CN110940354B - 一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法 - Google Patents

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CN110940354B CN201911214660.9A CN201911214660A CN110940354B CN 110940354 B CN110940354 B CN 110940354B CN 201911214660 A CN201911214660 A CN 201911214660A CN 110940354 B CN110940354 B CN 110940354B
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    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations

Abstract

本发明公开了光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，包括：建立坐标系n系、b系、t系、s系；捷联惯导初始对准多次并取平均值，得到捷联惯导初始姿态欧拉角；将带方位基准经纬仪依次置于各测量位置，完成对准，记录带方位基准经纬仪方位角、俯仰角和光电跟踪系统方位角、俯仰角，寻北多次，记录寻北结果平均值，计算竖盘指标差；建立与光电跟踪系统视轴平行、起点为坐标系原点的单位矢量
Figure DDA0002299157750000018
且
Figure DDA0002299157750000019
在s系中的坐标
Figure DDA00022991577500000110
计算t系至s系的姿态矩阵
Figure DDA00022991577500000119
根据
Figure DDA0002299157750000017
及
Figure DDA0002299157750000016
计算
Figure DDA0002299157750000015
在t系中的坐标
Figure DDA00022991577500000111
计算
Figure DDA00022991577500000117
在n系中的坐标为
Figure DDA00022991577500000118
根据欧拉角，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure DDA00022991577500000112
根据
Figure DDA00022991577500000113
及
Figure DDA00022991577500000114
计算
Figure DDA00022991577500000115
在b系中的坐标
Figure DDA0002299157750000014
根据
Figure DDA0002299157750000011
与
Figure DDA0002299157750000012
建立线性方程
Figure DDA00022991577500000116
联合k个线性方程，求解
Figure DDA0002299157750000013
本发明可用于室内标定。

Description

一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法
技术领域
本发明涉及光电跟踪系统测试领域，具体涉及一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法。
背景技术
光电跟踪系统视场通常几度量级，难以直接捕获上目标，在跟踪目标之前需要外部信息进行引导，例如雷达或GPS信息。通常外部引导信息可转换到地理坐标系下的球坐标，为了获得光电跟踪系统载体平台相对地理坐标系的姿态，采用在光电跟踪系统载体平台上安装惯导，与基座捷联，由捷联惯导测量载体平台在地理系下的姿态，进而获得光电跟踪系统在地理系下的姿态，实现与外部引导信息的对接。同时，光电跟踪系统基座平台上安装惯导，可以测量载体平台的扰动，是动平台上抑制载体扰动实现视轴稳定的有效途径。捷联惯导固连在光电跟踪系统载体平台上，其与光电跟踪系统基座的相对姿态固定不变，但还需要标定出该相对姿态后才能用于光电跟踪系统的目标引导和视轴稳定。
光电跟踪系统与捷联惯导之间的相对姿态标定，常见的有以下几种方法：
第一种是靠结构设计和加工保证；
第二种是在外场事先测量出3组地理坐标系下的基准，1组基准为2个点，标定时光电跟踪系统固定在其中一个点上，瞄准另一点，共完成3组不同基准，可计算惯导与光电跟踪系统的姿态矩阵；
第三种是在外场飞无人机，无人机携带GPS，实时记录无人机航迹信息，结合光电跟踪系统跟踪过程中的视轴姿态，可估计出惯导与光电跟踪系统的姿态矩阵。
以上方法存在些不足，方法一靠机构保证，对结构设计、加工和装配要求较高，成本高，需要多次机械基准转换，误差不易保证。方法二和方法三均需要在外场进行，一是需要较开阔场地，其中方法三需要飞无人机，对场地约束条件更多；二是外场试验组织难度大、耗费的人力和物力较大，特别是大型光电跟踪系统。方法二中还存在地理系下基准测量比较麻烦，方法三还存在对时间的同步精度要求非常高，不易保证。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立如下坐标系，且坐标系原点均为光电跟踪系统的方位轴与俯仰轴交点：
-地理坐标系n系，其Xn、Yn、Zn轴分别指向北、天、东；
-捷联惯导坐标系b系，其Xb、Yb、Zb轴分别对应捷联惯导的滚转轴、航向轴和俯仰轴，其中航向轴绕-Yb轴方向转动为正；
