CN104880204A - 利用gps及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，属于测试技术领域。包括如下步骤：1)利用GPS系统测量转台中心激光测距仪所在位置的经、纬度和海拔高度并记录；2)利用GPS系统测量选定标志点所在位置的经、纬度和海拔高度，数据分别记录；3)根据各点经、纬度和海拔高度，计算转台中心到各标志点的直线距离作为真值；4)制作一个靶标，计算机控制转台调整相机、镜头焦距，指向选定标志点，用手动控制方式将画面中的中心十字叉中点对准该标志点；5)打开激光测距仪，记录光点测量值；6)重复步骤4、5，对各标志点进行测量并记录数据；7)将激光测距仪测得的数据与GPS真值比较，得出激光测距仪校准的结果。本发明方法能够计算出准确的误差，也可应用于重新校准。

Description

利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法

技术领域

本发明是发明一种利用GPS及自动跟踪与测量系统高精度定位的方法，对激光测距仪的测量精度进行校准，属于测试技术领域。

背景技术

激光测距仪是一种以激光为载波，以目标表面漫反射测量为特点，依据回波信号与发射信号的相位差值对静止目标进行距离的测量，回波信号通过光电探测器获得，精度易受大气气流干扰的影响，因此测量精度需要校准。传统的测量精度校准方法采用钢卷尺检定，常见的距离为5m、20m、50rn，由于激光测距仪的精度较高，进行小量程测量时，激光测距仪示值与卷尺测量值误差较小，一般无需调整激光测距仪的精度。大量程测量时，通常进行空间中的目标测量，传统方法不能直接应用到高精度激光测距仪的校准中。

发明内容

本发明创造的目的是设计一种利用GPS及自动跟踪与测量系统高精度定位的方法，在大量程范围内，对激光测距仪的测量精度进行校准。通过激光测距仪测量值与给定标准参数的比对，自动跟踪与测量系统及时给出相关预警信息，如姿态异常告警、偏离航线告警、偏离航向下滑纠偏线告警等，为飞行安全提供有效保证。

本发明的方法是通过下述技术方案实现的：

制作一个2000mm×2000mm网格靶标(加工精度优于1mm)，采用横、竖向各5根方管组成，方管等间距布置，方管长度2000mm，等间隔243.75mm，开直径20mm的圆孔用于标定，每根方管开孔9个。靶标的中心点圆孔与转台上的相机画面中的中心十字叉中点对准，用于记录所选标记点的实际位置，靶标边框上其他圆孔用于检验转台与相机镜头的偏角和误差。

激光测距仪的标称精度为5m，校准采用水平定位精度l0cm，高度精度30cm的高精度GPS系统。选择距离激光测距仪2km范围内，场地中等距离均匀分布的20个位置点，作为基准测试点。

1)利用GPS系统测量与自动跟踪与测量系统的转台同址架设的激光测距仪所在位置的经、纬度和海拔高度并记录L₀,B₀,H₀；

2)利用GPS系统测量选定标志点，所述的标志点为距离激光测距仪2km范围内，场地中等距离均匀分布的20个位置点；记录选定标志点的经、纬度和海拔高度并记录L_i,B_i,H_i(i＝1,2...20)

3)根据各标志点经、纬度和海拔高度L_i,B_i,H_i(i＝1,2...20)，计算激光测距仪到各标志点的直线距离作为真值D_Gi(i＝1,2...20)；

4)制作一个网格靶标，将网格靶标放置在其中一个选定标志点上，通过计算机控制转台，调整转台上的相机角度及镜头焦距，使相机画面中的中心十字叉中点对准靶标中心点；

5)打开激光测距仪，驱动转台使激光光斑对准放置在步骤4)选定的标志点上的网格靶标中心点，记录测量距离值D_Li及其对应的转台角度α_Li和β_Li，计算出该标志点在转台直角坐标系中的坐标P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)；

6)重复步骤4)、5)，对各标志点进行测量、记录数据并计算出转台直角坐标系下的坐标；

7)将激光测距仪测得的数据P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)与GPS系统得到的数据P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)(i＝1,2...20)比较，得出激光测距仪校准的结果。

