CN102168989B - 一种pos方位精度和姿态精度的地面测试方法 - Google Patents

Abstract

一种位置姿态测量系统(Position and Orientation System，POS)方位精度和姿态精度的地面测试方法。本发明涉及一种利用三轴精密转台进行POS的方位精度和姿态精度测试的方法，该方法将POS中的惯性测量单元IMU安装在三轴精密转台上，在三轴精密转台调平并指北的情况下，通过转台实现六次IMU的方位轴180°旋转和横滚轴0°～±20°～0°旋转，模拟航空摄影测量时飞机典型航迹，再以转台提供的高精度方位角和水平姿态角姿态信息为基准计算POS输出的方位角和水平姿态角的RMS误差及STD误差。本发明具有精度高、简单实用、成本低的特点，可用于在地面测试各类POS的方位精度和姿态精度。

Description

一种POS方位精度和姿态精度的地面测试方法

技术领域

本发明涉及一种利用精密转台精确测量位置姿态测量系统(Position andOrientation System，POS)的方位精度和姿态精度的地面测试方法。

背景技术

航空遥感系统是以飞机为载体，利用航空遥感载荷获取地球表面及表层的大范围、高精度、多层次空间信息的战略高技术，对国家经济建设和国家安全具有重大作用，是当今世界高速发展和激烈竞争的技术领域。

航空遥感系统进行高分辨率成像时要求载荷在空间做匀速直线、姿态平稳的理想运动，但飞机受到阵风、湍流等外部扰动的影响，使得载荷必然偏离理想运动轨迹，导致成像分辨率严重降质。因此，为实现航空遥感系统的高精度成像，必须精确测量出载荷相位中心的位置、速度和姿态等运动参数，并在成像过程中进行补偿。

位置姿态系统(Position and Orientation System，POS)是一种精确测量航空遥感载荷相位中心位置、速度和姿态的精密仪器，它由惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)、全球卫星定位系统、POS计算机(PCS)和后处理软件等组成，已成为制约我国高分辨遥感系统技术发展的技术瓶颈。

POS的精度包含位置精度、速度精度、方位精度和水平姿态精度，对于位置精度和速度精度的测试相对简单，可用厘米级载波相位差分GNSS系统作为测试基准，计算POS的位置精度和速度精度。但是，由于在航空遥感飞机飞行过程中无法获取载荷准确的方位角和水平姿态角，POS的方位精度和姿态精度测试成为了POS测试中的一个难题。

目前，测试POS方位精度和姿态精度的方法是通过航空遥感成像与地面控制点结合的方法。航空摄影测量飞机的典型作业航迹为：飞机进入第1条航摄带，直线飞行时间t1并连续成像，然后做正向旋转180°转弯进入第2条航摄带，再直线飞行时间t2，然后做逆向旋转180°转弯进入第3条航摄带，重复以上步骤直至完成整个航摄区域的作业。利用各个航摄带成的遥感图像和地面控制点，计算出遥感载荷相位中心的方位角和水平姿态角，并将之作为基准测试POS的方位精度和姿态精度。这种测试方法必须和遥感载荷联合进行飞行试验才能测试出POS的方位精度和姿态精度，试验复杂、成本高、周期长，而且此测试方法的置信度受遥感载荷精度的影响。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种POS方位精度和姿态精度的地面测试方法，该方法减小了POS精度测试的成本和实验复杂度，测试过程简单且精度高，后处理过程计算量小且能精确给出POS的方位精度和姿态精度。

本发明的技术解决方案为：一种POS方位精度和姿态精度的地面测试方法，将POS中的IMU安装在三轴精密转台上，在三轴精密转台调平并指北的情况下，通过转台实现六次IMU的方位轴180°旋转和横滚轴0°→±20°→0°旋转，模拟航空摄影测量时飞机的典型航迹，再以转台提供的高精度姿态信息为基准计算POS系统的方位角和水平姿态角的RMS误差及STD误差。

具体步骤如下：

(1)将POS中IMU安装在转台基准面上，使IMU的两个水平轴与转台的两个水平轴平行，调整转台使横滚框和俯仰框水平并使方位框指北；

(2)启动POS，预热1800秒后开始持续记录IMU原始数据和GNSS数据，其中IMU原始数据包括角增量、比力和时间，GNSS数据包括位置、速度、姿态和时间；；

(3)静态测试300～900秒，作为第1个测试位置；

(4)转台方位框作180°顺时针旋转，同时转台横滚框作0°～-20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到-20°，再从-20°旋转到0°；

