CN105910624B - 一种惯组光学瞄准棱镜安装误差的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种惯组光学瞄准棱镜安装误差的标定方法。该标定方法通过绕惯组光学瞄准棱镜的棱线转动几个位置，各个位置上使用固定在一处位置的自准直经纬仪与惯组光学瞄准棱镜准直。惯组的相对姿态依靠惯性导航解算提供，经纬仪视准轴的相对姿态可由码盘读数计算获得。依据各个位置上经纬仪与惯组光学瞄准棱镜准直的初始条件，建立包含惯组光学瞄准棱镜安装误差Z0(偏转量)、Y0(倾斜量)的多元超定方程组，求解多元超定方程组即可获取惯组光学瞄准棱镜的安装误差Y0、Z0。本发明的惯组转动过程中的姿态由惯性导航解算给出，转动过程可在普通平台上手动完成，对测试设备要求低，易于实现，标定参数全面，具有较强的通用性。

Description

一种惯组光学瞄准棱镜安装误差的标定方法
技术领域
本发明属于惯性测量组合(简称惯组)测试领域，具体涉及一种惯组光学瞄准棱镜安装误差的标定方法。
背景技术
惯组光学瞄准棱镜为D II-180°直角棱镜，是惯组方位基准的输入输出接口，用于惯导系统初始对准时方位基准的引入和惯导方位基准结果的输出。由于加工和装配的误差，惯组光学瞄准棱镜的必然存在安装误差，而安装误差会传递到方位基准的引入和输出中，所以需要对惯组光学瞄准棱镜的安装误差进行标定，在使用中对其扣除才能使用。
传统的标定方法是将惯组安装在高精度转台上进行标定，而高精度转台设备复杂、昂贵，且难以适应大小不同、形状各异的惯组，导致该标定方法成本高、通用性差。在公开的文献资料中仅查到了两种不同于传统的标定方法，一种是《一种激光捷联惯导系统棱镜棱线方位安装误差标定方法》，专利号：CN201310446728.2，公开日：2013年12月25日。该方法脱离了对高精度转台的依靠，无需坐标系转换，操作简单，但存在如下的局限：标定参数不全，仅能标定安装误差的偏转量；当安装误差倾斜量较大时，会影响到安装误差偏转量的标定精度，直至标定结果无法使用。另一种是《一种平台系统的光学瞄准棱镜安装精度偏差标定检测方法》，专利号：CN201410805477.7，公开日：2015年6月10日。该方法能够完成光学瞄准棱镜安装误差的倾斜量，易于实现，但存在如下局限：需要将设备架设到高处调平，所需场地大，操作相对复杂；对不以正六面体基准安装的瞄准棱镜或直接将光学瞄准棱镜固定在基座上的捷联惯组，则无法标定出安装误差偏转量，通用性不强。
发明内容
本发明主要针对目前惯组光学瞄准棱镜安装误差标定存在的对测试设备要求高、成本高、通用性不强，或者参数标定不全面，使用范围受限的不足，提出一种既能降低测试设备要求和标定成本，又能保证同等标定精度、参数标定全面、通用性较强的标定方法。
本发明基于惯性导航解算提供惯组姿态，进而获得标定过程中惯组各个位置间的相对姿态，依据自准直经纬仪架设位置不动，在各个位置上与惯组光学瞄准棱镜准直的条件，利用矩阵光学的知识，建立包含惯组光学瞄准棱镜安装误差的偏转量Z0和倾斜量Y0的超定方程组，使用最小二乘方法求解该超定方程组得到惯组光学瞄准棱镜安装误差Z0和Y0。
本发明所使用的坐标系定义如下：
B系——惯组坐标系。
M系——棱镜理论位置(棱镜安装误差定义基准)坐标系，X轴平行于理论棱线，Y轴平行于理论棱镜通光面的外法线，通常与B系重合。
P系——棱镜实际位置坐标系：X轴平行与实际棱线，Y轴平行于棱镜通光面的外法线。
L系——水平坐标系，X轴铅垂向上，Y轴与YM1轴(惯组在第1位置时M系的Y轴)在水平面的投影重合。
T系——自准直经纬仪坐标系，T系与自准直经纬仪竖轴固定，Z轴与竖轴重合，X轴与横轴重合。
G系——东北天(ENU)地理坐标系。
该发明包含如下步骤：
步骤一：惯组放置在平台上，放置时惯组光学瞄准棱镜棱线竖直，通光面朝向自准直经纬仪。自准直经纬仪架设在惯组光学瞄准棱镜的正前方，且能够引入北向方位基准的位置，自准直经纬仪视准轴与惯组光学瞄准棱镜等高，距离惯组光学瞄准棱镜0.5m～5m均可，对自准直经纬仪进行精确调平。设备架设好后，连接惯组电缆通电加温，加温好后，启动惯组数据采集。
