CN104215258A - 一种车载经纬仪测角精度测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载经纬仪测角精度测试方法及系统，该系统包括高角目标平行光管、水平目标平行光管、经纬仪检测架、经纬仪载车、经纬仪、二维倾角传感器、电子水平仪、经纬仪调平机构、双坐标自准直仪、水银水准器、载车升降调平机构、时统终端、计算机；高角目标平行光管和水平目标平行光管的光轴交于经纬仪检测架的圆心，高角目标平行光管相对水平面俯仰夹角E＞60°，相对水平目标平行光管的方位夹角A＞45°；经纬仪的方位旋转面上安装有电子水平仪。该方法和系统打破了传统的在靶场完成精度鉴定的局限，同时可为靶场车载光测设备的设计和改进提供数据依据，具有很强的实际应用价值。

Description

一种车载经纬仪测角精度测试方法及系统

技术领域

本发明属于靶场光学测量技术，具体涉及车载光电经纬仪这一类靶场光学测量设备测角精度的室内测试方法和系统。

背景技术

光电经纬仪是一种用于精密测角的光电望远镜，集跟踪、弹道测量、目标姿态测量为一体，是靶场重要的光学测量设备。常规经纬仪采用落地的工作模式，这些设备装在拖车上，执行任务时拉到测量点，卸载后安装在事先准备好的地基环上，地基环周围建立有精确的方位标来标校经纬仪，落地工作模式就位准备工作烦琐复杂，设备的布站受测量点位的限制。车载经纬仪的出现彻底摆脱了固定点位的限制，拓宽了测量范围，使多站联测布网更合理。车载经纬仪不仅以载车为运输平台，还以载车为工作平台，与传统经纬仪相比，省去了烦琐的就位过程，不需要地基环和方位标，便于设备的快速展开，实现了机动式不落地测量。

国内多位学者就车载光电经纬仪进行了研究，张东梅等人在《激光与红外》2005,35(6)，p435-437上发表了“光电经纬仪车载平台变形测量技术研究”，该文提出了一种高精度非接触测量系统对光电经纬仪载车平台变形进行实时测量，为车载平台的发展打下了理论和实践基础。李增等人在《光学精密工程》2010,18(4)，p921-927上发表了“车载经纬仪的静态指向误差补偿”，该文分析了平台变形产生测角误差的基本原理，提出了采用倾角传感器采集存储平台的变形量，建立以方位、俯仰角为输入量的查找表方法，经过插值计算来估计平台在全方位角、全俯仰角处的变形量，事后对测量结果做补偿处理。王涛等人在《红外与激光工程》2012,41(5)，p1335-1339上发表了“车载光电经纬仪的测量误差修正”，该文分析了平台变形对光电经纬仪测角误差影响的基本原理，利用一套激光自准直式的非接触测量装置测量出平台变形而导致的经纬仪方位旋转轴线的倾斜角及倾斜方向，通过时统终端实现经纬仪望远镜的测角数据和倾斜数据的同步记录，从而对测角误差进行修正。发明专利“一种高精度垂轴倾角测量系统及其标定方法”(公开号：103487013A)公开了一种利用光电经纬仪搭载的成像装置和电视自准直仪测量垂轴倾角的装置，并给出了具体的标定方法。上述文献的研究内容可总结为：如何(事先或实时)测量出载车平台倾斜或变形引起的光电经纬仪方位旋转轴线的倾斜角和倾斜方向，并用该数据修正光电经纬仪的测量数据，从而提高车载光电经纬仪的测角精度。

光电经纬仪是研制性特种测量设备，不是大量生产的定型产品，所以研制出来之后要经过室内和外场检测，以判断其技术性能和指标是否达到设计及使用要求。外场检测是指将光电经纬仪运到靶场，让其跟踪测量飞机、导弹等空中飞行物，获得飞行轨迹参数，同时用靶场的其它高精度设备进行跟踪测量同一目标，并以此为真值，与光电经纬仪获得的参数在同一坐标系下进行对比，从而测量出其动态跟踪精度和动态测角精度。由于外场检测方法受到时间、场地、天气、运输等因素的限制，且要消耗大量人力和物力，并且实验周期长，组织协调困难，适合对设备精度进行最终鉴定，不适用于设备研制及调试过程，所以外场检测方法存在一定局限性和弊端。在实验室内准确的评价车载光电经纬仪测角精度，是一个非常具有工程意义的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内测试车载光电经纬仪等靶场车载光学测量设备测角精度的测试方法和系统，于设备出厂前在实验室内完成其测角精度的鉴定工作，从而可以为靶场车载光测设备的设计和改进提供数据依据，保证设备的测角精度满足技术指标及任务需求。

