CN106767934A - 天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，属于标定技术。天文定位所使用的倾角传感器在安装过程中存在输入轴不对准误差，以输入轴不对准角来表示。天文定位根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过相关的坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。利用GPS设备提供精确的经纬度信息即可完成高精度的姿态测量工作。通过在天文定位系统中增加GPS设备，完成其自身的姿态测量，将测量结果与倾角传感器的测量值建立联系，即可对倾角传感器的输入轴不对准角参数进行标定。减小甚至消除输入轴不对准误差，提高倾角传感器的测量精度。

Description

天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种标定技术，特别涉及一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，是一种用于天文定位系统水平测量的倾角传感器的高精度安装标定技术。

背景技术

天文定位是利用天体敏感器(如星敏感器、天文望远镜等)对已知准确空间位置自然天体进行光电测量，并通过对天体位置信息解算，从而确定被测平台所在的地理位置信息。天文定位以自主导航、定位精度高、抗干扰能力强等优点被广泛应用于航海、航空等领域。天文定位过程所需的已知量除天体位置信息外，还需要时间信息以及平台在地平坐标系中的水平测量信息，这些信息的精度将直接影响天文定位结果的准确性。时间信息通常可以利用GPS的标准秒信号或原子钟提供的时间信号，而水平测量信息则可以利用倾角传感器获取。倾角传感器的水平测量精度主要受两方面因素影响：倾角传感器自身的测量精度以及倾角传感器的安装标定精度，其中倾角传感器自身的测量精度是其本质特性，在出厂时已经确定，而安装标定精度则可以通过一定的方法进行提高。

倾角传感器的安装误差主要分为横轴误差和输入轴不对准误差。其中横轴误差主要是指当传感器在垂直于其敏感轴方向倾斜一定角度时耦合到传感器输出信号上所产生的误差。此误差通常可以通过将传感器的安装面与被测面紧密、平整、稳定的固定，或者通过设置相对零点的方式减小或消除。输入轴不对准误差是指在实际安装过程中，传感器的水平方向安装偏差。一般地，倾角传感器在安装时要求被测轴的倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合，当倾角传感器自身的敏感轴与实际被测轴方向不重合时，随倾斜的角度增大，产生的额外误差将呈正弦变化。仿真实验表明当被测倾角为10°，输入轴不对准角为1′时，水平倾角测量误差为0.003°，而此误差将导致天文定位系统的定位误差达到240米，此误差为天文定位系统中最主要的误差源，因此对于倾角传感器的安装标定对于提高天文定位系统的定位精度具有关键作用。由于天文定位设备为光电设备，被测的倾斜轴通常以光学系统的光轴在载体坐标系中的投影为基准，而光轴是看不见摸不到的非实体轴，因此倾角传感器的指定边沿很难与被测倾斜方向重合，因此输入轴不重合问题无法通过精确的安装过程解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过一种对倾角传感器输入轴不对准参数进行标定的方法，以减小甚至消除输入轴不对准误差，提高倾角传感器的测量精度，从而间接提高天文定位系统的性能。天文定位所使用的倾角传感器在安装过程中的输入轴不对准参数，以输入轴不对准角ω来表示，本发明将对天文定位系统进行改造，完成这此角度的标定工作。所述的天文定位系统由光学子系统、时间子系统、倾角传感器以及数据处理部分组成。自然天体所发出的光信号通过光学镜头，成像在图像传感器中，图像传感器将光信号转换成电信号，形成星图图像；通过对星图图像进行处理，可以提取天体在图像坐标系中的星象坐标；根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过相关的坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。为了标定倾角传感器安装过程中造成的输入轴不对准角，需要已知天文定位系统的自身姿态。而天文姿态测量系统与天文定位系统的不同之处在于姿态测量系统中不需要倾角传感器提供水平测量信息，而是利用GPS设备提供精确的经纬度信息即可完成高精度的姿态测量工作。通过在天文定位系统中增加GPS设备，完成其自身的姿态测量，将测量结果与倾角传感器的测量值建立联系，即可对倾角传感器的输入轴不对准角参数进行标定。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，步骤如下：

步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面，使倾角传感器的轴线方向与天文定位系统载体坐标系的被测轴，即光学子系统的光轴在载体坐标系中的投影保持一致；

步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量；

步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围在倾角传感器的量程范围内；

步骤四：通过天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系B中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置；

步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)获得星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；

其中，λ，分别表示使用GPS定位模块获取的测者所在位置的经度和纬度，表示星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置，表示星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；