步骤二：规划标定过程中的惯组静止位置，在标定过程中规划的惯组静止位置数不小于3个，各个位置均是由惯组绕惯组光学瞄准棱镜的棱线转动得到，所有位置均匀分布，空间分布相邻位置的间隔10°～20°，第1位置(初始位置)尽可能选用中间的位置。
步骤三：在第1个静止位置操作自准直经纬仪分别使用正镜和倒镜与惯组光学瞄准棱镜准直，记录自准直经纬仪正镜的水平盘、竖盘读数HL1、VL1，倒镜水平盘、竖盘读数HR1、VR1。使用自准直经纬仪正镜瞄准北向方位基准，记录自准直经纬仪正镜水平盘读数HLB和北向方位基准的北向方位角B0。当惯组在第1位置的采集时间超过2min后，绕惯组光学瞄准棱镜棱线转动惯组到达下一个位置，转动过程中惯组数据采集不中断。
步骤四：到达第i个位置，使用自准直经纬仪正镜和倒镜与惯组光学瞄准棱镜准直，记录自准直经纬仪正镜的水平盘、竖盘读数HLi、VLi，倒镜水平盘、竖盘读数HRi、VRi读数，测量完毕后，旋转惯组到下一位置，重复该步骤测量，直到最后一个位置测量完毕，当最后一个位置测量完毕后，停止惯组数据采集。
步骤五：利用标定过程中惯组采集的数据进行导航计算。首先在第1位置上使用双矢量定姿法进行初始对准，计算出第1位置M系-Y轴的北向方位角SM1，然后进行导航解算计算 出惯组在各个时刻的姿态，进而求得第i位置时L系到M系的姿态矩阵对应的欧拉角分别为ψi、θi、γi，转动顺序为Z、Y、X。
SM1＝π+Azmy
式中：cij为姿态矩阵(第1位置时M系到G系的姿态矩阵)的第i行第j的元素，
Azmy为第1位置时M系Y轴的北向方位角，
SM1为第1位置时M系-Y轴的北向方位角。
步骤六：计算第1位置时自准直经纬仪视准轴的北向方位角ST1、各个位置T系(自准直经纬仪坐标系)到L系的转角αi和自准直经纬仪视准轴的俯仰角βi。
ST1＝B0+HL1-HLB
式中：ki的取值为整数，其取值需保证αi的取值范围在(-π，π]；
ST1为第1位置自准直经纬仪正镜准直时，其视准轴的北向方位角；
SM1为第1位置M系-Y轴的北向方位角；
B0为北向方位基准的北向方位角；
HLB为自准直经纬仪正镜瞄准北向方位基准时的水平盘读数；
HLi、HRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的水平盘读数；
VLi、VRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的竖盘读数；
αi为第i位置时，T系绕Z轴沿最短路径转动到与L系重合时转动的角度；
βi为第i位置时，自准直经纬仪视准轴俯仰角，在水平面上方为正，水平面下方为负。
步骤七：根据各个位置上，惯性导航解算出惯组的相对基准和自准直经纬仪保持的相对基准，结合各个位置上自准直经纬仪视准轴与惯组光学瞄准棱镜准直的条件，运用矩阵光学的知识建立包含惯组光学瞄准棱镜安装误差Y0、Z0的多元超定方程组，使用最小二乘方法求解惯组光学瞄准棱镜的安装误差Y0、Z0。
[Y0sin(γi-αi)+Z0cos(γi-αi)+ψicosαi-θisinαi]＝βi
式中：Y0、Z0分别为惯组光学瞄准棱镜安装误差的倾斜量和偏转量；
ψi、θi、γi为i位置时，L系到M系的姿态矩阵对应的欧拉角，转动顺序为Z、Y、X；
αi为第i位置时，T系绕Z轴沿最短路径转动到与L系重合时转动的角度；
βi为第i位置时，自准直经纬仪视准轴的俯仰角。
由于陀螺的误差会随时间累积，为获得较高的惯性导航精度，惯组转动的时间尽可能短；除第1位置外，其余位置在满足测试条件下，停留时间尽可能短；第1位置惯组采集数据需用于初始对准，数据采集时间应不小于2min。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
首次将惯组光学瞄准棱镜安装误差标定和惯性导航结合起来，运用惯性导航完成惯组光学瞄准棱镜安装误差标定，填补了该项技术的空白。