本发明一种室内测试车载光电经纬仪等靶场车载光学测量设备测角精度的测试方法及系统，是通过以下技术方案实现的：

测试系统的组成包括：高角目标平行光管1、水平目标平行光管2、经纬仪检测架3、经纬仪载车4、经纬仪5、二维倾角传感器6、电子水平仪7、经纬仪调平机构8、双坐标自准直仪9、水银水准器10、载车升降调平机构11、时统终端12、计算机13。

经纬仪检测架3是一个半圆形结构的桁架，具有良好的刚性和稳定性。桁架上安装了高角目标平行光管1和水平目标平行光管2，这两个平行光管的光轴交于桁架的圆心。高角目标平行光管1相对圆心的俯仰夹角E＞60°，相对水平目标平行光管2的方位夹角A＞45°。

被测经纬仪5座落在经纬仪载车平台4上，载车平台具有一套四条腿支撑具备调平功能的升降调平机构11，在经纬仪执行任务时，将升降调平机构11升起，承载经纬仪的平台被抬起，经纬仪不再依靠容易发生形变的汽车轮胎支撑，而是靠升降调平机构11的四条腿支撑。载车平台的台面上安装有二维倾角传感器6，用于测量载车平台的倾斜量。载车平台上还安装有双坐标自准直仪9，与自准直仪相对的地面上摆放有水银水准器10，双坐标自准直仪9和水银水准器10构成一套高精度倾角测量装置。被测经纬仪的方位旋转面上安装有电子水平仪7，电子水平仪的测量轴与经纬仪的水平轴平行，并基本垂直于经纬仪的方位轴。在时统终端12的作用下，计算机13同步采集经纬仪的方位、俯仰角，电子水平仪的测量值、自准直仪的测量值。

高精度经纬仪用于精确标定高角目标平行光管1和水平目标平行光管2之间的夹角，高精度经纬仪的测量精度应为被测经纬仪测角精度的3倍以上，以高精度经纬仪的标定结果作为真值，对被测经纬仪的测角精度进行评价。

车载经纬仪测角精度的测试方法包括如下步骤：

1]用高精度经纬仪对高角目标平行光管与水平目标平行光管夹角进行标定，以该夹角作为两目标平行光管夹角的真值；

2]测量被测经纬仪的照准差和/或二轴差，若不存在误差则进入步骤3处理，若存在误差则进行调整，调整至无误差时进入步骤3处理，若调整后无法消除误差，则记录该误差并作为被测经纬仪使用时测量结果的修正系数；

3]标定设置在载车平台下方的双坐标自准直仪测量坐标系与被测经纬仪方位轴坐标之间的关系，利用双坐标自准直仪实现经纬仪垂直轴倾斜方向的测量；

4]使载车平台相对步骤3中的位置倾斜3′～5′；

5]用被测经纬仪对水平目标光管进行静态测量；

6]用被测经纬仪对高角目标光管进行动态测量；

7]计算被测经纬仪对两目标平行光管夹角的测量值；

8]计算被测经纬仪的测角精度。

具体为：

步骤1：用高精度经纬仪对高角目标平行光管1与水平目标平行光管2夹角进行标定。

将高精度经纬仪的三轴(垂直轴、水平轴和照准轴)的交点放置在检测架的圆心，对高精度经纬仪进行精确调平。用高精度经纬仪对水平目标平行光管2和高角目标平行光管1进行测量，测量结果分别记录为(A₂，E₂)(A₁，E₁)。则高精度经纬仪测量的两目标平行光管的夹角为：

ΔA_真＝A₂-A₁   (1)

ΔE_真＝E₂-E₁   (2)

以该夹角作为两目标平行光管夹角的真值。

步骤2：测量被测经纬仪的单项差(照准差、二轴差)。

照准差和二轴差是影响经纬仪测角精度的系统误差，对照准差和二轴差进行精确测量，并依此对经纬仪的测量结果进行修正，可以减小经纬仪的测角误差，提高经纬仪的测量精度。

照准差测量方法：

将步骤1中高精度经纬仪替换为被测经纬仪并进行精确调平，分别对水平目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(A_2正，E_2正)(A_2倒，E_2倒)，则被测经纬仪的照准差为：

二轴差测量方法：

被测经纬仪精确调平后，分别对高角目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(A_1正，E_1正)(A_1倒，E_1倒)，则被测经纬仪的二轴差为：

步骤3：标定双坐标自准直仪测量坐标系与经纬仪方位轴坐标之间的关系。

3.1以载车平台上的二维倾角传感器6为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11对载车进行粗调平，粗调平后载车平台的倾角应小于3′；