步骤六：利用步骤四、步骤五获取3颗以上星观测量在载体坐标系B中的矢量位置及其对应的星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置，利用四元数估计方法(QUEST)，可以得到载体坐标系B与测者本地地平坐标系ENU之间的过渡矩阵为了便于表述，在此设过渡矩阵如式(2)：

其中，a₁₁～a₃₃均为已知常数。

步骤七：利用几何关系完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，已知倾角传感器敏感轴的测量角为ρ，待标定的输入轴不对准角为ω；令倾角传感器的敏感轴矢量为V，由于倾角传感器紧密贴合于天文定位系统的待测平面安装，其敏感轴矢量方向与天文定位系统载体坐标系的X_BOY_B平面重合或平行；则倾角传感器的敏感轴在载体坐标系B中的单位矢量V^B可用式(3)表示：

V^B＝[cosω,sinω,0]^T (3)

根据坐标变换关系可得，倾角传感器的敏感轴在测者本地地平坐标系ENU中的单位矢量V^ENU如式(4)：

由于V^ENU与测者本地地平坐标系X_BOY_B平面的夹角理论上与倾角传感器的敏感轴水平测量角ρ一致，因此通过解非线性方程(5)得到倾角传感器敏感轴的输入轴不对准角ω；

所述的倾角传感器为单轴倾角传感器或双轴倾角传感器。

所述的倾角传感器为两个单轴倾角传感器。即本发明方法为倾角传感器单个敏感轴的输入轴不对准角标定方法，此方法亦可用于双轴倾角传感器的两轴或两个单轴倾角传感器在天文定位系统中安装的输入轴不对准角标定。

所述的天文定位系统由光学子系统、时间子系统、倾角传感器以及数据处理部分组成，自然天体所发出的光信号通过光学镜头，成像在图像传感器中，图像传感器将光信号转换成电信号，形成星图图像；通过对星图图像进行处理，提取天体在图像坐标系中的星象坐标；根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。

本发明的有益效果在于：通过对天文定位系统进行改造，增加GPS设备获取精确的经纬度信息，使其变成姿态测量系统，利用此系统完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，以提高系统的定位精度。标定方法适用于各种基于天文定位原理的天文定位系统，仅需要增加GPS定位设备即可实现，简单方便、标定成本低、通用性强，标定算法可以以程序化形式自动完成，耗时短、自动化程度较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的天文定位系统的测量模型示意图；

图2为本发明的天文姿态测量模型示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明的倾角传感器标定涉及的坐标转换关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明的天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，所采用的天文定位系统工作原理如图1所示，首先，利用光学子系统对自然天体进行拍摄，并且使用图像传感器通过光电信号转换获取星图图像；对星图图像进行预处理以及质心提取，得到所拍摄的天体质心在图像坐标系中的位置；根据光学系统以及机械结构参数可以得到天体质心在载体坐标系中的矢量位置，即星观测量。

然后，利用导航星表中已知天体在天球坐标系中的精确矢量位置对星观测量进行星图识别，识别出导航星表中与星观测量相匹配的导航星，称为星参考量。已知导航星表中星参考量在天球坐标系中的精确位置，根据时间子系统提供的精确时间信息，通过一系列坐标变换获取星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量，具体变换过程可参考国际天文学联合会提供的相关公式。同时星观测量根据倾角传感器所提供的水平姿态信息可以获得其在测者本地地平坐标系ENU中的矢量。由于星观测量与星参考量实际为同一颗星在不同坐标系中的矢量位置，而国际地球参考系和地平坐标系的转换关系可以通过测者所在的地理位置和航向角构成。因此已知天体在国际地球参考系和地平坐标系中的矢量位置即可解算测者所在地理位置。

如图2所示，天文姿态测量与天文定位系统工作原理相似，不同之处在于天文姿态测量过程使用的星观测量为载体坐标系中的矢量，而星参考量为地平坐标系中的矢量，这便需要GPS设备提供测者所在地的精确经纬度信息。因此可以在天文定位系统中增加GPS模块，将天文定位设备改造成天文姿态测量设备，通过比较其自身的水平姿态测量结果与倾角传感器测得的倾角结果之间的关系，实现倾角传感器的输入轴不对准角标定。

具体标定步骤如图3所示：

步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面，使倾角传感器的轴线方向尽量与天文定位系统载体坐标系的被测轴(光学系统的光轴在载体坐标系中的投影)保持一致。

步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量。

步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围不能超出倾角传感器的量程。

步骤四：使用天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系(图4中的B坐标系)中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置。

步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)可以获得星参考量在测者本地地平坐标系(图4中ENU坐标系)中的矢量位置。

其中，λ，分别表示使用GPS定位模块获取的测者所在位置的经度和纬度，表示星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置，表示星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置。