(5)转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态300～900秒作为第2个测试位置；

(6)转台方位框作180°逆时针旋转，同时转台横滚框作0°～20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到20°，再从20°旋转到0°；

(7)转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态测试300～900秒作为第3个测试位置；

(8)重复第(4)步至第(7)步操作两次，完成第4～7位置测试；

(9)下载测试数据，结束测试；

(10)利用POS后处理软件计算出整个测试过程中POS的方位角和水平姿态角，扣除第1～2位置、步骤(4)和(6)中的转动过程及步骤(5)和(7)中转台稳定过程的数据，仅保留第3～7测试位置的方位角和水平姿态角信息；

(11)利用POS第3～7位置的方位角和水平姿态角，以转台提供的方位角和水平姿态角作为基准，通过分别通过RMS误差公式和STD误差公式计算出POS方位角和水平姿态角的RMS误差和STD误差，所述的RMS误差公式和STD误差公式如下：

$\mathrm{RMS}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}^2}$

$\mathrm{STD}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i-1}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_i})}^2}$

其中，ζ表示方位角或水平姿态角，水平姿态角包括俯仰角和横滚角，RMS(ζ)表示相应量的RMS误差，STD(ζ)表示相应量的STD误差，m表示300～900秒时间POS中IMU的采样点数，ε_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS方位和姿态信息与转台方位和姿态信息的差值，

表示第i个测试位置方位角误差的均值或水平姿态角误差的均值。

本发明的原理是：利用三轴精密转台模拟飞机航摄作业时的典型航迹(如图1所示)，以转台的精确方位角和水平姿态角作为基准测试POS的方位精度和姿态精度。安装有遥感载荷和POS的航空遥感飞机进行测图作业时，通常是飞机在机场地面准备30分钟以便POS预热，然后飞机从机场飞到测区，进入测区之前飞机做S形轨迹机动，使POS进行空中对准以消除POS的各种误差，然后飞机开始进入测区直线飞行一段时间并进行测图作业，完成第1个航摄带测图作业后，飞机做180°转弯掉头进入第2个航摄带(与第1个航摄带平行)直线飞行并进行测图作业，完成第2个航带测图作业后，飞机做180°转弯掉头进入第3个航摄带(与第2个航摄带平行)直线飞行并进行测图作业，然后在进行其他航带的飞行作业，直到整个完成整个测区的测图作业。为了在地面模拟航空遥感飞机测图作业过程，将POS中的IMU安装在三轴精密转台上，利用三轴转台模拟飞机的姿态运动，首先将三轴精密转台调平并指北，POS预热1800秒模拟POS在飞机起飞前的预热过程，然后开始持续记录POS数据；然后利用三轴转台模拟飞机的S机动，具体模拟方法是先静态测试300～900秒模拟飞机直线飞行，然后转台方位框作180°顺时针旋转，同时转台横滚框作0°～-20°～0°旋转，以模拟飞机做180°顺时针转弯，待转台稳定后再测试300～900秒，模拟飞机直线飞行，再使转台方位框作180°逆时针旋转，同时转台横滚框作0°～20°～0°旋转，以模拟飞机做180°逆时针转弯，至此S机动模拟完成；S机动模拟完待转台稳定后再测试300～900秒，模拟飞机在第1航摄带直线飞行300～900秒，然后转台方位框作180°顺时针旋转，同时转台横滚框作0°～-20°～0°旋转，以模拟飞机做180°顺时针转弯，待转台稳定后再测试300～900秒，模拟飞机在第2航带直线飞行300～900秒，重复上述操作以完成3～5航摄带的模拟；以转台提供的高精度方位角和水平姿态角为基准计算POS系统的方位角和水平姿态角的RMS误差及STD误差。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用精密转台确定进行POS系统方位精度和水平姿态精度基准进行精度测试，相对航摄成像测试方法，极大地减小了POS精度测试的成本和实验复杂度，测试过程简单且可达到角秒级精度。

