CN110286393B - 一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，首先提供了车载卫星定向中的方位传递误差模型：θ＝arctan(X/l)；通过天线B、天线A、光学测量组合、目标光源产生装置完成方位传递误差补偿，包括六大步骤：安装微位移测量的光学测量系统装置；对系统初始参数进行标定；在竖直方向上遍历目标板，记录目标板在竖直方向的一一对应关系，并存放于上位机数据库中；测量目标板在横向和竖直方向上的微小位移量；利用倾角传感器测量出两天线相对于初始时刻的倾斜角度；最后求解方位传递误差补偿角。本发明同现有技术相比，提供了一种在相对较远的两天线间的相对位移量微测量方面的补偿方法，弥补了方位传递误差补偿中未能解决的核心问题的不足。

Description

一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法

技术领域

本发明涉及卫星定向技术领域，涉及卫星定向中的方位传递误差测量及补偿方法，特别是一种车载条件下利用光学测量装置对方位角传递误差模型中的参数进行测量，并将其应用于误差修正的方法。

背景技术

北斗三号基本卫星系统已经建设完成并开通提供服务，北斗导航卫星数量的增加及技术的完善，促进了北斗导航系统在各个领域的应用。对载体进行方位信息测量就是其应用之一。卫星定向即利用双天线的观测数据组成双差载波相位定向模型，并对模型进行求解的过程。相较于目前在方位测量中应用较多的惯性导航系统，卫星定向具有全天候、设备小、精度较高、无初始准备时间和无误差累积等优点。但是，车载卫星定向系统涉及方位角传递的问题，方位角传递一般采用的方法是在主天线下方安装与之固连的直角棱镜，分别将两天线固定于大型车辆的前后两端，使直角棱镜的主截面法线方向与北斗基线成一个固定已知的角度，当将卫星定向结果作为方位基准由棱镜传递至外界时，传递过程需具有较高精度。车载状态下，车体在行驶后会发生微小形变，引起两个天线的几何中心间发生相对微位移，导致基线与棱镜间的固定角度发生变化，最终会对方位传递精度产生影响。因此利用车载卫星定向系统的方位基准时，需要对两天线几何中心的相对位移量进行测量，以修正由于车体变形引起的方位角传递误差。目前，对微位移测量的设备主要有电感测微仪、电容测微仪和光纤干涉仪等。前两种方法的测量精度高且测量速度快，稳定性也好，光纤干涉仪的测量精度相对较差。但是在相对较远的两天线间的相对位移量微测量方面，以上方法并不适用。经分析，天线几何中心的横向微位移测量是方位传递误差补偿中需要解决的核心问题。目前没有见到有相关内容的报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，利用光学测量装置对方位传递误差模型中的参数进行车体运动后变形导致的天线几何中心相对微小位移量的精确测量，测量结果能够很好的应用于方位基准传递误差的修正。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，其特征在于：建立车载卫星定向中的方位传递误差模型：θ＝arctan(X/l)，X为天线几何中心变化量在水平横向上的投影，l为基线长度，天线几何中心在三维空间中的相对运动，转化为在水平横向上的一维相对运动，基线长度在天线安装时即为已知量，方位角传递误差的求解只需要对天线几何中心在水平横向上的一维相对位移量进行测量；所述天线几何中心是指出厂时已经固定的天线基准；基线为两个定向天线的几何中心的连线；所述水平横向为天线安装的初始时刻，在水平面上与基线垂直的方向。

本发明进一步提供一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，其特征在于：车载条件下用光学测量系统检测天线几何中心在水平横向上的相对位移量通过天线B、天线A、光学测量组合、目标光源产生装置完成方位传递误差补偿方法。

本发明一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法：利用光学测量系统装置对天线几何中心在水平横向上的相对位移量进行测量，之后根据方位角传递误差模型对其进行修正，包括以下步骤：

步骤1：在天线下方安装微位移测量的光学测量系统装置；所述光学测量系统装置分为两部分，一部分为线阵CCD传感器，安装于一个天线下方；另一部分为带有N型LED灯光条的目标板，安装到另一天线A的下方；

步骤2：安装后，对系统初始参数进行标定；标定的参数有：CCD传感器参数k，初始时刻的线阵CCD传感器中心与主天线几何中心之间的距离h₁、目标板基准与从天线几何中心之间的距离h₀以及线阵CCD对目标板基准测量得到的中心坐标x₁；所述目标板基准是指CCD传感器初始时刻观测到的目标板的位置；