-光电跟踪系统基座坐标系t系，其Yt轴与光电跟踪系统方位轴重合，当方位码盘、俯仰码盘为零度时，其Xt轴垂直于Yt轴，并且与光电跟踪系统视轴朝向一致，Zt轴由右手定则确定；
-光电跟踪系统视轴坐标系s系，其Zs轴与光电跟踪系统俯仰轴平行，Xs轴与光电跟踪系统视轴重合，Ys轴朝上；
在光电跟踪系统周围选定k个测量位置，k≥3；
光电跟踪系统调平，捷联惯导初始对准多次，并取平均值，得到捷联惯导初始姿态对应的欧拉角ψ、θ、γ；
将带方位基准经纬仪置于第i个测量位置，完成带方位基准经纬仪与光电跟踪系统对准，记录带方位基准经纬仪的方位角HgLi、俯仰角VgLi和光电跟踪系统的方位角HaLi、俯仰角VaLi，以及带方位基准经纬仪寻北多次，记录寻北结果平均值Bgi，i＝1、2、…、k；
计算光电跟踪系统的竖盘指标差I0；
建立与光电跟踪系统视轴平行、起点为坐标系原点的单位矢量
Figure BDA0002299157730000031
且
Figure BDA0002299157730000032
在s系中的坐标
Figure BDA0002299157730000033
根据I0、HaLi及VaLi，计算t系至s系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000034
根据
Figure BDA0002299157730000035
及
Figure BDA0002299157730000036
计算
Figure BDA0002299157730000037
在t系中的坐标
Figure BDA0002299157730000038
根据HgLi、VgLi及Bgi，计算
Figure BDA0002299157730000039
在n系中的坐标为
Figure BDA00022991577300000310
根据ψ、θ、γ，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure BDA00022991577300000311
根据
Figure BDA00022991577300000312
及
Figure BDA00022991577300000313
计算
Figure BDA00022991577300000314
在b系中的坐标
Figure BDA00022991577300000315
根据
Figure BDA00022991577300000316
与
Figure BDA00022991577300000317
建立第i个测量位置的线性方程
Figure BDA00022991577300000318
其中，
Figure BDA00022991577300000319
为捷联惯导与光电跟踪系统间的姿态矩阵；
根据k个测量位置的线性方程，建立方程组，并求解得到
Figure BDA00022991577300000320
进一步地，计算光电跟踪系统的竖盘指标差I0，包括如下步骤：
判断光电跟踪系统是否可以使用倒镜观察带方位基准经纬仪；
若是，则保持带方位基准经纬仪不动，使用倒镜与带方位基准经纬仪对准，记录第一个测量位置处光电跟踪系统俯仰角VaR1，I0＝(VaL1+VaR1-180°)/2-u1，若否，则I0＝(VaL1+VgL1)-u1；
判断光电跟踪系统调平误差精度是否小于预设值；
若是，则u1＝0，否则，采用水平仪测量光电跟踪系统调平误差，读取光电跟踪系统方位轴码盘为HaL1和HaL1+180°时水平仪的读数aL和aR，u1＝(aL-aR)/2；
其中，u1为在第一个测量位置处为光电跟踪系统调平误差，水平仪的方向为光电跟踪系统与带方位基准经纬仪连线方向，HaL1为第一个测量位置处测到的光电跟踪系统的方位角。
进一步地，按照如下公式计算t系至s系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000041
Figure BDA0002299157730000042
进一步地，按照如下公式计算
Figure BDA0002299157730000043
在t系中的坐标
Figure BDA0002299157730000044
Figure BDA0002299157730000045
进一步地，按照如下公式，计算
Figure BDA0002299157730000046
在n系中的坐标为
Figure BDA0002299157730000047
Figure BDA0002299157730000048
进一步地，按照如下公式，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000049
Figure BDA00022991577300000410
进一步地，按照如下公式，计算
Figure BDA00022991577300000411
在b系中的坐标
Figure BDA00022991577300000412
Figure BDA00022991577300000413
进一步地，根据k个测量位置的线性方程，建立方程组，并求解得到
Figure BDA00022991577300000414
包括如下步骤：
令：
Figure BDA0002299157730000051
建立如下的由k个测量位置的线性方程形成的方程组：
Figure BDA0002299157730000052
令：
Figure BDA0002299157730000053
得到Y＝BX，求解X，得到
Figure BDA0002299157730000054