3.2以经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪7为指示，通过调整经纬仪调平机构8对经纬仪进行精确调平，精确调平后，经纬仪的垂直轴倾斜误差应小于1″；

3.3以双坐标自准直仪9为指示，调节固定双坐标自准直仪的装置，使其能够和下方的水银水准器10自准，此时，双坐标自准直仪的读数应为(0″，0″)。若无法对双坐标自准直仪进行精确调整，则可以记录此时的双坐标自准直仪读数(X₀，Y₀)，将该读数作为双坐标自准直仪的零偏，对以后的测量数据进行修正。

3.4以双坐标自准直仪9为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11使载车平台倾斜一定角度，倾斜量通常取3′～5′，待载车平台稳定后记录双坐标自准直仪的读数(X₁，Y₁)。

3.5保持载车平台不动，用经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪7对经纬仪的垂直轴的倾斜量和倾斜方向角进行测量。具体方法为：电子水平仪放置在经纬仪方位旋转端面上，尽量使电子水平仪测量轴与经纬仪的垂直轴垂直，且使电子水平仪的测量轴与经纬仪的水平轴相平行。测试时，在0°～360°区间内取值，取36等分，每一等分为10°，记录各测量点对应的电子水平仪示值。角度记为θ₁、θ₂、θ₃、…θ₃₆，电子水平仪的测量值记为I₁、I₂、I₃、…I₃₆。

3.6定义双坐标自准直仪坐标系，并计算载车平台在双坐标自准直仪测量坐标下的倾斜方向。双坐标自准直仪坐标系如图2所示，图中的十字丝为水银水准器的返回像，角度Φ为此时载车平台的倾斜方向角。

双坐标自准直仪测量的载车平台的倾斜量值：

Δx＝X₁-X₀   Δy＝Y₁-Y₀   (5)

则双坐标自准直仪坐标系下载车平台倾斜方向角为：

3.7用傅里叶谐波分析法计算电子水平仪测得的经纬仪垂直轴的倾斜方向电子水平仪测量的经纬仪垂直轴倾斜角度是以2π为周期的函数，应用谐波分析方法，将连续周期函数I(θ)展开成傅里叶级数，便有：

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_i\cos (i\·\mathrm{\θ})+b_i\sin (i\·\mathrm{\θ}))---\left(7\right)$

略去高次项的高频晃动，则

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+a_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+b_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(8\right)$

式中为电子水平仪的零位误差及电子水平仪的测量轴与经纬仪方位旋转台面的不垂直度误差，a₁cos(θ)+b₁sin(θ)为垂直轴倾斜引起的电子水平仪示值变化。

又可将上式化简为

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+\sqrt{a_1^2+b_1^2}\sin (A_h+\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

为垂直轴倾斜误的差幅值；

为垂直轴倾斜方向的有关的一个角量。

实际测量中在方位2π范围内，作36次等间隔读取电子水平仪的示值，计算各参数，具体公式如下：

$a_0=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(10\right)$

$a_1=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i---\left(11\right)$

$b_1=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(12\right)$

式中，i＝1、2、3、…36。

A_h的计算方法：

由电子水平仪的工作方式可知，当把手一端高时，电子水平仪的读数为负值。结合经纬仪方位轴坐标系，如图3所示，可得到垂直轴的倾斜方法的计算方法。

垂直轴的倾斜方向A_H的计算公式：

由于经纬仪坐落在载车平台上，两者均具有良好的刚性，因此双坐标自准直仪测量的载车平台的倾斜方向角应等于电子水平仪测量的经纬仪垂直轴系的倾斜方向角。由公式(6)和公式(14)就可以得出双坐标自准直仪测量的倾向方向角与电子水平仪测量的倾斜方向角之间的转化关系。

从而可以利用双坐标自准直仪实现经纬仪垂直轴倾斜方向的测量。

步骤4：使载车平台倾斜一定角度。

以双坐标自准直仪9为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11使载车平台倾斜一定角度，倾斜量通常取3′～5′。

步骤5：用被测经纬仪对水平目标光管进行静态测量。

操作被测经纬仪使水平目标光管成像在被测经纬仪摄像机的靶面中心，同步记录经纬仪的方位俯仰角(A_水平,E_水平)和自准直仪的读数(X_水平,Y_水平)。

步骤6：用被测经纬仪对高角目标光管进行动态测量。

6.1根据被测经纬仪最大保精度角速度和角加速度、高角目标光管方位角及俯仰角、摄像系统视场设计正弦引导函数，由被测经纬仪的最大保精度角速度最大保精度角加速度可求解等效正弦的参数——振幅a，角频率ω。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }/{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }\\ a={\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }/\mathrm{\ω}\end{array}\right.---\left(16\right)$