所述步骤(2)中，20个位置点的选择标准为：在距离激光测距仪2km范围内的跑道中心线上选4个基准标志点，4点间隔分别为100m、200m、400m、800m，在各基准标志点东侧选取等距2点，西侧也选取等距2点，用GPS系统测量出场地中20个标志点在大地坐标系中的坐标L_i,B_i,H_i(i＝1,2...20)。

通过步骤(6)测量得到20个标志点的测量距离值D_Li(i＝1,2,...20)及其对应的转台角度α_Li和β_Li(i＝1,2,...20)，并计算得到20个标志点在转台直角坐标系中的坐标P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)。

所述步骤(7)中激光测距仪所测得的数据与GPS真值比较，计算D_Gi与D_Li之间的均方根误差RMS，作为距离测量精度；；计算激光测距仪测量值P_Li(x_Li,y_Li,z_Li)与GPS系统测量值P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)的坐标分量x_Li，z_Li与x_GRi，z_GRi之间的RMS(均方根)误差，分别作为水平精度和高度精度

本发明的有益效果：本发明采用上述方案，节省了大量的人力、物力和时间，可以满足高精度激光测距仪的精度要求，较传统的手工测量方法方便、快捷，而且在手工测量无法在空间校准实现时，本发明的方法成了唯一有效、准确的校准方法，同时也可以在激光测距仪架设、迁移等各种需要精度重新校准的场合应用。

附图说明

图1本发明方法的总体设计图。

图2网格靶标示意图。

具体实施方式

本发明方法实现的理论依据及工作原理：

(一)激光测距仪的工作原理

激光测距的工作方式是通过量测激光器所发射的波和所接受的被目标反射的波之间的相位差来确定激光器与目标之间的距离。激光器发出的射线经目标物体表面反射后聚焦到光电二极管探测器，产生放大器的输入信号，该信号经过放大、变换及调制，产生逻辑电平“1”和“0”作为激光二极管的开关控制信号。这样传感器前面板中心会发出新的准直激光射线，进行下一次距离测量。这种周而复始的控制方式使得放大器的输入和调制器输出产生两列按照一定频率振荡的脉冲信号。通过信号幅值测量电路和频率测量电路并对电路的输出信号进行处理、采样和校准，就可以获取距离以及返回信号强度信息。

(二)坐标系转换的原理

本发明校准方法中的测量数据使用大地坐标系，GPS系统提供的坐标(B，L，H)是WGS-84世界大地坐标系，其原点是地球的质心，z轴指向协议地球的极点方向，x轴指向零度子午面和协议地球极赤道的交点，y轴和x、z轴构成右手坐标系。

由激光测距仪和转台测量得出的标志点数据使用站极坐标系，站极坐标系采用观测点为原点，方位角α、仰角β和距离D共同构成站极坐标系。首先将测量数据变换到站直角坐标系下，至此完成了激光测距仪采集数据(D_Li，α_Li，β_Li)(i＝1,2,...20)到站直角坐标系下数据P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)的转换，再根据坐标分量计算水平精度和高度精度的RMS误差。

(三)基于上述理论依据及工作原理，本发明利用GPS和自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，包括如下步骤：

1)利用GPS系统测量与自动跟踪与测量系统的转台同址架设的激光测距仪所在位置的经度、纬度和海拔高度并记录L₀,B₀,H₀；

2)利用GPS系统测量选定标志点，所述的标志点为距离激光测距仪2km范围内，场地中等距离均匀分布的20个位置点；记录选定标志点的经、纬度和海拔高度并记录；

上述20个位置点的选择标准为：在距离激光测距仪2km范围内的跑道中心线上选4个基准标志点，4点间隔分别为100m、200m、400m、800m，在各基准标志点东西两侧各选取等距2点，通过GPS系统测量出场地中20个标志点在大地坐标系中的坐标L_i,B_i,H_i(i＝1,2...20)。