进一步地，所述带方位基准经纬仪在至少一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为λ，在至少另一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为ξ，且λ与ξ之间的差值不小于30°。
进一步地，所述带方位基准经纬仪采用陀螺经纬仪或包括自准直经纬仪和寻北仪。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的方法，可以直接在室内进行标定，解决了现有技术中对场地约束条件多、外场试验组织难度大、耗费的人力和物力较大等不足。
本发明提供的方法，不需要使用无人机，避免了使用无人机标定时存在的对时间的同步精度要求非常高的缺陷。
发明提供的方法，并未对结构进行改变，不会出现采用靠结构设计和加工保证方法进行标定时，存在的对结构设计、加工和装配要求较高、成本高、需要多次机械基准转换、误差不易保证的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法流程图；
图2为本发明实施例提供的坐标系示意图(主视图)；
图3为本发明实施例提供的坐标系示意图(俯视图)；
图4为本发明实施例提供的测试位置布局图(俯视图)；
图5为本发明实施例提供的测试位置布局图(主视图)。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法。
本发明采用陀螺经纬仪提供方位和水平基准(或者采用自准直经纬仪与寻北仪的组合提供方位和水平基准)，标定捷联惯导与光电跟踪系统之间的姿态矩阵。
本发明的思路为：以地理坐标系为桥梁，通过求取各个位置视轴矢量在捷联惯导和光电跟踪系统下的表示，建立二者之间的联系；然后计算光电跟踪系统与捷联惯导之间的姿态矩阵。光电跟踪系统在地理系下的方位和水平基准由陀螺经纬仪提供，通过光电跟踪系统视轴对准陀螺经纬仪光轴实现基准传递。
本发明提供的方法，可以直接在室内进行标定，解决了现有技术中对场地约束条件多、外场试验组织难度大、耗费的人力和物力较大等不足。
本发明提供的方法，不需要使用无人机，避免了使用无人机标定时存在对时间同步精度要求非常高的缺陷。
发明提供的方法，并未对结构进行改变，不会出现采用靠结构设计和加工保证方法进行标定时，存在的对结构设计、加工和装配要求较高、成本高、需要多次机械基准转换、误差不易保证的缺陷。
具体地，参见图1所示，本实施例包括如下步骤：
S1：参见图2和图3所示，建立如下坐标系，由于仅仅计算相互之间的姿态，与坐标系原点所在位置无关，因此，统一将坐标系原点设为光电跟踪系统的方位轴与俯仰轴交点：
(1)地理坐标系n系，其与地球固连，其Xn、Yn、Zn轴分别指向北、天、东；
(2)捷联惯导坐标系b系，其与捷联惯导固连，其Xb、Yb、Zb轴分别对应捷联惯导的滚转轴、航向轴和俯仰轴，其中航向轴绕-Yb轴方向转动为正；
(3)光电跟踪系统基座坐标系t系，其与光电跟踪系统的基座固连，其Yt轴与光电跟踪系统方位轴重合，当方位码盘、俯仰码盘为零度时，其Xt轴垂直于Yt轴，并且与光电跟踪系统视轴朝向一致，Zt轴由右手定则确定；
(4)光电跟踪系统视轴坐标系s系，其与光电跟踪系统的视轴固连，其Zs轴与光电跟踪系统俯仰轴平行，Xs轴与光电跟踪系统视轴重合，Ys轴朝上；
建立与光电跟踪系统视轴平行、起点为坐标系原点的单位矢量
Figure BDA0002299157730000081
且
Figure BDA0002299157730000082
在s系中的坐标
Figure BDA0002299157730000083
S2：参见图4和图5所示，在光电跟踪系统周围选定k个测量位置，k≥3，测量位置尽可能围绕光电跟踪系统均匀布置；带方位基准经纬仪在至少一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为λ，在至少另一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为ξ，且λ与ξ之间的差值范围尽可能大，同时各个测量位置对应的光电跟踪系统俯仰角能够在该差值范围内分布均匀，差值范围越大，说明覆盖范围越大，可以减小误差传递系数，比如，k＝3，3个测量位置围绕光电跟踪系统均匀布置，方位差角约为120°，3个测量位置对应光电跟踪系统俯仰角约为-15°、0°和20°。
S3：光电跟踪系统调平，捷联惯导初始对准多次，并取平均值，得到捷联惯导初始姿态对应的欧拉角，用ψ、θ、γ表示；
S4：数据测量：将带方位基准经纬仪置于第i个测量位置，完成带方位基准经纬仪与光电跟踪系统对准，带方位基准经纬仪和光电跟踪系统的竖盘读数是采用竖盘水平为0°的模式，记录带方位基准经纬仪的方位角HgLi、俯仰角VgLi和光电跟踪系统的方位角HaLi、俯仰角VaLi，以及带方位基准经纬仪寻北多次，记录寻北结果平均值Bgi，i＝1、2、…、k；带方位基准经纬仪可以采用陀螺经纬仪或包括自准直经纬仪和寻北仪，本实施例采用陀螺经纬仪。
同时，计算光电跟踪系统的竖盘指标差I0，竖盘指标差I0为光电跟踪系统的参数，与测量位置无关，据此，只需要计算其中任意一个测量位置处的即可，在本实施例中，计算在第一个测量位置(即i＝1)时的竖盘指标差I0，具体包括如下步骤：
在完成带方位基准经纬仪与光电跟踪系统对准后，判断光电跟踪系统是否可以使用倒镜观察带方位基准经纬仪；
若是，则保持带方位基准经纬仪不动，光电跟踪系统使用倒镜与带方位基准经纬仪对准，记录第一个测量位置处光电跟踪系统俯仰角VaR1，并使用公式I0＝(VaL1+VaR1-180°)/2-u1计算I0，若否，则使用公式I0＝(VaL1+VgL1)-u1计算I0；