利用惯组具有测量载体的角速率和加速度的功能，通过惯性导航解算为惯组提供标定过程中的基准，可在普通平台上完成，能适应不同形状和大小的惯组，避免了使用价格昂贵、装调复杂、承载的负载质量及体积均有限的高精度转台。因此降低了对测试设备的要求，节约了成本，扩展了标定方法的适用范围，提高了通用性。
能够标定出惯组光学瞄准棱镜安装误差的完整参数，即棱线的偏转量Z0和棱线的倾斜量Y0，克服了现有使用加速度计调平方法只能标定棱线偏转量Z0的局限，提高了通用性。
使用自准直经纬仪正镜和倒镜对准惯组光学瞄准棱镜，有效扣除自准直经纬仪的竖盘指标差，提高标定精度。
附图说明
图1为本发明测试仪器架设示意图；
图2为本发明惯组位置规划俯视示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
步骤一：如图1所示，惯组1放置在平台4上，放置时惯组光学瞄准棱镜2的棱线竖直，通光面朝向自准直经纬仪3。自准直经纬仪支架5架设在惯组光学瞄准棱镜2的正前方，且能够引入北向方位基准的位置，距离0.5m～5m均可。自准直经纬仪3固定在自准直经纬仪支架5上，调节自准直经纬仪支架5使自准直经纬仪3的视准轴与惯组光学瞄准棱镜2等高，对自准直经纬仪3进行精确调平。设备架设好后，连接惯组1的电缆通电加温，加温好后，启动惯组1的数据采集，惯组采样周期为10ms。
步骤二：在第1个静止位置(初始位置)使用自准直经纬仪3与惯组光学瞄准棱镜2准直，记录自准直经纬仪3的正镜的水平盘、竖盘读数HL1、VL1，倒镜水平盘、竖盘读数HR1、VR1，自准直经纬仪数据记录见表1使用自准直经纬仪3正镜瞄准北向方位基准(其北向方位角B0＝0°2′36″)，记录自准直经纬仪的正镜水平盘读数HLB＝154°46′9″。当惯组1在第1位置的采集时间超过3min后，则转动惯组1绕惯组光学瞄准棱镜2的棱线转动到达下一个位置，转动过程中惯组1的数据采集不中断。
步骤三：到达第i个位置，使用自准直经纬仪3与惯组光学瞄准棱镜2准直，记录自准直经纬仪3的正镜的水平盘、竖盘读数HLi、VLi，倒镜水平盘、竖盘读数HRi、VRi读数，测量完毕后，旋转惯组1到如图2所示的下一位置，重复该步骤，直到最后一个位置测量完毕。自准直经纬仪数据记录见表1
表1自准直经纬仪数据
位置序号 H<sub>Li</sub> V<sub>Li</sub> H<sub>Ri</sub> V<sub>Ri</sub>
1 33°20′37″ 90°13′32″ 213°20′39″ 269°47′40″
2 33°20′32″ 90°12′26″ 213°20′33″ 269°48′47″
3 32°50′37″ 90°11′38″ 212°50′37″ 269°49′33″
4 36°19′39″ 90°15′09″ 216°19′40″ 269°46′07″
5 37°44′21″ 90°16′24″ 217°44′20″ 269°44′49″
步骤四：当最后一个位置的自准直经纬仪与惯组光学瞄准棱镜准直测试完毕后，停止惯组数据采集。
步骤五：利用标定过程中惯组采集的数据进行导航计算，首先在第1静止位置上使用双矢量定姿法进行初始对准，计算出第1位置M系-Y轴的北向方位角SM1＝241.4153°，然后进行导航解算，计算出惯组在各个时刻的姿态，进而求得第i位置时L系到惯组M系的姿态矩阵对应的欧拉角分别为ψi、θi、γi，转动顺序为Z、Y、X。欧拉角计算结果见表2
表2欧拉角、自准直经纬仪转角及俯仰角数据
步骤六：计算第1位置时自准直经纬仪视准轴的北向方位角ST1＝238°37′4″，计算各个位置自准直经纬仪坐标系(T系)到L系的转角αi和自准直经纬仪视准轴的俯仰角βi，计算结果见表2计算公式如下：
ST1＝B0+HL1-HLB
式中：ki的取值为整数，其取值需保证αi的取值范围在(-π，π]，
ST1为第1位置自准直经纬仪正镜准直时，其视准轴的北向方位角；
SM1为第1位置M系-Y轴的北向方位角；
B0为北向方位基准的北向方位角；
HLB为自准直经纬仪正镜瞄准北向方位基准时的水平盘读数；