则正弦引导函数为：

$\left\{\begin{array}{c}A=a\·\sin \mathrm{\ωt}+(A_1-a-\mathrm{FOV}/2)\\ E=a\·\sin \mathrm{\ωt}+(E_1-a-\mathrm{FOV}/2)\end{array}\right.---\left(17\right)$

式中，A₁、E₁为高角目标光管方位角及俯仰角，FOV为摄像机视场角。

6.2按照步骤6.1计算的引导函数引导被测经纬仪过高角目标光管，同步记录图像、经纬仪编码器角度值、双坐标自准直仪示值；

6.3通过事后判读所采集存储的图像，得到被测仪器输出的目标脱靶量。

6.4根据记录的编码器角度值和目标脱靶量合成高角目标的角度值。具体公式如下：

$\mathrm{\ΔA}=\arctan \left[\frac{\tan H}{\cos E_1-\tan V\·\sin E_1}\right]---\left(18\right)$

式中，ΔA为方位脱靶量水平规划角度，E₁为被测经纬仪视轴俯仰指向角，H、V为探测器给出的目标脱靶量对应角值， $V=\arctan (y\·\frac{d}{f^{\′}}),$

x为方位脱靶量，y为俯仰脱靶量，d为探测器像元尺寸，f′为摄像系统焦距。

$\left\{\begin{array}{c}A=A_1+\mathrm{\ΔA}-c/\cos \left(E\right)-b\·\tan \left(E\right)\\ E=\arctan [\tan (E_1+V)\·\cos \left(\mathrm{\ΔA}\right)]\end{array}\right.---\left(19\right)$

式中，A、E为被测经纬仪的高角目标光管合成角，A₁为被测经纬仪视轴方位指向角，c为被测经纬仪照准差，b为被测经纬仪水平轴倾斜误差。

6.5计算垂直轴的倾斜量及倾斜方向角。

由自准直仪的零偏(X₀，Y₀)、静态测量水平目标光管时自准直仪示值(X_水平,Y_水平)及动态测量高角目标光管时自准直仪示值(X_高角,Y_高角)可以计算平台的倾斜量。

静态时的倾斜量：

动态时的倾斜量：

相应的倾斜方向角可以根据公式(5)(6)(15)计算，可分别记为A_H2、A_H1。

6.6根据步骤6.5中计算的垂直轴的倾斜量及倾斜方向角修正经纬仪的测量结果。具体修正公式如下：

水平目标光管的修正：

A′_水平＝A_水平+I₂sin(A_H2-A_水平)tanE_水平   (22)

E′_水平＝E_水平+I₂cos(A_H2-A_水平)   (23)

高角目标光管的修正：

A′_高角＝A+I₁sin(A_H1-A)tanE   (24)

E′_高角＝E+I₁cos(A_H1-A)   (25)

步骤7：计算被测经纬仪的两目标平行光管的夹角。

则被测经纬仪测得的两目标光管之间的夹角为：

ΔA′＝A′_高角-A′_水平   (26)

ΔE′＝E′_高角-E′_水平   (27)

步骤8：计算被测经纬仪的测角精度。

以高精度经纬仪标定的两目标光管之间的夹角为真值，计算被测经纬仪的测角误差：

ε_A＝ΔA′-ΔA_真   (28)

ε_E＝ΔE′-ΔE_真   (29)

本发明的优点在于：

本发明给出了一种室内检测车载光电经纬仪等靶场车载光学测量设备测角精度的系统和方法，其打破了传统的在靶场完成精度鉴定的局限，同时可为靶场车载光测设备的设计和改进提供数据依据，具有很强的实际应用价值。

附图说明

图1测试装置组成示意图；

图2双坐标自准直仪测量坐标系；

图3经纬仪的方位轴系坐标系。

附图标记说明：1—高角目标平行光管、2—水平目标平行光管、3—经纬仪检测架、4—经纬仪载车、5—经纬仪、6—二维倾角传感器、7—电子水平仪、8—经纬仪调平机构、9—双坐标自准直仪、10—水银水准器、11—载车升降调平机构、12—时统终端、13—计算机。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

本实例中“车载经纬仪”的参数如下：保精度跟踪角速度0～30°/s，保精度跟踪角加速度0～30°/s²，摄像系统的焦距为1400mm，探测器像元尺寸为14μm，摄像机视场为0.4°，测角精度优于10″。

