CN109470274A - 一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统及方法，属于光电测量领域。载车平台受到设备重力、设备工作过程中的带动力和外部环境如风等外力的影响时会导致载车平台发生形变。本发明采用变形测量单元敏感载车平台变形，变形测量单元包括速率陀螺、倾角仪、安装组件、数据采集卡和数据处理单元。通过安装组件把速率陀螺和倾角仪安装在载车平台上，速率陀螺测量载车平台的偏航角，倾角仪测量载车平台的俯仰角和横滚角。给出了速率陀螺和倾角仪的标定方法，根据标定方法可以把速率陀螺和倾角仪的输出映射到导航坐标系下，测量结果可直接用于指向修正。该方法能够自主测量载车平台的变形，满足了车载光电测量设备高精度变形测量的需求。

Description

一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光电测量领域，具体涉及一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统及方法。

背景技术

光电测量设备是指使用光学成像原理采集飞行目标信息，经处理得到所需目标特性参数，并获取飞行实况图像资料的专用测量系统。目前用于轨迹测量的光电测量设备主要工作于稳定的地基平台，由于地基刚度较好，测量设备在测量过程中产生的相对地基平台的运动基本不会引起基座平台的变形。地基光电测量设备的测量精度高，但是设备的机动性能很弱。需要事先修建放置测量设备的基座，修建过程费时费力。大型测量设备落装和转场也比较繁琐，需要多人协作才能完成。随着空中目标的多样化，现代光学测量对能够实现不落地测量的车载光电测量设备提出了需求。

不落地的车载光电测量设备不仅以载车为运输平台，还以载车为工作平台，不仅能够实况记录，而且能够测量目标轨迹。光电测量设备属于精密测量设备，测量精度非常高，一般在10角秒左右。但是，载车平台的刚度远低于地基环，很多情况下，载车平台本身处于晃动或振动的环境中，而且光电测量设备在测量过程中相对载车平台的运动也会使载车平台产生变形，从而使载车成为不稳定平台。由于载车平台的不稳定性，使得安装于其上的光电测量设备测量结果引入了平台变形误差，降低了仪器的测量精度。

目前测量载车变形的方法是光学测量方法，测量装置主要分为两部分，移动部分安装在测量设备底座，固定部分安装在载车平台的外部。固定部分接收移动部分的反射光线测量载车的变形。该方法虽然具有较高的测量精度，但是外部环境可能会影响固定装置，从而影响测量精度。

发明内容

本发明解决车载光电测量设备载车平台的变形测量问题，以满足光电测量设备不落地测量的需求。为解决以上技术问题，在车载光电测量设备上加装变形测量单元，变形测量单元主要由速率陀螺和倾角仪组成，速率陀螺测量载车的偏航角，倾角仪测量载车的俯仰角和横滚角。

本发明采用的技术方案是：一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统，该系统由载车、光电经纬仪和变形测量单元组成，载车是光电经纬仪的运输和工作平台，变形测量单元安装于载车平台或者光电经纬仪底座，变形测量单元敏感载车平台的变形量，由于变形测量单元和载车平台是刚性连接关系，变形测量单元的测量结果可等效为载车平台的变形量；变形测量单元由速率陀螺、倾角仪、安装组件、数据采集卡和数据处理单元组成，速率陀螺和倾角仪通过安装组件安装在载车平台或者光电经纬仪底座，当载车平台受到外力干扰时，速率陀螺、倾角仪、光电经纬仪底座和载车保持相对静止；速率陀螺测量载车平台的偏航角，倾角仪测量载车平台的俯仰角和横滚角。

一种车载光电经纬仪载车平台变形测量方法，利用所述的车载光电经纬仪载车平台变形测量系统，包括如下步骤：

步骤1：在采用速率陀螺进行偏航角测量之前，需要标定速率陀螺和光电经纬仪的安装关系，速率陀螺的输出包括地球自转角速度的分量、载车平台的角速度、陀螺零偏和陀螺随机误差，变形测量中，有效信息是载车平台的角速度，通过平台角速度的积分求得平台偏航角，为了准确测量偏航角，速率陀螺的敏感轴需要和光电经纬仪的竖直轴平行；

步骤2：速率陀螺的标定方法如下：静止情况下，采集陀螺输出，调节陀螺的安装组件，使得陀螺的输出角速度等于地球自转角速度在竖直轴的分量和陀螺零偏的和，此时陀螺敏感轴和竖直轴平行；