HLi、HRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的水平盘读数；
VLi、VRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的竖盘读数；
αi为第i位置时，自准直经纬仪坐标系(T系)绕Z轴沿最短路径转动到与L系重合时转动的角度；
βi为第i位置时，自准直经纬仪视准轴俯仰角，在水平面上方为正，水平面下方为负。
步骤七：根据各个位置上，自准直经纬仪视准轴与惯组光学瞄准棱镜准直的条件，运用矩阵光学的知识建立多元超定方程组，超定方程组如下：
[Y0sin(γi-αi)+Z0cos(γi-αi)+ψicosαi-θisinαi]＝βi
式中：Y0、Z0分别为惯组光学瞄准棱镜安装误差的倾斜量和偏转量；
ψi、θi、γi为第i位置时，L系到M系的姿态矩阵对应的欧拉角，转动顺序为Z、Y、X。
步骤八：使用最小二乘方法求解步骤七建立的超定方程组，计算出惯组光学瞄准棱镜的安装误差偏转量Z0、倾斜量Y0。解算结果：Z0＝-318.5″，Y0＝-562.6″。
为验证该方法的正确性，与传统高精度转台标定方法进行对比，对比结果如表3所示。从表3可知，本发明标定方法与传统标定方法的标定结果吻合，极差不超过10″。
表3标定结果对比表
安装误差项 本发明标定方法 传统标定方法 差值
Y<sub>0</sub> -318.5″ -312.8″ -5.7″
Z<sub>0</sub> -562.6″ -554.1″ -8.5″
补充说明如下：
5个位置尽可能均匀分布，空间分布相邻位置的间隔10°～20°。本实例中有两个间隔在8°左右，间隔比要求小，但是不影响标定计算，只是会对标定精度造成一部分损失。
所使用的自准直经纬仪天定角为0，顺时针转动水平盘读数增加。
ST1、SM1等北向方位角结果需归一化到[0，360°)，模值为360°。
实例中自准直经纬仪为徕卡T5100；惯组精度如下：陀螺零偏稳定性(3σ)≤0.05°/h；加速度零偏稳定性(3σ)≤1×10-4g。
惯组光学瞄准棱镜的偏转量Z0、倾斜量Y0分别指惯组光学瞄准棱镜绕M系Z轴、Y轴的转动角度。
当惯组B系与M系不重合时，可以根据(B系到M系的姿态矩阵)将M系求得的Z0、Y0转换到B系中。

Claims (7)

1.一种惯组光学瞄准棱镜安装误差的标定方法，采用自准直经纬仪与惯组光学瞄准棱镜准直的方式进行标定，其特征在于标定过程中，惯组在各个标定位置上的相对姿态由惯性导航解算得出，通过以下步骤实现：
(1)惯组放置在平台上，自准直经纬仪架设在惯组光学瞄准棱镜的正前方，且能够引入北向方位基准的位置，自准直经纬仪视准轴与惯组光学瞄准棱镜等高，距离0.5m～5m均可，惯组光学瞄准棱镜的棱线竖直，通光面朝向自准直经纬仪，调平自准直经纬仪；
(2)连接惯组电缆通电加温至工作温度，启动惯组数据采集；
(3)规划标定过程中的惯组静止位置，静止位置不少于3个；
(4)在第1个静止位置，操作自准直经纬仪分别用正镜和倒镜与惯组光学瞄准棱镜准直，采集记录自准直经纬仪正镜的水平盘、竖盘读数HL1、VL1，倒镜水平盘、竖盘读数HR1、VR1，操作自准直经纬仪正镜瞄准北向方位基准，记录自准直经纬仪正镜的水平盘读数HLB和北向方位基准的北向方位角B0；
(5)在第i个静止位置，操作自准直经纬仪分别用正镜和倒镜与惯组光学瞄准棱镜准直，采集记录自准直经纬仪正镜的水平盘、竖盘读数HLi、VLi，倒镜水平盘、竖盘读数HRi、VRi，测量完毕后，旋转惯组到下一位置，重复该步骤测量，直到最后一个位置测量完毕，当最后一个位置测量完毕后，停止惯组数据采集；
(6)利用标定过程中惯组采集的数据进行导航计算；
(7)计算第1位置时自准直经纬仪视准轴的北向方位角ST1，计算各个位置T系到L系的转角αi和自准直经纬仪视准轴的俯仰角βi，计算方法如下：
ST1＝B0+HL1-HLB
式中：L系为水平坐标系，
T系为自准直经纬仪坐标系，
ki的取值为整数，其取值需保证αi的取值范围在(-π，π]，
