CN105115478A

CN105115478A - 机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法

Info

Publication number: CN105115478A
Application number: CN201510542154.8A
Authority: CN
Inventors: 张小虎; 刘进博; 刘海波
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明涉及机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法，用于测量与修正由机动经纬仪基座平台晃动导致的仪器观测误差。将相机安装于机动经纬仪基座平台上，并在其外部设置水平基准，采用“两次传递”，即根据机动经纬仪水平状态与晃动状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经纬仪基座平台相对水平状态的晃动量，并在此基础上修正经纬仪观测结果。本发明可实时、高精度地修正由经纬仪基座平台晃动引起的仪器观测误差，机动经纬仪基座平台晃动量越小，经纬仪观测结果修正精度越高，且当机动经纬仪基座平台姿态晃动量为20角分时，修正后经纬仪观测误差不大于19角秒。

Description

机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法

技术领域

本发明主要基于摄像测量学原理，利用安装于不稳定平台之上的相机及固连于地面的外置基准标志物，实时、高精度的测量不稳定平台姿态变化量。

背景技术

光学测量是实验固体力学中的基本测量方法，具有高精度、非接触、显示直观等优势。移动光学测量设备大大提高了光学测量方法的灵活性，在国防试验领域，尤其是飞机、导弹等运动目标外弹道参数测量方面发挥着其它测量手段不可替代的作用。

移动光学测量设备对其基座平台的稳定性要求很高，但是在很多应用条件下，受环境因素或其自身硬件影响，基座平台会发生小幅晃动，成为不稳定平台，使得安装于其上的仪器设备测量基准发生变化，进而降低仪器设备测量精度。测量与修正由于不稳定平台晃动引入的仪器设备测量误差是提高移动光学测量设备测量精度的关键。

机动经纬仪和车载雷达是靶场应用最为广泛的移动测量设备，但由于基座平台不稳定性的存在，使得在试验任务中，载车只是作为运输工具，到达点位后，将仪器设备落于稳定的地基之上工作，并未实现真正的“不落地测量”，很大程度上限制了移动测量设备的灵活性。

移动测量设备基座平台的晃动修正问题的核心是基座平台姿态变化的高精度测量。

国外类似仪器常采用的方式为：利用多个接触式姿态传感器对基座平台的姿态变化进行实时测量，根据反馈数据修正姿态晃动误差，提高安装于基座平台上的仪器设备测量精度。如美国生产的超级数字式自动跟踪记录仪能探测和跟踪斜距为一千公里的再入目标，测角精度为一角秒；其生产的地面电光深空监视系统能探测到四千公里高的足球大小目标，测角精度为十角秒。

国内长春光学精密机械与物理研究所对机动经纬仪基座平台晃动动态测量问题作了一些理论研究和实验分析：高云国等人基于光电经纬仪基座平台上垂直安装的两个水平传感器，提出了机动经纬仪基准平面测角误差修正方法，利用水平传感器反馈基座平台姿态变化数据；乔彦峰等人将液浮平面作为大地水平基准，固连于机动经纬仪基座平台的激光发射器发射的激光经液浮平面反射后在CCD靶面上成像，根据像点的变化计算基座平台的姿态变化量。此外，长春理工大学、北京航空航天大学等科研单位也在基座平台晃动测量与修正方面进行了一些探索性研究：吴非等利用GPS对激光陀螺捷联惯导系统初始动基座对准问题作了研究，华中科技大学朱利娜等利用GPS对船体姿态变形问题进行了研究，牛忠文等提出了一种测量雷达天线座的水平误差的方法。但是，这些针对移动测量设备基座平台晃动测量与修正的方法成本高、动态响应性能差，在实际应用中还存在很大局限性。

与专利“不稳定平台静态基准转换方法”相比，本发明具有以下几点优势：

（1）将机动经纬仪的调平过程转移到外部水平基准上，避免了经纬仪工作前高精度水平调校的难题；

（2）通过水平状态经纬仪与外部水平基准的初始对准，降低了安装关系的标定精度要求；

（3）将补偿量的计算与经纬仪基座平台的晃动量测量独立进行，提高了晃动量测量的精度与效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用摄像测量原理，实时、高精度测量机动经纬仪基座平台的晃动量，包括位置和姿态，并修正由其造成的观测误差。

本发明的技术方案是：将高分辨率相机安装于机动经纬仪基座平台上，并在其外部设置小型的、易于调平的水平基准，采用“两次传递”，即根据机动经纬仪水平状态与晃动状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经纬仪基座平台相对水平状态的晃动量，并在此基础上修正经纬仪观测结果。

其中，外置水平基准为由数量一定的、空间位置相对固定的十字标志灯组成，数量及空间分布可根据相机性能、应用环境而定，其水平调校由倾角传感器或水平仪等调校工具完成。

有益效果

采用本发明可以达到以下技术效果：实时、高精度地修正由经纬仪基座平台晃动引起的仪器观测误差，实验结果表明：机动经纬仪基座平台晃动量越小，经纬仪观测结果修正精度越高，且当机动经纬仪基座平台姿态晃动量为20角分时，修正后经纬仪观测误差不大于19角秒。

