CN107991691B - 一种卫星导航定位精度检定设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航定位精度检定设备，包括主体仪器和测量数据处理单元，主体仪器包括方位座以及相对方位座作方位回转运动的线性运动平台；方位座包括方位壳体、方位轴系、导电滑环、方位驱动电机、方位角度传感器和基准棱镜装置；线性运动平台包括支架壳体、动平衡机构、平移传感器和、导轨和平移驱动电机，导轨的上端设置有待检设备安装平台；还公开了对卫星导航定位精度的检定方法；本发明通过构建极坐标系，采用莫尔条纹测量距离、采用角度传感器测量角度，进而实现目标在局部坐标系下的高精度测量，再转换到卫星导航设备所在的坐标系下，从而实现对卫星导航设备定位精度的检定。

Description

一种卫星导航定位精度检定设备及方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位精度检定技术领域，具体涉及一种适于实时、高精度卫星导航定位精度检定设备，以及其对导航定位精度的检定方法。

背景技术

全球卫星导航定位系统是导航产品中最常见的设备。在我们的日常生活中已得到了广泛应用，从移动电话到个人导航设备，在电子世界的每一个角落都可以看到卫星导航的身影。卫星导航技术正在迅速地向新领域扩展，并在我们生活中扮演着越来越重要的角色。卫星导航技术变得越来越普及的同时，定位精度的检测就越发重要。

然而，卫星导航定位精度检定设备技术存在如下不足之处：

美国，联邦大地控制测量委员会FGCC检定场，虽然在国际上有较高影响力，但是不能检定动态定位指标；我国的沙河检定场、房山检定场、徐水检定场，不能检定动态定位指标；美国堪萨斯州立大学的 R.K.Talor等人设计了一个 800 米长的东西方向的铁轨，检测卫导接收机的动态定位指标，只能固定使用；我国信息工程大学许其凤院士等人利用数字摄影测量定位方法创造性地实现了接收机的动态检测，建立了完整的动态检测装置，但是受限于摄影测量定位，硬件投入大；我国信息工程大学郝金明教授等人采用全站仪对卫导定位精度进行检定，其精度较差，只能达到厘米级精度。

发明内容

本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，提供一种卫星导航定位精度检定设备，其通过构建极坐标系，采用莫尔条纹测量距离、采用角度传感器测量角度，进而实现目标在局部坐标系下的高精度测量，再转换到卫星导航设备所在的坐标系下，从而实现对卫星导航设备定位精度的检定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种卫星导航定位精度检定设备，包括主体仪器和测量数据处理单元，所述的主体仪器包括方位座以及相对方位座作方位回转运动的线性运动平台；所述的方位座主要完成方位角测量，并提供基准棱镜的安装接口，包括作为安装基础的方位壳体、方位驱动电机、方位角度传感器、方位轴系、基准棱镜装置和导电滑环；所述的方位轴系安装在方位壳体上，用于实现方位转动，同时承载方位驱动电机、方位角度传感器和导电滑环；所述的方位驱动电机安装在方位轴系上，用于根据方位角度传感器所测得的方位角度，使得方位座在方位方向上转动到指定位置，其驱动信号由测量数据处理单元通过所述导电滑环输入；所述的方位角度传感器安装在方位轴系上并与所述方位驱动电机同轴安装，用于对待测量对象相对于基准棱镜装置方位基准法线的方位角度进行测量，并将其信号传递给测量数据处理单元；所述的导电滑环嵌入在方位轴系内，用于在方位驱动电机、方位角度传感器、平移传感器与测量数据处理单元之间实现电气信号的连接；所述的基准棱镜装置安装在方位座上端侧面，用于为将设备所测得的长度量和角度值转换为同一坐标系的数值而建立坐标系基准；所述的线性运动平台主要完成长度测量，包括平移驱动电机、平移传感器、导轨、动平衡机构和作为安装基础的支架壳体；所述的测量数据处理单元用于对设备所测得的数据进行采样，并基于所建立的坐标系基准，将这些数据转换为同一坐标系的数值，接着将其中的长度值和方位角度换算成相应的电气驱动信号，并分别传递至平移驱动电机和方位驱动电机以完成对待测量对象的对准，最后根据各个传感器共同所反馈的偏移量，由此计算出设备所搭载载体的位置。

所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其动平衡机构与支架壳体之间设置有与导轨相平行的动平衡导轨。