整个实施例的具体实现过程如下

步骤1：用高精度经纬仪对高角目标平行光管1与水平目标平行光管2夹角进行标定。

将测角精度为0.5″的高精度经纬仪对水平目标平行光管2和高角目标平行光管1进行测量，经计算两目标平行光管的夹角为：

ΔA_真＝40.8544°

ΔE_真＝64.3518°

步骤2：测量被测经纬仪的单项差(照准差、二轴差)。

照准差测量：

将步骤1中高精度经纬仪替换为被测经纬仪并进行精确调平，分别对水平目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(171.527°，-0.817°)、(351.535°，180.810°)，则被测经纬仪的照准差为：

二轴差测量：

被测经纬仪精确调平后，分别对高角目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(212.379°，63.535°)、(32.390°，116.458°)，则被测经纬仪的二轴差为：

b＝0.0017°

步骤3：标定双坐标自准直仪测量坐标系与经纬仪方位轴坐标之间的关系。

3.1以载车平台上的二维倾角传感器6为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11对载车进行粗调平，粗调平后载车平台的倾角约小于2′；

3.2以经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪7为指示，通过调整经纬仪调平机构8对经纬仪进行精确调平，精确调平后，经纬仪的垂直轴倾斜误差小于1″；

3.3该设备无法对双坐标自准直仪进行精确调整，此时的双坐标自准直仪读数(248″，637″)，将该读数作为双坐标自准直仪的零偏，对以后的测量数据进行修正。

3.4以双坐标自准直仪9为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11使载车平台倾斜一定角度，载车平台稳定后记录双坐标自准直仪的读数(333″,731″)。

3.5保持载车平台不动，用经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪7对经纬仪的垂直轴的倾斜量和倾斜方向角进行测量。具体方法为：电子水平仪放置在经纬仪方位旋转端面上，尽量使电子水平仪测量轴与经纬仪的垂直轴垂直，且使电子水平仪的测量轴与经纬仪的水平轴相平行。测试时，在0°～360°区间内取值，取36等分，每一等分为10°，记录各测量点对应的电子水平仪示值。

电子水平仪测得的不同角度的倾斜量如下表：

角度(°)	电子水平仪读数I档(每个数值为2″)
		0	61
10	59

20	55
		30	49
40	42
		50	34
60	25
		70	15
80	4
		90	-6
100	-17
		110	-27
120	-36
		130	-44
140	-50
		150	-55
160	-57
		170	-58
180	-57
		190	-55
200	-50
		210	-45
220	-37
		230	-29
240	-20
		250	-10
260	1
		270	11
280	21
		290	31

300	39
		310	47
320	53
		330	58
340	61
		350	62

3.6双坐标自准直仪测量的载车平台的倾斜量值：

Δx＝333-248＝85   Δy＝731-637＝94

则双坐标自准直仪坐标系下载车平台倾斜方向角为：

3.7用傅里叶谐波分析法计算电子水平仪测得的经纬仪垂直轴的倾斜方向经计算，

a₁＝119.02   b₁＝-17.8137

则经纬仪方位轴坐标系下垂直轴倾斜方向角为：

修正因子计算：

Δψ＝A_H-Φ＝33.6093°

修正模型：

A_H＝Φ+33.6093°

从而可以利用双坐标自准直仪实现经纬仪垂直轴倾斜方向的测量。

步骤4：使载车平台倾斜一定角度。

以双坐标自准直仪9为指示，通过调整经纬仪载车平台升降调平机构11使载车平台倾斜一定角度，倾斜量约3.8′。

步骤5：用被测经纬仪对水平目标光管进行静态测量。

操作被测经纬仪使水平目标光管成像在被测经纬仪摄像机的靶面中心，同步记录经纬仪的方位俯仰角(171.6275，-0.78981)和双坐标自准直仪的读数(148″，429″)。

步骤6：用被测经纬仪对高角目标光管进行动态测量。

6.1根据被测经纬仪最大保精度角速度和角加速度、高角目标光管方位角及俯仰角、摄像系统视场设计正弦引导函数，由被测经纬仪的最大保精度角速度最大保精度角加速度可求解等效正弦的参数——振幅a，角频率ω。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}=1\\ a=30\end{array}\right.$

则正弦引导函数为：

$\left\{\begin{array}{c}A=30\·\sin t+(212.48-15-0.2)\\ E=30\·\sin t+(63.54-15-0.2)\end{array}\right.$

6.2按照步骤6.1计算的引导函数引导被测经纬仪过高角目标光管，同步记录图像、经纬仪编码器角度值、双坐标自准直仪示值；

6.3通过事后判读所采集存储的图像，得到被测仪器输出的目标脱靶量。

6.4根据记录的编码器角度值和目标脱靶量合成高角目标的角度值。

序号	高角合成A	高角合成E
			1	212.592	63.51617
2	212.5919	63.51599
			3	212.5922	63.51575
4	212.5926	63.51526
			5	212.5928	63.51529
6	212.5927	63.51498
			7	212.5935	63.51448
8	212.5934	63.51436
			9	212.5937	63.51429
10	212.5934	63.51435
			11	212.5938	63.5142