步骤3：在竖直方向上遍历目标板，记录目标板在竖直方向上相对于基准的位移量ΔZ与两段灯光距离的比值R之间的一一对应关系，并存放于上位机数据库中；

步骤4：当车辆运动后需要进行卫星定向时，测量目标板在横向和竖直方向上的微小位移量；

步骤4.1：利用CCD传感器对目标板上灯光条测量得到中心坐标x₂，根据步骤1中CCD传感器标定的参数以及步骤2，求解出目标板在横向上的位移量Δx＝k(x₂-x₁)；

步骤4.2：根据测量的两段灯光距离的比值，从步骤3建立的数据库中搜索出目标板在竖直方向上的位移量ΔZ；

步骤5：利用倾角传感器测量出两天线相对于初始时刻的倾斜角度θ_y1及θ_y2，并利用步骤四的目标板相对位移计算结果，求解天线几何中心在水平横向上的相对位移量X；

步骤6：求解方位传递误差补偿角θ＝arctan(X/l),可利用此补偿角对由于天线几何中心发生微位移引起的方位传递误差进行补偿。

本发明同现有技术相比，提供了一种在相对较远的两天线间的相对位移量微测量方面的补偿方法，弥补了方位传递误差补偿中未能解决的核心问题的不足。

附图说明

图1：微位移光学测量系统简图；

图2：天线相对变化情况；

图3：微位移光学测量组合安装图；

图4：目标光源产生装置；

图5：系统内部结构和测量信息传递流程。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的描述。

首先对车载卫星定向中的方位传递误差模型进行说明：

参见图1：

当卫星天线安装完毕后，Ox轴为水平面的横向坐标轴，向外界输出方位角基准的直角棱镜的主截面法线与其具有固定的夹角；h₁为初始时刻的线阵CCD传感器中心与主天线几何中心间的距离，h₀目标板基准与从天线几何中心间的距离。

参见图2：

车体运动导致的天线几何中心的相对变化情况；从图2中的几何关系可知，天线几何中心相对变化量在Ox轴的投影为两天线位移量在Ox轴上投影的差值：X＝h₁ sinθy₁-(h₀+ΔZ)sinθy₂-Δx，ΔZ为目标板相对初始位置在竖直方向上移动的距离，θ_y1及θ_y2分别为B、A天线相对于初始时刻的倾斜角度，Δx为目标板在横轴上的位移量；则车载卫星定向中的方位角传递误差模型为：θ＝arctan(X/l)。

针对车载卫星定向中方位传递误差模型中的水平横向位移量X中的未知参数利用光学测量系统装置进行标定及测量，并且对传递误差进行修正的方法如下：

步骤1：在天线下方安装微位移光学测量组合及倾角传感器，如图3所示；光学测量装置采用线阵CCD传感器，利用N形LED灯光组合作为目标光源产生装置(简称目标板)，如图4所示；系统内部结构和测量信息传递流程，如图5所示，上半部分为卫星定向分系统，下半部分为光学测量分系统，左半部分方框表示卫星天线与光学测量组合固定连接于同一装置中，右半部分方框表示另一卫星天线与目标光源产生装置固定连接于同一装置中。系统定向结果由卫星定向分系统确定的方位角和光学测量系统测量得到的传递误差补偿角组成，由直角棱镜传递至外界，并输出至显控设备；

步骤2：对系统参数进行标定。安装后，光学测量简图如图1所示。首先，对CCD传感器进行参数标定；之后，记录初始时刻的线阵CCD传感器中心与主天线几何中心之间的距离h₁和目标板基准与从天线几何中心之间的距离h₀；然后，利用线阵CCD对目标板基准中A、B、C点进行测量，得到其坐标分别为x_A、x_B、x_C，并计算三点的中心坐标x₁＝(x_A+x_B+x_C)/3；其中，目标板基准为初始时刻CCD传感器视野中目标板的位置，如图4所示；

步骤3：针对图4所示的目标板，建立A′B′/B′C′与目标板在纵轴上的变化量之间的一一对应关系；具体步骤为：将目标板上下移动，CCD传感器所测量的目标板的位置变为A′B′C′，计算出A′B′与B′C′的长度之比R，借助其他工具测量出目标板相对初始位置移动的真实距离ΔZ，则目标板每移动一个位置，R和ΔZ的关系都是一一对应的；然后上下移动目标板，使CCD传感器完成对目标板的遍历，则可以建立R和ΔZ对应关系的数据库，将其保存到上位机中；