所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其平移传感器为光栅尺。

所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其测量数据处理单元的数据采集方式为脉冲触发方式。

所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其方位壳体为不锈钢件。

本发明的目的之二在于提供上述检定设备的检定方法，其工作流程包括以下步骤：

a、精确测绘方位标和参考原点的位置，设置固定地基和安装接口，便于以后重复使用；

b、利用方位标精确标定方位零位，记录参考原点在WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系下的位置；

c、以参考原点为坐标原点，X轴在坐标原点水平面内，指向正东方向，Y轴为过坐标原点的指向天文北，Z轴按右手法则确定，指向朝上，建立东-北-天垂线测量坐标系；

d、将待检设备放置在参考原点处，记录其定位位置；

e、控制线性运动平台按照设定的轨迹进行运动，在设定的一系列采样点上同步采集待检设备的数据和系统的数据，其中为前述东—北—天垂线测量坐标系里X轴和Y轴相对参考原点的平移量；

f、将转换到WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系后得到真值，将其与进行比对即可得出待检设备的定位精度。

其中，步骤e中待检设备的运动范围在半径为1m的圆内 。

本发明的有益效果是：

1、通过构建极坐标系，采用莫尔条纹测量距离、采用方位角度传感器测量角度，进而实现目标在局部坐标系下的高精度测量，能够检定卫星导航动态定位精度，明显地提高测量效率并达到实时程度的连续数据输出。

2、通过采用基准棱镜装置作为基准来建立统一坐标系，这样能够以简单易行的方式将主体仪器的测量数据予以统一，由此便于后期的运算处理及反馈过程。

3、由于通过脉冲触发方式来实现数据采集过程，相应地，能够根据触发脉冲输出瞬时的载体姿态和航向，相应实现高效率操作。

附图说明

图1是本发明卫星导航定位精度检定设备的主视图；

图2是本发明卫星导航定位精度检定设备的侧视图；

图3是本发明卫星导航定位精度检定设备的工作流程示意图。

各附图标记为：11—方位驱动电机，12—方位角度传感器，13—方位轴系，14—方位壳体，15—基准棱镜装置，16—导电滑环， 21—平移驱动电机，22—平移传感器，23—导轨，24—动平衡机构，25—支架壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2所示，本发明公开了一种卫星导航定位精度检定设备，包括主体仪器和测量数据处理单元，所述的主体仪器包括方位座以及设置在方位座顶端相对方位座作方位回转运动的线性运动平台。

方位座的构造可以呈不同的具体形式，在本发明的具体实施例中，所述的方位座包括方位壳体14和设置在方位壳体14内部的方位轴系13，所述的方位轴系13包括固定连接在方位壳体14上的轴座和相对轴座作回转运动的回转轴，所述的方位轴系13用于实现方位转动。所述的回转轴上套设有与轴座固定连接的导电滑环16，所述的回转轴上还同轴设置有分别与导电滑环16相连接的方位驱动电机11和方位角度传感器12，所述的方位壳体14上端侧面设置有与导电滑环16相连接的基准棱镜装置15，所述的基准棱镜装置15用于为待检设备所测得的长度量和角度值转换为同一坐标系的数值而建立的坐标系基准，所述的测量数据处理单元设置在方位壳体14内部并与导电滑环16相连接。

所述的方位驱动电机11安装在方位轴系13上，用于根据方位角度传感器12所测得的方位角度，使得回转轴在方位方向上转动到指定位置，其驱动信号由测量数据处理单元通过所述的导电滑环16输入。

所述的方位角度传感器12安装在方位轴系13上并与所述的方位驱动电机11同轴安装，用于对待检设备相对于基准棱镜装置15方位基准法线的方位角度进行测量，并将其信号传递给测量数据处理单元。

所述的方位壳体14为不锈钢件，这样与铸铁或铝合金材料相比，能够同时减轻重量并保证适当的刚性，此外使得方位座在恶劣环境下也能获得良好的保护性能。所述的方位壳体14作为整体设备的安装基础，譬如呈大致的圆柱形，对整体装置起着支撑和框架作用。

线性运动平台作为平移驱动与测量的承载体，主要作用是实现长度的测量，并提供待检定设备的安装接口。所述的线性运动平台包括固定连接在回转轴顶端的支架壳体25，所述的支架壳体25作为线性运动的安装平台，为各部件提供安装框架。

所述的支架壳体25分为上下两层，所述的支架壳体25的下层活动设置有动平衡机构24，所述的支架壳体25的上层平行设置有平移传感器22和导轨23，所述的导轨23的上端设置有相对导轨23作直线运动的待检设备安装平台，所述的检定设备的安装接口设置在待检设备安装平台上。所述的支架壳体25的侧端设置有与动平衡机构24和待检设备安装平台相连接的平移驱动电机21，用于动平衡机构24和待检设备安装平台的驱动。待检设备安装平台承载待检定设备在导轨23上作直线运动，运动距离通过平移传感器22进行精确测量。当待检定设备较重时，需要动平衡机构24配重后进行动态平衡。