附图说明

图1为航空遥感飞机测图作业时的典型航迹；

图2为本发明的POS方位精度和姿态精度的地面测试方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的具体实施包括以下步骤：

1、将IMU安装在三轴转台基准面上，使IMU的Z轴向上，与转台的Z轴重合，IMU的X轴和Y轴处于水平面内分别与转台的X轴和Y轴平行，调整转台使横滚框和俯仰框水平并使方位框指北，通过精密转台保证IMU的Y轴指向正北，即POS的精确初始姿态为(0°，0°，0°)。连接IMU、GNSS接收机及天线、PCS的POS相关系统线缆，GNSS接收机接收由GNSS转发器由室外转发到室内的GNSS信号。测量GNSS信号转发器天线相位中心与IMU测量中心的杆臂误差，确保连接正确无误；

2、启动POS，预热1800秒，模拟航空遥感飞机起飞前POS在地面的预热过程，预热后开始持续记录IMU原始数据和GNSS数据，IMU原始数据包括角增量、比力和时间，GPS数据包括位置、速度、姿态和时间，然后进行300秒POS的初始对准，对准后POS开始进入正常工作状态；

3、静态测试300～900秒作为第1测试位置，模拟飞机直线飞行300～900秒；

4、转台方位框作180°顺时针旋转，同时转台横滚框作0°～-20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到-20°，再从-20°旋转到0°，模拟飞机做180°顺时针转弯；

5、转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态测试300～900秒作为第2测试位置，模拟飞机在直线飞行300～900秒；

6、转台方位框作180°逆时针旋转，同时转台横滚框作0°～20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到20°，再从20°旋转到0°，以模拟飞机做180°逆时针转弯，至此飞机的S机动模拟完毕；

7、转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态测试300～900秒作为第3测试位置，模拟飞机在第1航摄带直线飞行300～900秒；

8、重复步骤(4)～步骤(7)两次，完成第4～7测试位置，即第3～5航摄带的飞行模拟；

9、下载测试数据，结束测试；

10、利用POS后处理软件(POS后处理软件属于本专业常规解算过程，故本申请未给出)，计算出整个测试过程中POS的方位角和水平姿态角，解算过程中要考虑GNSS信号转发器天线相位中心和IMU测量中心的杆臂误差，由于前两个测试位置是为了模拟S形轨迹机动，第3～7测试位置是模拟遥感飞机测图作业过程，因此扣除第1～2测试位置、步骤4和6中的转动过程及步骤5和7中转台稳定过程的数据，仅保留第3～7测试位置的方位角和水平姿态角；

11、利用POS第3～7位置的方位角和水平姿态角，以转台提供的2″精度方位角和水平姿态角作为基准，通过分别通过RMS误差公式和STD误差公式计算出POS方位角和水平姿态角的RMS误差和STD误差，所述的RMS误差公式和STD误差公式如下：

RMS误差参数和STD误差参数的计算分别为：

(1)RMS误差参数计算公式：

$\mathrm{RMS}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}^2}---\left(1\right)$

其中，ζ表示POS输出的方位角或水平姿态角，其中水平姿态角包含俯仰角和横滚角，RMS(ζ)表示相应量的RMS误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，ε_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS方位角与转台方位角的差值或POS水平姿态角与转台水平姿态角的差值；

所以方位角RMS误差参数为：

其中，

表示航向角，

表示方位角的RMS误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，

表示第i个测试位置的第j个采样点上POS方位角与转台方位角的差值；

俯仰角RMS误差参数为：

其中，θ表示俯仰角，RMS(θ)表示俯仰角的RMS误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，Δθ_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS俯仰角与转台俯仰角的差值；横滚角RMS误差参数为：

$\mathrm{RMS}\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\underset{j=2}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{ij}}^2}---\left(4\right)$

其中，γ表示横滚角，RMS(γ)表示横滚角的RMS误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，Δγ_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS横滚角与转台横滚角的差值；

(2)STD误差参数计算公式：

$\mathrm{STD}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i-1}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_i})}^2}---\left(5\right)$

其中，ζ表示方位角或水平姿态角(包含俯仰角和横滚角)，STD(ζ)表示相应量的STD误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，ε_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS方位角与转台方位角的差值或POS水平姿态角与转台水平姿态角的差值，