6.5计算垂直轴的倾斜量及倾斜方向角。

由自准直仪的零偏(247″，635.7″)、静态测量水平目标光管时自准直仪示值(148″,429″)及动态测量高角目标光管时自准直仪示值(148″,429″)可以计算平台的倾斜量。

静态时的倾斜量：

I₂＝229.18″

动态时的倾斜量：

I₁＝229.18″

倾斜方向角为：

A_H2＝98.26°，A_H1＝98.26°

6.6根据步骤6.5中计算的垂直轴的倾斜量及倾斜方向角修正经纬仪的测量结果。具体修正公式如下：

水平目标光管的修正：

序号	修正后水平A	修正后水平E
			1	171.6283571°	-0.807663697°

2	171.6283571°	-0.807663697°
			3	-11.2045°	-0.807663697°
4	-9.76604°	-0.807663697°
			5	171.6283571°	-0.807663697°
6	171.6283571°	-0.807663697°
			7	171.6283571°	-0.807663697°
8	171.6283571°	-0.807663697°
			9	171.6283571°	-0.807663697°
10	171.6283571°	-0.807663697°
			11	171.6283571°	-0.807663697°

高角目标光管的修正：

序号	修正后高角A	修正后高角E
			1	212.4779135°	63.54187867°
2	212.4778381°	63.54169549°
			3	212.4781447°	63.5414631°
4	212.4785443°	63.54096758°
			5	212.4786969°	63.54099444°
6	212.4786525°	63.54069303°
			7	212.4793882°	63.5401864°
8	212.4792666°	63.54007184°
			9	212.4796182°	63.54000352°
10	212.4792819°	63.54006423°
			11	212.4797255°	63.53991208°

步骤7：计算被测经纬仪的两目标平行光管的夹角。

则被测经纬仪测得的两目标光管之间的夹角为：

序号	目标夹角A	目标夹角E
			1	40.85106°	64.3495424°
2	40.85098°	64.3493592°

3	40.85129°	64.3491268°
			4	40.85169°	64.3486313°
5	40.85184°	64.3486581°
			6	40.8518°	64.3483567°
7	40.85253°	64.3478501°
			8	40.85241°	64.3477355°
9	40.85276°	64.3476672°
			10	40.85242°	64.3477279°
11	40.85287°	64.3475758°

步骤8：计算被测经纬仪的测角精度。

以高精度经纬仪标定的两目标光管之间的夹角为真值，计算被测经纬仪的测角误差：

序号	误差A	误差E
			1	-12.0366″	-10.6475″
2	-12.3083″	-11.3069″
			3	-11.2045″	-12.1435″
4	-9.76604″	-13.9274″
			5	-9.21671″	-13.8307″
6	-9.37624″	-14.9158″
			7	-6.72803″	-16.7396″
8	-7.16583″	-17.1521″
			9	-5.90003″	-17.398″
10	-7.11071″	-17.1795″
			11	-5.51352″	-17.7272″

Claims (11)

1.一种车载经纬仪测角精度测试系统，包括设置有经纬仪、经纬仪载车，经纬仪设置在经纬仪载车的平台上，其特征在于：还包括设置有高角目标平行光管和水平目标平行光管的经纬仪检测架，所述高角目标平行光管和水平目标平行光管的光轴交于经纬仪检测架的圆心，高角目标平行光管相对水平面俯仰夹角E＞60°，相对水平目标平行光管的方位夹角A＞45°；所述平台底部设置有高精度倾角测量装置以及用于升降及调平平台的载车升降调平机构，平台上设置有用于测量载车平台的倾斜量的二维倾角传感器；所述经纬仪的方位旋转面上安装有电子水平仪，电子水平仪的测量轴与经纬仪的水平轴平行且垂直于经纬仪的方位轴。

2.根据权利要求1所述的车载经纬仪测角精度测试系统，其特征在于：所述高精度倾角测量装置包括设置在载车平台底部的双坐标自准直仪，以及设置在地面上，与自准直仪相对的水银水准器。

3.根据权利要求1所述的车载经纬仪测角精度测试系统，其特征在于：所述经纬仪检测架是半圆形结构的桁架。

4.一种车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1]用高精度经纬仪对高角目标平行光管与水平目标平行光管夹角进行标定，以该夹角作为两目标平行光管夹角的真值；

2]测量被测经纬仪的照准差和/或二轴差，若不存在误差则进入步骤3]处理，若存在误差则进行调整，调整至无误差时进入步骤3]处理，若调整后无法消除误差，则记录该误差并作为被测经纬仪使用时测量结果的修正参数；