ST1为第1位置自准直经纬仪正镜准直时，其视准轴的北向方位角，
SM1为第1位置M系-Y轴的北向方位角，
B0为北向方位基准的北向方位角，
HLB为自准直经纬仪正镜瞄准北向方位基准时的水平盘读数，
HLi、HRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的水平盘读数，
VLi、VRi分别为第i位置时，自准直经纬仪正镜、倒镜的竖盘读数，
αi为第i位置时，T系绕Z轴沿最短路径转动到与L系重合时转动的角度，
βi为第i位置时，自准直经纬仪视准轴俯仰角，在水平面上方为正，水平面下方为负；
(8)根据各个位置上，惯性导航解算出惯组的相对基准和自准直经纬仪保持的相对基准，结合各个位置上自准直经纬仪视准轴与惯组光学瞄准棱镜准直的条件，建立包含惯组光学瞄准棱镜安装误差倾斜量Y0、偏转量Z0的多元超定方程：
[Y0sin(γi-αi)+Z0cos(γi-αi)+ψicosαi-θisinαi]＝βi
式中：Y0、Z0分别为惯组光学瞄准棱镜安装误差的倾斜量和偏转量，即惯组光学瞄准棱镜的安装误差，
ψi、θi、γi为i位置时，L系到M系的姿态矩阵对应的欧拉角，转动顺序为Z、Y、X，
αi为第i位置时，T系绕Z轴沿最短路径转动到与L系重合时转动的角度，
βi为第i位置时，自准直经纬仪视准轴的俯仰角，
M系为棱镜理论位置坐标系；
(9)求解多元超定方程：[Y0sin(γi-αi)+Z0cos(γi-αi)+ψicosαi-θisinαi]＝βi，获取惯组光学瞄准棱镜的安装误差Y0、Z0。
2.如权利要求1所述的一种惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于所述步骤(3)规划标定过程中的惯组静止位置不少于3个，各个位置均是由惯组绕惯组光学瞄准棱镜的棱线转动得到，所有位置均匀分布，空间分布相邻位置的间隔10°～20°，第1位置尽可能选用中间的位置。
3.如权利要求1所述的惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于所述步骤(4)当惯组在第1位置的采集时间超过2min后，绕惯组光学瞄准棱镜棱线转动惯组到达下一个位置，转动过程中惯组数据采集不中断。
4.如权利要求1所述的惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于所述步骤(4)和步骤(5)中，惯组在静止位置时，惯组光学瞄准棱镜棱线的铅垂度不大于2°。
5.如权利要求1所述的惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于所述步骤(6)惯组光学瞄准棱镜安装误差求解时使用的惯组姿态信息由惯性导航解算提供，首先在第1位置上使用双矢量定姿法进行初始对准，计算出第1位置M系-Y轴的北向方位角SM1，然后进行导航解算计算出惯组在各个时刻的姿态，进而求得第i位置时L系到M系的姿态矩阵对应的欧拉角分别为ψi、θi、γi，转动顺序为Z、Y、X。
6.如权利要求1所述的惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于自准直经纬仪分为正镜准直和倒镜准直，可以扣除自准直经纬仪指标差。
7.如权利要求1所述的惯组光学瞄准棱镜安装误差标定方法，其特征在于所使用的坐标系定义如下：
B系——惯组坐标系；
M系——棱镜理论位置坐标系，X轴平行于理论棱线，Y轴平行于理论棱镜通光面的外法线，与B系重合；
P系——棱镜实际位置坐标系：X轴平行与实际棱线，Y轴平行于棱镜通光面外法线；
L系——水平坐标系，X轴铅垂向上，Y轴与YM1轴即惯组在第1位置时M系的Y轴，在水平面的投影重合；
T系——自准直经纬仪坐标系，T系与自准直经纬仪竖轴固定，Z轴与竖轴重合，X轴与横轴重合；
G系——东北天ENU地理坐标系。
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