判断光电跟踪系统调平误差精度是否小于预设值，比如1＇；
若是，则u1＝0，否则，采用水平仪测量光电跟踪系统的调平误差，水平仪放置在被测光电跟踪系统方位轴台面上不动，水平仪的方向为光电跟踪系统与带方位基准经纬仪连线方向，读取光电跟踪系统在方位轴码盘为HaL1和HaL1+180°时水平仪的读数aL和aR，u1＝(aL-aR)/2；
其中，u1为在第一个测量位置处光电跟踪系统调平误差，用于光电跟踪系统竖盘指标差计算时扣除该误差；HaL1为第一个测量位置处测到的光电跟踪系统的方位角。
重复上述步骤S4，完成k个测量位置的数据测量。
S5：数据处理：
S51：根据I0、HaLi及VaLi，计算t系至s系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000091
并根据
Figure BDA0002299157730000092
及
Figure BDA0002299157730000093
计算
Figure BDA0002299157730000094
在t系中的坐标
Figure BDA0002299157730000095
Figure BDA0002299157730000096
其中，
t系至s系，依次绕-Y、Z、X轴旋转，对应的欧拉角分别为HaLi、(VaLi+I0)、0，t系至s系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000097
计算如下：
Figure BDA0002299157730000098
S52：根据HgLi、VgLi及Bgi，计算
Figure BDA0002299157730000099
在n系中的坐标为
Figure BDA00022991577300000910
根据ψ、θ、γ，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure BDA0002299157730000101
根据
Figure BDA0002299157730000102
及
Figure BDA0002299157730000103
计算
Figure BDA0002299157730000104
在b系中的坐标
Figure BDA0002299157730000105
Figure BDA0002299157730000106
其中，
Figure BDA0002299157730000107
n系至b系，依次绕-Y、Z、X轴旋转，对应的欧拉角分别为ψ、θ、γ，可由捷联惯导输出，
Figure BDA0002299157730000108
计算如下：
Figure BDA0002299157730000109
S53：根据
Figure BDA00022991577300001010
与
Figure BDA00022991577300001011
建立第i个测量位置的线性方程
Figure BDA00022991577300001012
其中，
Figure BDA00022991577300001013
为捷联惯导与光电跟踪系统间的姿态矩阵；
重复步骤S51到S53，计算出k个测量位置的线性方程：
Figure BDA00022991577300001014
Figure BDA00022991577300001015
S54：根据k个测量位置的线性方程，建立方程组，并求解得到
Figure BDA00022991577300001016
具体地，包括如下步骤：
令：
Figure BDA00022991577300001017
建立如下的由k个测量位置的线性方程形成的方程组：
Figure BDA00022991577300001018
为了求解姿态矩阵，采用多元线性回归分析的方法，令：
Figure BDA0002299157730000111
得到Y＝BX，求解X，得到
Figure BDA0002299157730000112
Y＝BX为多元线性方程组，当k＝3，rank(B)＝9时，方程组有唯一解，当k＞3时，方程组为超定方程组，可求解该方程组的最小二乘解。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立如下坐标系，且坐标系原点均为光电跟踪系统的方位轴与俯仰轴交点：
-地理坐标系n系，其Xn、Yn、Zn轴分别指向北、天、东；
-捷联惯导坐标系b系，其Xb、Yb、Zb轴分别对应捷联惯导的滚转轴、航向轴和俯仰轴，其中航向轴绕-Yb轴方向转动为正；
-光电跟踪系统基座坐标系t系，其Yt轴与光电跟踪系统方位轴重合，当方位码盘、俯仰码盘为零度时，其Xt轴垂直于Yt轴，并且与光电跟踪系统视轴朝向一致，Zt轴由右手定则确定；
-光电跟踪系统视轴坐标系s系，其Zs轴与光电跟踪系统俯仰轴平行，Xs轴与光电跟踪系统视轴重合，Ys轴朝上；
在光电跟踪系统周围选定k个测量位置，k≥3；
光电跟踪系统调平，捷联惯导初始对准多次，并取平均值，得到捷联惯导初始姿态对应的欧拉角ψ、θ、γ；
将带方位基准经纬仪置于第i个测量位置，完成带方位基准经纬仪与光电跟踪系统对准，记录带方位基准经纬仪的方位角HgLi、俯仰角VgLi和光电跟踪系统的方位角HaLi、俯仰角VaLi，以及带方位基准经纬仪寻北多次，记录寻北结果平均值Bgi，i＝1、2、…、k；
计算光电跟踪系统的竖盘指标差I0，其包括如下步骤：
判断光电跟踪系统是否可以使用倒镜观察带方位基准经纬仪；
若是，则保持带方位基准经纬仪不动，使用倒镜与带方位基准经纬仪对准，记录第一个测量位置处光电跟踪系统俯仰角VaR1，I0＝(VaL1+VaR1-180°)/2-u1，若否，则I0＝(VaL1+VgL1)-u1；