3]标定设置在载车平台下方的双坐标自准直仪测量坐标系与被测经纬仪方位轴坐标之间的关系，利用双坐标自准直仪实现经纬仪垂直轴倾斜方向的测量；

4]使载车平台相对步骤3]中的位置倾斜3′～5′；

5]用被测经纬仪对水平目标光管进行静态测量；

6]用被测经纬仪对高角目标光管进行动态测量；

7]计算被测经纬仪对两目标平行光管夹角的测量值；

8]计算被测经纬仪的测角精度。

5.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤1]具体是：

1.1]将高精度经纬仪的垂直轴、水平轴和照准轴的交点放置在检测架的圆心，对高精度经纬仪进行精确调平；所述高精度经纬仪的测量精度应为被测经纬仪测角精度的3倍以上；

1.2]用高精度经纬仪对水平目标平行光管和高角目标平行光管进行测量，测量结果分别记录为(A₂，E₂)(A₁，E₁)。则高精度经纬仪测量的两目标平行光管的夹角为：

ΔA_真＝A₂-A₁   (1)

ΔE_真＝E₂-E₁   (2)

以该夹角作为两目标平行光管夹角的真值。

6.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤2]中进行照准差测量时具体为：

将步骤1]中高精度经纬仪替换为被测经纬仪并进行精确调平，调平完成后分别对水平目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(A_2正，E_2正)(A_2倒，E_2倒)，则被测经纬仪的照准差为：

所述步骤2]中进行二轴差测量时具体为：

将步骤1中高精度经纬仪替换为被测经纬仪并进行精确调平，调平完成后，分别对高角目标光管进行正倒镜测量，测量结果分别记录为(A_1正，E_1正)(A_1倒，E_1倒)，则被测经纬仪的二轴差为：

7.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤3]具体是：

3.1]对载车平台进行粗调平，粗调平后载车平台的倾角应小于3′；

3.2]以被测经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪为指示，对被测经纬仪进行精确调平，精确调平后，经纬仪的垂直轴倾斜误差应小于1″；

3.3]以设置在载车平台底部的双坐标自准直仪为指示，调节固定双坐标自准直仪的装置，使其能够和下方设置在地面上的水银水准器自准，自准时双坐标自准直仪的读数应为(0″，0″)；若无法对双坐标自准直仪进行精确调整，则记录此时的双坐标自准直仪读数(X₀，Y₀)，将该读数作为双坐标自准直仪的零偏，对以后的测量数据进行修正；

3.4]以双坐标自准直仪为指示，调整经纬仪载车平台倾斜3′～5′，待载车平台稳定后记录双坐标自准直仪的读数(X₁，Y₁)；

3.5]保持载车平台不动，用经纬仪方位旋转端面上的电子水平仪对经纬仪的垂直轴的倾斜量和倾斜方向角进行测量；

3.6]定义双坐标自准直仪坐标系，并计算载车平台在双坐标自准直仪测量坐标下的倾斜方向；双坐标自准直仪测量的载车平台的倾斜量值为：

Δx＝X₁-X₀   Δy＝Y₁-Y₀   (5)

则双坐标自准直仪坐标系下载车平台倾斜方向角为：

3.7]用傅里叶谐波分析法计算电子水平仪测得的经纬仪垂直轴的倾斜方向电子水平仪测量的经纬仪垂直轴倾斜角度是以2π为周期的函数，应用谐波分析方法，将连续周期函数I(θ)展开成傅里叶级数，得：

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_i\cos (i\·\mathrm{\θ})+b_i\sin (i\·\mathrm{\θ}))---\left(7\right)$

略去高次项的高频晃动，则

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+a_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+b_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(8\right)$

式中为电子水平仪的零位误差及电子水平仪的测量轴与经纬仪方位旋转台面的不垂直度误差，a₁cos(θ)+b₁sin(θ)为垂直轴倾斜引起的电子水平仪示值变化；

又可将上式化简为

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{a_0}{2}+\sqrt{a_1^2+b_1^2}\sin (A_h+\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

为垂直轴倾斜误的差幅值；为垂直轴倾斜方向的有关的一个角量；

实际测量中在方位2π范围内，作36次等间隔读取电子水平仪的示值，计算各参数，具体公式如下：

$a_0=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(10\right)$

$a_1=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·\cos {\mathrm{\θ}}_i---\left(11\right)$

$b_1=\frac{2}{36}\underset{i=1}{\overset{36}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(12\right)$