附图说明

图1是本发明硬件布置示意图；

图2是本发明测量原理水平对准示意图；

图3是本发明测量原理晃动测量示意图。

具体实施方式

本发明提出的机动经纬仪基座平台晃动量测量方法按以下步骤进行：

1、相机和外置基准标志物的安装，初始标定相机内参数、像差系数及外置基准标志点坐标；

2、标定相机与机动经纬仪的安装关系；

3、计算系统补偿量；

4、机动经纬仪工作状态下，测量机动经纬仪晃动状态与外置水平基准的关系，结合系统补偿量，计算机动经纬仪基座平台晃动量；

5、根据机动经纬仪晃动状态相对水平状态的晃动量，修正经纬仪观测误差。

下面对实施方式中的每个步骤进行详细的阐述。

1、相机和外置基准标志物的安装：

相机与机动经纬仪基座平台固连；在距离相机3-4米、相机视场内，放置与地面相对静止的外置水平基准，调整相机参数，使之成像清晰。

相机内参数及像差系数标定：

采用基于平面靶板的相机内参数及像差标定方法，通过相机对不同姿态的棋盘格平面靶板成像、提取像点后，利用基于共面控制点的标定方法计算相机内参数和像差系数。

2、相机与机动经纬仪的安装关系标定：

在相机视场内放置6个以上的控制点，首先计算这些控制点在经纬仪坐标系中的坐标，然后利用基于异面控制点的相机标定方法计算相机与机动经纬仪的安装关系。

3、计算系统补偿量：

首先，将机动经纬仪高精度调至水平状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、，将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，由于机动经纬仪处于水平状态，不存在晃动量，因此、可以看作为水平系统误差，即、；然后，在机动经纬仪工作初始时刻稳定状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、，将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，由于机动经纬仪处于稳定状态，不存在方位晃动量，因此可以看作为方位系统误差，即；最后，、、、即为系统补偿量。

4、测量机动经纬仪晃动状态与外置水平基准的关系：

时刻，机动经纬仪处于晃动状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、。将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，结合上一步得到的系统补偿量，机动经纬仪晃动状态相对水平状态的晃动量为：

5、修正经纬仪观测误差：

时刻，机动经纬仪对目标的观测角为（高低角）、（方位角），晃动量为、、、，机动经纬仪晃动状态到水平状态的转换矩阵、：

修正公式如下：

其中，、为修正后经纬仪观测结果，～为矩阵的九个元素，即：

。

Claims

1.机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法，将相机安装于机动经纬仪基座平台上，并在其外部设置水平基准，其特征在于，采用“两次传递”，即根据机动经纬仪水平状态与晃动状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经纬仪基座平台相对水平状态的晃动量，并在此基础上修正经纬仪观测结果，具体步骤如下：

步骤1、相机和外置基准标志物的安装：

相机与机动经纬仪基座平台固连；在距离相机3-4米、相机视场内，放置与地面相对静止的外置水平基准，调整相机参数，使之成像清晰；

相机内参数及像差系数标定：

采用基于平面靶板的相机内参数及像差标定方法，通过相机对不同姿态的棋盘格平面靶板成像、提取像点后，利用基于共面控制点的标定方法计算相机内参数和像差系数；

步骤2、相机与机动经纬仪的安装关系标定：

在相机视场内放置6个以上的控制点，首先计算这些控制点在经纬仪坐标系中的坐标，然后利用基于异面控制点的相机标定方法计算相机与机动经纬仪的安装关系；

步骤3、计算系统补偿量：

首先，将机动经纬仪高精度调至水平状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、，将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，由于机动经纬仪处于水平状态，不存在晃动量，因此、可以看作为水平系统误差，即、；然后，在机动经纬仪工作初始时刻稳定状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、，将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，由于机动经纬仪处于稳定状态，不存在方位晃动量，因此可以看作为方位系统误差，即；最后，、、、即为系统补偿量；

步骤4、测量机动经纬仪晃动状态与外置水平基准的关系：

时刻，机动经纬仪处于晃动状态，基于摄像测量学原理计算机动经纬仪到外置水平基准的转换矩阵、，将矩阵进行欧拉角分解，得到、、，分别表征了绕、、轴旋转的角度大小，结合上一步得到的系统补偿量，机动经纬仪晃动状态相对水平状态的晃动量为：

步骤5、修正经纬仪观测误差：

时刻，机动经纬仪对目标的观测角为高低角、方位角，晃动量为、、、，机动经纬仪晃动状态到水平状态的转换矩阵、：

修正公式如下：

。

2.根据权利要求1所述的机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法，其特征在于，所述水平基准为十字标志灯，十字标志灯数量及空间分布根据相机性能、应用环境而定，其水平调校由倾角传感器或水平仪调校工具完成。