表示第i个测试位置方位角误差的均值或水平姿态角误差的均值；所以，方位角STD误差参数为：

其中，

表示POS输出的方位角，

表示方位角的STD误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，

表示第i个测试位置的第j个采样点上POS方位角与转台方位角的差值，

表示第i个测试位置方位角误差的均值；俯仰角STD误差参数为：

$\mathrm{STD}\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i-1}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δ\θ}}_i})}^2}---\left(7\right)$

其中，θ表示POS输出的俯仰角，STD(θ)表示俯仰角的STD误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，Δθ_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS俯仰角与转台俯仰角的差值，

表示第i个测试位置俯仰角误差的均值；横滚角STD误差参数为：

$\mathrm{STD}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i-1}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δ\γ}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δ\γ}}_i})}^2}---\left(8\right)$

其中，γ表示POS输出的横滚角，STD(γ)表示横滚角的STD误差，m_i表示第i个测试位置POS中IMU的采样点数，Δγ_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上POS横滚角与转台横滚角的差值，

表示第i个测试位置横滚角误差的均值；

利用公式(2)～(4)和(6)～(8)可分别计算出POS输出的方位角、俯仰角和横滚角的RMS误差和STD误差，以此来评价POS方位精度和水平姿态精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种位置姿态测量系统方位精度和姿态精度的地面测试方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)将位置姿态测量系统(POS)中惯性测量单元(IMU)安装在转台基准面上，使惯性测量单元(IMU)的两个水平轴与转台的两个水平轴平行，调整转台使横滚框和俯仰框水平并使方位框指北；

(2)启动位置姿态测量系统(POS)，预热1800秒后开始持续记录数据，所述的数据包括惯性测量单元(IMU)原始数据和全球卫星定位系统数据，其中惯性测量单元(IMU)原始数据包括角增量、比力和时间，GNSS数据包括位置、速度、姿态和时间；

(3)静态测试300～900秒，作为第1个测试位置；

(4)转台方位框作180°顺时针旋转，同时转台横滚框作0°～-20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到-20°，再从-20°旋转到0°；

(5)转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态测试300～900秒作为第2个测试位置；

(6)转台方位框作180°逆时针旋转，同时转台横滚框作0°～20°～0°旋转，即转台横滚框从0°旋转到20°，再从20°旋转到0°；

(7)转台稳定5～30s并记录稳定时间，然后静态测试300～900秒作为第3个测试位置；

(8)重复第(4)步至第(7)步操作两次，完成第4～7位置测试；

(9)下载测试数据，结束测试；

(10)利用位置姿态测量系统(POS)后处理软件计算出整个测试过程中位置姿态测量系统(POS)的方位角和水平姿态角，扣除第1～2位置、步骤(4)和(6)中的转动过程及步骤(5)和(7)中转台稳定过程的数据，仅保留第3～7测试位置的方位角和水平姿态角；

(11)利用位置姿态测量系统(POS)第3～7位置的方位角和水平姿态角，以转台提供的方位角和水平姿态角作为基准，分别通过RMS误差公式和STD误差公式计算出POS方位角和水平姿态角的RMS误差和STD误差；

所述的RMS误差公式如下：

$\mathrm{RMS}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}^2}$

其中，ζ表示位置姿态测量系统(POS)输出的方位角或水平姿态角，其中水平姿态角包含俯仰角和横滚角，RMS(ζ)表示相应量的RMS误差，m_i表示第i个测试位置位置姿态测量系统(POS)中惯性测量单元(IMU)的采样点数，ε_ij表示第i个测试位置的第j个采样点上位置姿态测量系统(POS)方位角与转台方位角的差值或位置姿态测量系统(POS)水平姿态角与转台水平姿态角的差值；

所述的STD误差公式如下：

$\mathrm{STD}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=3}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i-1}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_i})}^2}$

其中，ζ表示方位角或水平姿态角，水平姿态角包含俯仰角和横滚角，STD(ζ)表示相应量的STD误差，m_i表示第i个测试位置位置姿态测量系统(POS)中惯性测量单元(IMU)的采样点数，ε_ij表示第i个测试位置的第j个采样点位置姿态测量系统(POS)方位角与转台方位角的差值或位置姿态测量系统(POS)水平姿态角与转台水平姿态角的差值，表示第i个测试位置方位角误差或水平姿态角误差的均值。