所述的平移驱动电机21和平移传感器22分别与导电滑环16相连接，这样所述的平移驱动电机21和平移传感器22通过导电滑环16与测量数据处理单元之间实现电气信号的连接。

所述测量数据处理单元用于对设备所测得的数据进行采样，并基于所建立的坐标系基准，将这些数据转换为同一坐标系的数值；接着将其中的长度值和方位角度换算成相应的电气驱动信号，并分别传递至平移驱动电机21和方位驱动电机11以完成对待测量对象的对准；最后根据各个传感器共同所反馈的偏移量，由此计算出设备所搭载待检设备的位置。

由于将长度测量和角度测量统一到同一坐标系下，这样与现有技术的摄影测量或静态测量的方式相比，能够检定卫星导航动态定位精度，明显地提高测量效率并达到实时程度的连续数据输出；通过采用基准棱镜装置15作为基准来建立统一坐标系，这样能够以简单易行的方式将主体仪器的测量数据予以统一，由此便于后期的运算处理及反馈过程；此外，由于将导电滑环16设定为用于在平移传感器22与测量数据处理单元之间进行数据的传递和反馈，这样对于经纬仪需要经常大幅度回转的情况下，能够避免由于采用电缆通信而导致的缠绕及对正常工作所造成的干扰，相应能够提高最终测量结果的精确度。

所述的方位角度传感器12和方位驱动电机11为同轴安装；所述的平移传感器22和平移驱动电机21为平行安装。通过以上对驱动装置和传感器之间安装位置及其安装方式的进一步限定，一方面能够尽量避免各个驱动电机对相应传感器的电磁干扰，提高了装置的整体电磁兼容性；另一方面在安装完成后能够获得对称的效果，由此便于力矩均匀分布，并有助于提高电机驱动的精度。

所述的动平衡机构24与支架壳体25之间设置有与导轨23相平行的动平衡导轨。通过将动平衡机构传动方式具体限定为导轨，这样能够使得待测设备的运动阻尼特征与动平衡机构24的运动阻尼特征保持一致，便于平移驱动的控制。

所述的平移传感器22为光栅尺。通过将平移传感器（长度传感器）具体限定为光栅尺，这样能够在确保测量频率的同时提高长度的测量精度，便于提高设备的动态性能和测量精度。

所述测量数据处理单元通过脉冲触发方式来实现数据采集过程。通过将测量数据处理单元的数据采集方式设定为脉冲触发，这样能够有效消除传感器之间的同步误差，并且脉冲触发能够输出瞬时的载体位置，相应实现高效率操作和实时测量

待检定设备安装在待检设备安装平台上，待检设备安装平台随平移驱动电机21在线性运动平台上作直线运动，整个线性运动平台安装在方位座上作方位回转运动。两种运动的叠加，形成的极坐标运动曲线。直线运动通过平移传感器22进行高精度测量，回转角度则通过方位角度传感器12进行测量。

基于极坐标轨迹模拟方法的系统可以精确测量局部区域内某一点相对于方位座回转轴与线性运动平台交点的偏移，标定方位零位后将偏移量转换到正东方向和正北方向的偏移量，与待检设备定位数据在经度和纬度上的变化量进行比对，检验待检设备定位精度。

按照本发明的另一方面，提供了如上所述的卫星导航定位精度检定设备在国家测绘局、总参测绘局、国家地震局、各省测绘产品质量监督检验站等部门中作为卫星导航设备检定的应用。

如图3中所示，本发明还公开了一种卫星导航定位精度检定设备的工作流程，包括以下步骤：

a、精确测绘方位标和参考原点的位置，设置固定地基和安装接口，便于以后重复使用。

b、利用方位标精确标定方位零位，记录参考原点在WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系下的位置。

c、以参考原点为坐标原点，X轴在坐标原点水平面内，指向正东方向，Y轴为过坐标原点的指向天文北，Z轴按右手法则确定，指向朝上，建立东-北-天垂线测量坐标系。

d、将待检设备放置在参考原点处，记录其定位位置。

e、高精度定轨运动控制线性运动平台按照设定的轨迹进行运动，在设定的一系列采样点上同步采集待检设备的数据和系统的数据，其中为前述东—北—天垂线测量坐标系里X轴和Y轴相对参考原点的平移量。

f、将转换到WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系后得到真值，将其与进行比对即可得出待检设备的定位精度。