3)根据各标志点经、纬度和海拔高度，通过坐标转换，计算转台中心激光测距仪到各标志点的直线距离作为真值D_Gi(i＝1,2...20)；具体计算过程如下所示：

首先将GPS系统记录的经度L、维度B和高度H数据转换成大地直角坐标系，转换公式如下

$\left(\begin{array}{c}X=(N+H)\cos B\cos L\\ Y=(N+H)\cos B\sin L\\ Z=(N(1-E)+H)\sin B\end{array}\right.$

式中地球曲半径地球长半轴a＝6378137，地球短半轴b＝6356752，第一偏心率 $E=\frac{a^2-b^2}{a^2}$

再将GPS系统测得的各点大地直角坐标系转换到转台直角坐标系下，公式如下

$\left\{\begin{array}{c}x=(X\cos L_0+Y\sin L_0)\sin B_0-Z\cos B_0-\mathrm{\λ}\\ y=-X\sin L_0+Y\cos L_0\\ z=(X\cos L_0+Y\sin L_0)\cos B_0+Z\sin B_0-(H_0+\mathrm{\μ})\end{array}\right.$

式中，L₀，B₀，H₀分别为激光测距仪所处的经度、维度、和海拔高度，R_e为地球赤道半径取值6378.14km，δ为地球短半轴与长半轴之比，取值δ²＝0.993305458，另

$\mathrm{\μ}=R_e\sqrt{{\cos }^2{B}_0+{\mathrm{\δ}}^2{\sin }^2{B}_0},\mathrm{\λ}=R_e(1-{\mathrm{\δ}}^2)\cos B_0\sin B_0/\mathrm{\μ}$

最后得到转台直角坐标系下GPS系统测量的各标志点数据P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)(i＝1,2...20)，再通过如下公式计算转台中心距各标志点的直线距离。

$D_{\mathrm{Gi}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{GRi}}-x_{\mathrm{GR}0})}^2+{(y_{\mathrm{GRi}}-y_{\mathrm{GR}0})}^2+{(z_{\mathrm{GRi}}-z_{\mathrm{GR}0})}^2},(i=\mathrm{1,2}...20)$

4)制作一个网格靶标，网格靶标尺寸为2000mm×2000mm，采用横、竖向各5根方管组成，方管等间距布置，方管长度2000mm，等间隔243.75mm，开直径20mm的圆孔用于标定，每根方管开孔9个；靶标的中心点圆孔与转台上的相机画面中的中心十字叉中点对准，用于记录所选标记点的实际位置，靶标边框上其他圆孔用于检验转台与相机镜头的偏角和误差。将网格靶标放置在其中一个选定标志点上，通过计算机控制转台，调整转台上的相机角度及镜头焦距，使相机画面中的中心十字叉中点对准靶标中心点；

5)打开激光测距仪，驱动转台使激光光斑对准步骤4)选定的标志点，记录测量距离值D_Li及其对应的转台角度α_Li和β_Li，计算出各标志点在转台直角坐标系中的坐标P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)；计算方法如下所示

首先将测量的站心极坐标系下距离D_Li，方位角α_Li，仰角β_Li转换成站心直角坐标系，计算公式如下

$\left\{\begin{array}{c}x=D\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ y=D\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ z=D\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

最后得到转台直角坐标系下激光测距仪测量的各标志点数据P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)。

6)重复步骤4)、5)，测量得到20个标志点的测量距离值D_Li(i＝1,2,...20)及其对应的转台角度α_Li和β_Li(i＝1,2,...20)，并计算得到20个标志点在转台直角坐标系中的坐标P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,...20)。

7)将所测得的数据与计算得到的真值比较，计算D_Gi与D_Li之间的RMS误差，作为距离测量精度；计算激光测距仪测量值P_Li(x_Li,y_Li,z_Li)与GPS系统测量值P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)的坐标分量x_Li，z_Li与x_GRi，z_GRi之间的RMS(均方根)误差，分别作为水平精度和高度精度。计算公式如下所示