式中，i＝1、2、3、…36。

A_h的计算方法：

由电子水平仪的工作方式可知，当把手一端高时，电子水平仪的读数为负值，结合经纬仪方位轴坐标系得到垂直轴的倾斜方法的计算方法：

垂直轴的倾斜方向A_H的计算公式：

由于经纬仪坐落在载车平台上，双坐标自准直仪测量的载车平台的倾斜方向角应等于电子水平仪测量的经纬仪垂直轴系的倾斜方向角，由上述供述计算得出双坐标自准直仪测量的倾向方向角与电子水平仪测量的倾斜方向角之间的转化关系：；自准直仪测量的倾斜方向角为Φ，电子水平仪测量的倾斜方向角为A_H；从而可以利用双坐标自准直仪实现经纬仪垂直轴倾斜方向的测量。

8.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤5]具体是：操作被测经纬仪使水平目标光管成像在被测经纬仪摄像机的靶面中心，同步记录经纬仪的方位俯仰角(A_水平,E_水平)和自准直仪的读数(X_水平,Y_水平)。

9.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤6]具体是：

6.1]根据被测经纬仪最大保精度角速度和角加速度、高角目标光管方位角及俯仰角、摄像系统视场设计正弦引导函数，由被测经纬仪的最大保精度角速度最大保精度角加速度求解等效正弦的参数——振幅a，角频率ω；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }/{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }\\ a={\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\max }/\mathrm{\ω}\end{array}\right.---\left(16\right)$

则正弦引导函数为：

$\left\{\begin{array}{c}A=a\·\sin \mathrm{\ωt}+(A_1-a-\mathrm{FOV}/2)\\ E=a\·\sin \mathrm{\ωt}+(E_1-a-\mathrm{FOV}/2)\end{array}\right.---\left(17\right)$

式中，A₁、E₁为高角目标光管方位角及俯仰角，FOV为摄像机视场角；

6.2]按照步骤6.1计算的引导函数引导被测经纬仪过高角目标光管，同步记录图像、经纬仪编码器角度值、双坐标自准直仪示值；

6.3]通过事后判读所采集存储的图像，得到被测仪器输出的目标脱靶量；

6.4]根据记录的编码器角度值和目标脱靶量合成高角目标的角度值。具体公式如下：

$\mathrm{\ΔA}=\arctan \left[\frac{\tan H}{\cos E_1-\tan V\·\sin E_1}\right]---\left(18\right)$

式中，ΔA为方位脱靶量水平规划角度，E1为被测经纬仪视轴俯仰指向角，H、V为探测器给出的目标脱靶量对应角值，x为方位脱靶量，y为俯仰脱靶量，d为探测器像元尺寸，f′为摄像系统焦距；

$\left\{\begin{array}{c}A=A_1+\mathrm{\ΔA}-c/\cos \left(E\right)-b\·\tan \left(E\right)\\ E=\arctan [\tan (E_1+V)\·\cos \left(\mathrm{\ΔA}\right)]\end{array}\right.---\left(19\right)$

式中，A、E为被测经纬仪的高角目标光管合成角，A₁为被测经纬仪视轴方位指向角，c为被测经纬仪照准差，b为被测经纬仪水平轴倾斜误差；

6.5计算垂直轴的倾斜量及倾斜方向角；

由自准直仪的零偏(X₀，Y₀)、静态测量水平目标光管时自准直仪示值(X_水平,Y_水平)及动态测量高角目标光管时自准直仪示值(X_高角,Y_高角)计算平台的倾斜量；

静态时的倾斜量：

动态时的倾斜量：

相应的倾斜方向角可以根据公式(5)(6)(15)计算，可分别记为A_H2、A_H1；

6.6]据步骤6.5中计算的垂直轴的倾斜量及倾斜方向角修正经纬仪的测量结果，具体修正公式如下：

水平目标光管的修正：

A′_水平＝A_水平+I₂sin(A_H2-A_水平)tanE_水平   (22)

E′_水平＝E_水平+I₂cos(A_H2-A_水平)   (23)

高角目标光管的修正：

A′_高角＝A+I₁sin(A_H1-A)tanE   (24)

E′_高角＝E+I₁cos(A_H1-A)   (25)。

10.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤7]具体为：

被测经纬仪测得的两目标光管之间的夹角为：

ΔA′＝A′_高角-A′_水平   (26)

ΔE′＝E′_高角-E′_水平   (27)。

11.根据权利要求4所述的车载经纬仪测角精度测试方法，其特征在于：所述步骤8]具体为：

以高精度经纬仪标定的两目标光管之间的夹角为真值，计算被测经纬仪的测角误差：

ε_A＝ΔA′-ΔA_真   (28)

ε_E＝ΔE-ΔE_真   (29)。