，为确保光学编码盘外转子基座、转台基座达到固定的要求。

测试转台轴角位移，经和工装传递内转子方式实行连接，光电轴角编码器可促使角度位移——数字信号发生转变，如此能够清楚在计算机上显示数字信号。

（二）设计要点
1、测量耦合方式设计要点
联系光电轴角编码器测量角特点，在测量期间分析光电轴角编码器测试轴转角量，做好光学编码盘、测试件连接工作。

一般情况下通过紧固连接方法处理，然而这种方法的应用要求比较高、操作复杂，而且安装平行度关系到测量结果、光电轴角编码器安全性，无法达到现场测试和快速测试的需要。

针对于此，应施行连接工装轴紧固连接处理，借助角度测量杆动态连接方式，实现半刚性耦合的效果。

这种测量方式为对连接工装轴和测试轴中心锥孔，实行轴紧固连接，设计的时候需考虑到光电轴角编码器静止状态因素，建议安装刚性角度测量杆，同时和测试件基准座作以动态接触连接。

测试轴发生转动，经连接工装轴、光学编码盘空心轴作以传递耦合处理，以此读取测试轴转角数值。

2、定位安装平台设计要点
固定支撑平台应用的为水平两端锁紧螺母，因而可促使平台压紧于转台基座位置，平台端侧可支撑转台基座，和数值显示器铰接、便于调整数值显示器的角度。

3、信号处理、数码显示器设计要点
使用需按光学编码盘，通过整形电路获取脉冲信号，然后经通信接口实现数据传送的效果。

同时，使用CPU处理脉冲信号，通过数码显示器将结果显示出来。

4、侧角组间设计要点
侧角组件通过角度测量杆、光学编码盘构成，前者因为浮动、杆外顺着边线在转台基座固定，内转子角度能经编码电脉冲进行输出；后者内外转子旋转角发生位移，通过光电轴角编码器编码，可转换为角度数字量脉冲信号实行输出。

角度测量部件选择的为封闭式空心轴承光扫描光学编码盘，存在部件封闭应外壳的特点，光电单元和转动机构不会受到灰尘因素、杂质因素所影响。

另外，转动机构安装轴承不易发生较大转动摩擦，通过增量循环码计数便于为更好的处理数据提供良好的支持，光电轴角编码器测量轴转角，应用工装和标准端孔转轴进行连接，能确保安装简便、降低系统误差，而且有助于在较短时间顺利完成相关测量工作。

（三）测试及校准
通过三轴转台设计，明确航向角测量的范围在360°以内、测量的精度设置为0.03°，俯仰角、测量精度、横滚角的测量范围及精度分别为：60°、0.03°、70°、0.03°，主要对全程及往返情况进行测试，通常会实行3次测量、取平均值。

测试前将回转轴校准装置，安装在转轴中心位置，三轴转台安装和功能误差控制在0.6cm左右，经研究发现X轴、Y轴补偿后返程误差较低，而且定位误差、重复性误差为稳定的状态。

结束语：
三轴转台结构比较特殊，具有体积小、重量轻及易于安装、拆卸等特点，所以非常适合在卫星定位定向设备中应用，且通过测试可进一步校准提高转台转动的精度、稳定性，因而进行该方面的设计研究非常必要，以便不断优化系统、降低转台回城误差。

在卫星定位领域中合理应用校准三轴转台，可更加充分发挥出其应用价值。

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