(四)本发明创造的使用效果和优点

通过实际应用，利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法能够在大量程测量时有效的校准激光测距仪的精度，较传统的手工测量方法方便、快捷，而且在手工测量无法在空间校准实现时，本发明的方法成了唯一有效、准确的校准方法。

通过使用本发明的方法对高精度激光测距仪进行校准，节省了大量的人力、物力和时间，可以满足高精度激光测距仪的精度要求，同时也可以在激光测距仪架设、迁移等各种需要精度重新校准的场合应用。作为自动跟踪与测量系统中重要的部件，激光测距仪精度的提高可以使自动跟踪与测量系统实现飞机近场飞行轨迹跟踪处理，以直观可视化控制方式将近场飞行的飞机姿态、襟副翼、起落架、舵面等工作情况以画面形式实时、连续、稳定地传送给指挥员，有效完成对飞机起飞和着路阶段实施监控，保证飞机的飞行安全，并以图像、参数等形式记录飞机近场飞行轨迹，为科研飞机的试飞提供宝贵的分析数据。

Claims (4)

1.利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)利用GPS系统测量与自动跟踪与测量系统的转台同址架设的激光测距仪所在位置的经、纬度和海拔高度并记录L₀,B₀,H₀；

2)利用GPS系统测量选定标志点，所述的标志点为距离激光测距仪2km范围内，场地中等距离均匀分布的20个位置点；记录选定标志点的经、纬度和海拔高度并记录L_i,B_i,H_i(i＝1,2…20)；

3)根据各标志点经、纬度和海拔高度L_i,B_i,H_i(i＝1,2…20)，计算激光测距仪到各标志点的直线距离作为真值D_Gi(i＝1,2…20)；

4)制作一个网格靶标，将网格靶标放置在其中一个选定标志点上，通过计算机控制转台，调整转台上的相机角度及镜头焦距，使相机画面中的中心十字叉中点对准靶标中心点；

5)打开激光测距仪，驱动转台使激光光斑对准放置在步骤4)选定的标志点上的网格靶标中心点，记录测量距离值D_Li及其对应的转台角度α_Li和β_Li，计算出该标志点在转台直角坐标系中的坐标P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,…20)；

6)重复步骤4)、5)，对各标志点进行测量、记录数据并计算出转台直角坐标系下的坐标；

7)将激光测距仪测得的数据P_Li(x_Li,y_Li,z_Li),(i＝1,2,…20)与GPS系统得到的数据P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)(i＝1,2…20)比较，得出激光测距仪校准的结果。

2.根据权利要求l所述的利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，其特征在于，所述的网格靶标尺寸为2000mm×2000mm，采用横、竖向各5根方管组成，方管等间距布置，方管长度2000mm，等间隔243.75mm，开直径20mm的圆孔用于标定，每根方管开孔9个；靶标的中心点圆孔与转台上的相机画面中的中心十字叉中点对准，用于记录所选标志点的实际位置，靶标边框上其他圆孔用于检验转台与相机镜头的偏角和误差。

3.根据权利要求l所述的利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，其特征在于，所述步骤(2)中，20个位置点的选择标准为：在距离激光测距仪2km范围内的跑道中心线上选4个基准标志点，4点间隔分别为100m、200m、400m、800m，在各基准标志点东侧选取等距2点，西侧也选取等距2点，用GPS系统测量出场地中20个标志点在大地坐标系中的坐标L_i,B_i,H_i(i＝1,2…20)。

4.根据权利要求1所述的利用GPS及自动跟踪与测量系统对高精度激光测距仪的校准方法，其特征在于，步骤(7)中激光测距仪所测得的数据与GPS真值比较，计算D_Gi与D_Li之间的均方根误差RMS，作为距离测量精度；计算激光测距仪测量值P_Li(x_Li,y_Li,z_Li)与GPS系统测量值P_GRi(x_GRi,y_GRi,z_GRi)的坐标分量x_Li，z_Li与x_GRi，z_GRi之间的RMS误差，分别作为水平精度和高度精度。