步骤3：安装位置确定以后，静止情况下采集陀螺输出作为陀螺的标定值，该标定值包含地球自转角速度的分量、陀螺零偏和陀螺随机误差，陀螺输出值和标定值的差值即为载车平台的角速度，对角速度进行积分可得载车平台的偏航角γ。

在步骤1之前，利用倾角仪安装结构确定倾角仪和光电经纬仪的安装关系，包括：

步骤A：静止情况下，调节倾角仪的安装组件，使得倾角仪输出的绝对值小于0.1°；

步骤B：控制光电经纬仪运动，使其方位角为0°，此时当俯仰角等于0°时，光电经纬仪视轴指向地理北向；

步骤C：光电经纬仪俯仰轴以天顶即俯仰角等于90°为中心进行正弦运动；此时，光电经纬仪在南北方向的加速度时刻在变，加速和减速产生的力会使载车平台沿南北方向发生变形，通过以下公式计算倾角仪和光电经纬仪的安装关系，

其中Δθ_X和Δθ_Y分别为倾角仪X+和Y+轴的输出值，α和β分别为载车平台绕X轴和Y轴方向的变形角度，θ_IN为倾角仪X+轴和东向的夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用惯性传感器测量载车变形，与现有的将技术相比，不需要在载车外部安装固定装置，系统的稳定性和环境适应性更优。针对不落地测量的车载光电测量设备中外力引起载车变形的问题，本发明方法能准确测量载车变形量。测量结果准确映射到导航坐标系上，给出了偏航、俯仰、横滚三个方向的变形量，测量结果可用于指向修正。

附图说明

图1是本发明一种车载光电经纬仪载车平台变形测量方法利用的结构示意图，其中，1为载车，2为光电经纬仪，3为变形测量单元；

图2是本发明变形测量单元结构图；

图3是本发明惯性传感器测量载车平台的偏航角、俯仰角和横滚角；

图4是本发明倾角传感器安装位置标定方法。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做详细说明。

本发明提出一种车载光电经纬仪载车平台变形测量方法，针对大型车载光电测量设备因载车变形而引起的测量误差问题。采用惯性传感器测量平台的变形数据，根据惯性传感器的标定结果，可将惯性传感器的输出映射到导航坐标系下，得到平台的偏航角、俯仰角和横滚角，测量结果可应用于车载光电测量设备的指向修正。

参见图1，车载光电经纬仪载车平台变形测量系统由载车1、光电经纬仪2和变形测量单元3组成，载车1是光电经纬仪2的运输和工作平台。光电经纬仪2可能工作在简易场坪、公路或戈壁滩采等环境，当载车平台刚度不够时，外力干扰会导致载车平台产生变形。变形测量单元3敏感载车平台的变形量，由于变形测量单元3和载车平台是刚性连接关系，可以把变形测量单元3的测量结果等效为载车的变形量。

参见图2，变形测量单元3由速率陀螺、倾角仪、安装组件、数据采集卡和数据处理计算机构成。速率陀螺和倾角仪通过安装组件和载车平台形成刚性连接。为了使得惯性器件的测量结果更加接近光电经纬仪2底座处的载车变形量，安装组件的位置靠近光电经纬仪2的底座，或者安装组件直接放置于光电经纬仪2的底座。通过数据采集卡采集速率陀螺和倾角仪的数据，发送到数据处理单元进行处理。

参见图3，变形测量结果一般用于光电测量设备的指向修正，因此，需要把变形测量单元3的测量结果映射到导航坐标系OXYZ，即东北天向坐标系。本发明提出的变形测量单元3中，速率陀螺测量载车平台的偏航角γ，倾角仪测量载车平台的俯仰角α和横滚角β。

速率陀螺的输出包括地球自转角速度的分量、载车平台的角速度、陀螺零偏和陀螺随机误差。在偏航角测量中，有效信息是载车平台的角速度，通过角速度的积分求得角度信息。因此需要消除地球自转角速度的分量、陀螺零偏和陀螺随机误差的影响，速率陀螺的标定方法如下：

步骤1：静止情况下，根据陀螺输出调节陀螺的安装组件，使得陀螺的输出角速度等于地球自转角速度在竖直轴的分量和陀螺零偏的和，此时陀螺敏感轴和标准水平面垂直；

步骤2：安装位置确定以后，静止情况下采集陀螺输出作为陀螺的标定值，该标定值包含地球自转角速度的分量、陀螺零偏和陀螺随机误差。测量中，陀螺输出值和标定值的差值即为载车平台的角速度，对该值进行积分可得载车平台的偏航角γ。