步骤六：利用步骤四、步骤五获取3颗以上星观测量在载体坐标系B中的矢量位置及其对应的星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置，利用四元数估计方法(QUEST)，可以得到载体坐标系B与测者本地地平坐标系ENU之间的过渡矩阵为了便于表述，在此设过渡矩阵如式(2)：

其中，a₁₁～a₃₃均为已知常数。

步骤七：利用几何关系完成倾角传感器的输入轴不对准角标定。如图4所示，已知倾角传感器敏感轴的测量角为ρ，待标定的输入轴不对准角为ω。令倾角传感器的敏感轴矢量为V，由于倾角传感器紧密贴合于天文定位系统的待测平面安装，其敏感轴矢量方向与天文定位系统载体坐标系的X_BOY_B平面重合或平行。则倾角传感器的敏感轴在载体坐标系B中的单位矢量V^B可用式(3)表示：

V^B＝[cosω,sinω,0]^T (3)

根据坐标变换关系可得，倾角传感器的敏感轴在测者本地地平坐标系ENU中的单位矢量V^ENU如式(4)：

由于V^ENU与测者本地地平坐标系X_BOY_B平面的夹角理论上与倾角传感器的敏感轴水平测量角ρ一致，因此可通过解非线性方程(5)得到倾角传感器敏感轴的输入轴不对准角ω。

以上方法为倾角传感器单个敏感轴的输入轴不对准角标定方法，此方法亦可用于双轴倾角传感器的两轴或两个单轴倾角传感器在天文定位系统中安装的输入轴不对准角标定。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面；

步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量；

步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围在倾角传感器的量程范围内；

步骤四：通过天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置；

步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)获得星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；

其中，λ，分别表示使用GPS定位模块获取的测者所在位置的经度和纬度，表示星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置，表示星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；

步骤六：利用步骤四、步骤五获取3颗以上星观测量在载体坐标系B中的矢量位置及其对应的星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置，利用四元数估计方法(QUEST)，得到载体坐标系B与测者本地地平坐标系ENU之间的过渡矩阵为了便于表述，在此设过渡矩阵如式(2)：

$C_B^{ENU}=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，a₁₁～a₃₃均为已知常数；

步骤七：利用几何关系完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，已知倾角传感器敏感轴的测量角为ρ，待标定的输入轴不对准角为ω；令倾角传感器的敏感轴矢量为V，由于倾角传感器紧密贴合于天文定位系统的待测平面安装，其敏感轴矢量方向与天文定位系统载体坐标系的X_BOY_B平面重合或平行；则倾角传感器的敏感轴在载体坐标系B中的单位矢量V^B可用式(3)表示：

V^B＝[cosω,sinω,0]^T (3)

根据坐标变换关系可得，倾角传感器的敏感轴在测者本地地平坐标系ENU中的单位矢量V^ENU如式(4)：

$\begin{array}{c}{V}^{ENU}=C_B^{ENU}{V}^B\\ ={\[a_{11}\·\cos \mathrm{\ω}+a_{12}\·\sin \mathrm{\ω},a_{21}\·\cos \mathrm{\ω}+a_{22}\·\sin \mathrm{\ω},a_{31}\·\cos \mathrm{\ω}+a_{32}\·\sin \mathrm{\ω}\]}^T\end{array}---\left(4\right)$

由于V^ENU与测者本地地平坐标系X_BOY_B平面的夹角理论上与倾角传感器的敏感轴水平测量角ρ一致，因此通过解非线性方程(5)得到倾角传感器敏感轴的输入轴不对准角ω；

$atan\left(\frac{a_{31}\·cos\mathrm{\ω}+a_{32}\·sin\mathrm{\ω}}{\sqrt{{(a_{11}\·cos\mathrm{\ω}+a_{12}\·\sin \mathrm{\ω})}^2+{(a_{21}\·cos\mathrm{\ω}+a_{22}\·sin\mathrm{\ω})}^2}}\right)=\mathrm{\ρ}---\left(5\right).$

2.根据权利要求1所述的天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：所述的倾角传感器为单轴倾角传感器或双轴倾角传感器。

3.根据权利要求1所述的天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：所述的倾角传感器为两个单轴倾角传感器。

4.根据权利要求1所述的天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：所述的天文定位系统由光学子系统、时间子系统、倾角传感器以及数据处理部分组成，自然天体所发出的光信号通过光学镜头，成像在图像传感器中，图像传感器将光信号转换成电信号，形成星图图像；通过对星图图像进行处理，提取天体在图像坐标系中的星象坐标；根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。