判断光电跟踪系统调平误差精度是否小于预设值；
若是，则u1＝0，否则，采用水平仪测量光电跟踪系统调平误差，读取光电跟踪系统方位轴码盘为HaL1和HaL1+180°时水平仪的读数aL和aR，u1＝(aL-aR)/2；
其中，u1为在第一个测量位置处为光电跟踪系统调平误差，水平仪的方向为光电跟踪系统与带方位基准经纬仪连线方向，HaL1为第一个测量位置处测到的光电跟踪系统的方位角；
建立与光电跟踪系统视轴平行、起点为坐标系原点的单位矢量
Figure FDA0003187005310000021
且
Figure FDA0003187005310000022
在s系中的坐标
Figure FDA0003187005310000023
根据I0、HaLi及VaLi，计算t系至s系的姿态矩阵
Figure FDA0003187005310000024
根据
Figure FDA0003187005310000025
及
Figure FDA0003187005310000026
计算
Figure FDA0003187005310000027
在t系中的坐标
Figure FDA0003187005310000028
根据HgLi、VgLi及Bgi，计算
Figure FDA0003187005310000029
在n系中的坐标为
Figure FDA00031870053100000210
根据ψ、θ、γ，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure FDA00031870053100000211
根据
Figure FDA00031870053100000212
及
Figure FDA00031870053100000213
计算
Figure FDA00031870053100000214
在b系中的坐标
Figure FDA00031870053100000215
根据
Figure FDA00031870053100000216
与
Figure FDA00031870053100000217
建立第i个测量位置的线性方程
Figure FDA00031870053100000218
其中，
Figure FDA00031870053100000219
为捷联惯导与光电跟踪系统间的姿态矩阵；
根据k个测量位置的线性方程，建立方程组，并求解得到
Figure FDA00031870053100000220
2.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，按照如下公式计算t系至s系的姿态矩阵
Figure FDA00031870053100000221
Figure FDA00031870053100000222
3.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，按照如下公式计算
Figure FDA00031870053100000223
在t系中的坐标
Figure FDA00031870053100000224
Figure FDA0003187005310000031
4.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，按照如下公式，计算
Figure FDA0003187005310000032
在n系中的坐标为
Figure FDA0003187005310000033
Figure FDA0003187005310000034
5.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，按照如下公式，计算n系至b系的姿态矩阵
Figure FDA0003187005310000035
Figure FDA0003187005310000036
6.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，按照如下公式，计算
Figure FDA0003187005310000037
在b系中的坐标
Figure FDA0003187005310000038
Figure FDA0003187005310000039
7.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于，根据k个测量位置的线性方程，建立方程组，并求解得到
Figure FDA00031870053100000310
包括如下步骤：
令：
Figure FDA00031870053100000311
建立如下的由k个测量位置的线性方程形成的方程组：
Figure FDA00031870053100000312
令：
Figure FDA0003187005310000041
得到Y＝BX，求解X，得到
Figure FDA0003187005310000042
8.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于：所述带方位基准经纬仪在至少一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为λ，在至少另一个测量位置处与光电跟踪系统对准后，测量的光电跟踪系统俯仰角为ξ，且λ与ξ之间的差值不小于30°。
9.如权利要求1所述的光电跟踪系统捷联惯导安装姿态的标定方法，其特征在于：所述带方位基准经纬仪采用陀螺经纬仪或包括自准直经纬仪和寻北仪。
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