倾角仪和陀螺仪的安装关系参见图4，X+和Y+轴为平台变形前倾角仪的敏感轴，X+′和Y+′轴为平台变形之后倾角仪的敏感轴，Δθ_X和Δθ_Y分别为倾角仪X+和Y+轴变化角度，α和β分别为载车平台绕X轴(东向)和Y轴(北向)方向的变形角度，θ_IN为倾角仪X+轴和光电测量设备Y轴的夹角。倾角仪和光电经纬仪2的标定步骤如下，

步骤1：静止情况下，调节倾角仪的安装组件，使得倾角仪输出的绝对值小于0.1°；

步骤2：控制光电经纬仪2视轴转动，使其方位角为0°，此时，当俯仰角等于0°时，光电经纬仪2视轴指向地理北向；

步骤3：光电经纬仪2俯仰轴以天顶(俯仰角等于90°)为中心进行正弦运动；此时，光电经纬仪2在南北方向的加速度时刻在变，加速和减速产生的力会使载车平台沿南北方向发生变形。通过以下公式计算倾角仪和光电经纬仪2的安装关系，

其中，Δθ_X和Δθ_Y分别为倾角仪X+和Y+轴的输出值，α和β分别为载车平台绕X轴和Y轴方向的变形角度，θ_IN为倾角仪X+轴和东向的夹角。

Claims (3)

1.一种车载光电经纬仪载车平台变形测量系统，其特征在于：该系统由载车(1)、光电经纬仪(2)和变形测量单元(3)组成，载车(1)是光电经纬仪(2)的运输和工作平台，变形测量单元(3)安装于载车平台或者光电经纬仪底座，变形测量单元(3)敏感载车平台的变形量，由于变形测量单元(3)和载车平台是刚性连接关系，变形测量单元(3)的测量结果可等效为载车平台的变形量；变形测量单元由速率陀螺、倾角仪、安装组件、数据采集卡和数据处理单元组成，速率陀螺和倾角仪通过安装组件安装在载车平台或者光电经纬仪底座，当载车平台受到外力干扰时，速率陀螺、倾角仪、光电经纬仪底座和载车保持相对静止；速率陀螺测量载车平台的偏航角，倾角仪测量载车平台的俯仰角和横滚角。

2.一种车载光电经纬仪载车平台变形测量方法，利用权利要求1所述的车载光电经纬仪载车平台变形测量系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在采用速率陀螺进行偏航角测量之前，需要标定速率陀螺和光电经纬仪的安装关系，速率陀螺的输出包括地球自转角速度的分量、载车平台的角速度、陀螺零偏和陀螺随机误差，变形测量中，有效信息是载车平台的角速度，通过平台角速度的积分求得平台偏航角，为了准确测量偏航角，速率陀螺的敏感轴需要和标准水平面垂直；

步骤2：速率陀螺的标定方法如下：静止情况下，采集陀螺输出，调节陀螺的安装组件，使得陀螺的输出角速度等于地球自转角速度在竖直方向的分量和陀螺零偏的和，此时陀螺敏感轴和标准水平面垂直；

步骤3：安装位置确定以后，静止情况下采集陀螺输出作为陀螺的标定值，该标定值包含地球自转角速度的分量、陀螺零偏和陀螺随机误差，陀螺输出值和标定值的差值即为载车平台的角速度，对角速度进行积分可得载车平台的偏航角γ。

3.根据权利要求2所述的车载光电经纬仪载车平台变形测量方法，其特征在于：在步骤1之前，利用倾角仪安装结构确定倾角仪和光电经纬仪的安装关系，包括：

步骤A：静止情况下，调节倾角仪的安装组件，使得倾角仪输出的绝对值小于0.1°；

步骤B：控制光电经纬仪运动，使其方位角为0°，此时当俯仰角等于0°时，光电经纬仪视轴指向地理北向；

步骤C：光电经纬仪俯仰轴以天顶即俯仰角等于90°为中心进行正弦运动；此时，光电经纬仪在南北方向的加速度时刻在变，加速和减速产生的力会使载车平台沿南北方向发生变形，通过以下公式计算倾角仪和光电经纬仪的安装关系，

其中，Δθ_X和Δθ_Y分别为倾角仪X+和Y+轴的输出值，α和β分别为载车平台绕X轴和Y轴方向的变形角度，θ_IN为倾角仪X+轴和东向的夹角。