以上三个步骤为光学微位移测量装置应用前的安装、参数标定及结构常数测量过程。

步骤4：当车辆运动后需要进行卫星定向时，启动车载卫星定向系统，测量目标板在横向和竖直方向上的微笑位移量。

步骤4.1：测量目标板在横向上的位移量；具体方法为：CCD传感器测量的目标板位置由初始位置变为A′、B′和C′三点，如图4所示，利用CCD传感器测得其坐标x_A′、x_B′和x_C′，计算三点的中心坐标为x₂＝(x_A′+x_B′+x_C′)/3；根据步骤一中CCD传感器标定的参数以及步骤二，求解出目标板在横轴上的位移量Δx＝k(x₂-x₁)；

步骤4.2：测量目标板在竖直方向上的位移量；据测量的三点坐标x_A′、x_B′和x_C′，求线段l_A′B′＝x_B′-x_A′与l_B′C′＝x_C′-x_B′，计算量线段的长度之比R＝l_A′B′/l_B′C′，从数据库中搜索出目标板在竖直方向上的位移量ΔZ；

步骤5：利用倾角传感器测量出两天线相对于初始时刻的倾斜角度θ_y1及θ_y2，并利用步骤4中目标板在横向和竖直方向上的相对位移计算结果，求解天线几何中心的横向位移量。根据图2所示的天线相对变化情况，求解公式为X＝h₁sinθ_y1-(h₀+ΔZ)sinθ_y2-Δx；

步骤6：求解方位传递误差补偿角θ＝arctan(X/l)；在车载卫星定向系统中，即可利用此结果对方位传递误差进行补偿。

Claims (3)

1.一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，其特征在于：建立车载卫星定向方位传递中天线几何中心相对位移量的测量模型X＝h₁sinθ_y1-(h₀+ΔZ)sinθ_y2-Δx，h₁为初始时刻的线阵CCD传感器中心与主天线几何中心之间的距离、h₀为目标板基准与从天线几何中心之间的距离，θ_y1及θ_y2分别为倾角传感器测量出的主、从天线相对于初始时刻的倾斜角度，ΔZ为目标板在竖直方向上的位移量，Δx为目标板在水平横向上的位移量；模型考虑了：卫星天线与光学测量装置之间的距离对方位传递误差的影响，能够对两个卫星天线的几何中心相对位移量进行高精度的测量，进而实现高精度的方位传递误差补偿；所述天线几何中心是指天线的基准，出厂时已经固定；基线为两个定向天线的几何中心的连线；所述水平横向为天线安装的初始时刻，在水平面上，与基线垂直的方向；所述竖直方向为天线安装的初始时刻，垂直于水平面的方向。

2.根据权利要求1所述的一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，其特征在于：其特征在于利用光学测量装置、倾角传感器以及常数标定法对测量方法模型中的未知参数进行测量和标定，包括以下步骤：

步骤1：安装后，对系统初始参数进行标定； 标定的参数有：CCD传感器参数k，初始时刻的线阵CCD传感器中心与主天线几何中心之间的距离h₁、目标板基准与从天线几何中心之间的距离h₀以及线阵CCD对目标板基准测量得到的中心坐标x₁, 所述目标板基准是指CCD传感器初始时刻观测到的目标板的位置；

步骤2：在竖直方向上遍历目标板，记录目标板在竖直方向上相对于基准的位移量ΔZ与两段灯光距离的比值R之间的一一对应关系，并存放于上位机数据库中；

步骤3：当车辆运动后需要进行卫星定向时，测量目标板在横向和竖直方向上的微小位移量；

步骤4：利用倾角传感器测量出两天线相对于初始时刻的倾斜角度θ_y1及θ_y2，并利用步骤四的目标板相对位移计算结果，求解天线几何中心在水平横向上的相对位移量X。

3.根据权利要求2所述的一种车载卫星定向中方位传递误差补偿方法，其特征在于：其特征在于：步骤3中所述的“当车辆运动后需要进行卫星定向时，测量目标板在横向和竖直方向上的微小位移量”的具体步骤如下：

步骤3.1：利用CCD传感器对目标板上灯光条测量得到中心坐标x₂，根据步骤一中CCD传感器标定的参数以及步骤2，求解出目标板在横向上的位移量Δx＝k(x₂-x₁)；

步骤3.2：根据测量的两段灯光距离的比值，从步骤3建立的数据库中搜索出目标板在竖直方向上的位移量ΔZ。

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