步骤e中待检设备的运动范围在半径为1m的圆内，则可在实际使用过程中使用简化数学模型将转换到WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系下。

在介绍按照本发明的检定设备、工作流程之后，以下将具体说明其与现有技术之间的比较。下面是一些主要性能指标：

从以上附表中可以看出，按照本发明的卫星导航定位精度检定设备的优势主要体现在：1、测量精度高；2、在降低场地要求的前提下具备了动态检定能力；3、通过设置基准棱镜装置15，方便实现设备安装标校和数据统一转换功能，而且对设备的日常维护、设备基准抗腐蚀和盐雾的能力大大提升。这些优势使得按照本发明的卫星导航定位精度检定设备能够取得高精度连续实时输出，便于操作以及适用各种测量环境等多方面的效果，并尤其适用于在各卫导检定场中作为标准设备使用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种卫星导航定位精度检定设备，其特征在于，包括主体仪器和测量数据处理单元，所述的主体仪器包括方位座以及相对方位座作方位回转运动的线性运动平台；

所述的方位座主要完成方位角测量，并提供基准棱镜的安装接口，包括作为安装基础的方位壳体（14）、方位驱动电机（11）、方位角度传感器（12）、方位轴系（13）、基准棱镜装置（15）和导电滑环（16）；

所述的方位轴系（13）安装在方位壳体（14）上，用于实现方位转动，同时承载方位驱动电机（11）、方位角度传感器（12）和导电滑环（16）；

所述的方位驱动电机（11）安装在方位轴系（13）上，用于根据方位角度传感器（12）所测得的方位角度，使得方位座在方位方向上转动到指定位置，其驱动信号由测量数据处理单元通过所述导电滑环（16）输入；

所述的方位角度传感器（12）安装在方位轴系（13）上并与所述方位驱动电机（11）同轴安装，用于对待测量对象相对于基准棱镜装置（15）方位基准法线的方位角度进行测量，并将其信号传递给测量数据处理单元；

所述的导电滑环（16）嵌入在方位轴系（13）内，用于在方位驱动电机（11）、方位角度传感器（12）、平移传感器（22）与测量数据处理单元之间实现电气信号的连接；

所述的基准棱镜装置（15）安装在方位座上端侧面，用于为将设备所测得的长度量和角度值转换为同一坐标系的数值而建立坐标系基准；

所述的线性运动平台主要完成长度测量，包括平移驱动电机（21）、平移传感器（22）、导轨（23）、动平衡机构（24）和作为安装基础的支架壳体（25）；

所述的测量数据处理单元用于对设备所测得的数据进行采样，并基于所建立的坐标系基准，将这些数据转换为同一坐标系的数值，接着将其中的长度值和方位角度换算成相应的电气驱动信号，并分别传递至平移驱动电机（21）和方位驱动电机（11）以完成对待测量对象的对准，最后根据各个传感器共同所反馈的偏移量，由此计算出设备所搭载载体的位置。

2.根据权利要求1所述的卫星导航定位精度检定设备，其特征在于，所述的动平衡机构（24）与支架壳体（25）之间设置有与导轨（23）相平行的动平衡导轨。

3.根据权利要求2所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其特征在于，所述的平移传感器（22）为光栅尺。

4.根据权利要求3所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其特征在于，所述的测量数据处理单元的数据采集方式为脉冲触发方式。

5.根据权利要求4所述的一种卫星导航定位精度检定设备，其特征在于，所述的方位壳体（14）为不锈钢件。

6.一种如权利要求1所述卫星导航定位精度检定设备的检定方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、精确测绘方位标和参考原点的位置，设置固定地基和安装接口，便于以后重复使用；

b、利用方位标精确标定方位零位，记录参考原点在WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系下的位置；

c、以参考原点为坐标原点，X轴在坐标原点水平面内，指向正东方向，Y轴为过坐标原点的指向天文北，Z轴按右手法则确定，指向朝上，建立东-北-天垂线测量坐标系；

d、将待检设备放置在参考原点处，记录其定位位置；

e、控制线性运动平台按照设定的轨迹进行运动，在设定的一系列采样点上同步采集待检设备的数据和系统的数据，其中为前述东—北—天垂线测量坐标系里X轴和Y轴相对参考原点的平移量；

f、将转换到WGS-84坐标系或CGCS2000坐标系后得到真值，将其与进行比对即可得出待检设备的定位精度。

7.根据权利要求6所述的一种卫星导航定位精度检定设备的检定方法，其特征在于，步骤e中待检设备的运动范围在半径为1m的圆内。