CN111562596A - 一种长基线高精度外场定位定向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种长基线高精度定位定向方法，属于光电测量技术领域，适用于光电设备外场试验过程中的定位定向标校。本发明基于3台高精度GNSS接收机，通过计算双GNSS天线计算光电设备位置信息、设备与GNSS站间基线距离，获取光电设备位置、参考点位置信息及基线长度，通过解算站间几何距离进行角度反演计算，获取光电设备高精度定位定向信息，解决光电设备外场工作时定位定向标校问题。该方法具有很强的通用性，对具有测量电视、GNSS设备的其他外场测量设备(如雷达、遥测设备等)的定位定向标校也适用。

Description

一种长基线高精度外场定位定向方法
技术领域
本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种光电设备的外场定位定向方法。
背景技术
光电经纬仪在试验任务中，主要作用为飞艇、空天飞机等飞行器目标的图像记录、飞行轨迹测量以及红外辐射特性测量。为了适应外场试验的多样性，光电设备需依靠自主定位定向实现机动布站。目前光电设备主要依靠GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球卫星导航系统)进行定位、依靠拍星或固定方位标进行定向。
GNSS定位是利用单接收机获取设备经纬度、高程信息，同时反馈给设备用于定位，但由于受单接收机测量精度差和随机误差不确定限制，定位精度不高，降低了设备测量精度。
方位标定向是通过光电经纬仪测量固定方位标的位置信息，与通过大地测量的精确位置信息进行比对，得到设备方位零基准误差并进行修正标校。这种定向方式精度高，但无法满足机动布站的需求。
拍星定向是通过光电经纬仪内置星库内的恒星位置引导并手动搜索目标位置，获取目标实际位置测量信息与理论计算结果进行比较，对方位零基准误差进行修正标校。这种方式对设备要求较高，且需内置恒星星库、时统基准，能够实时给出同一时刻下设备对目标恒星测量值与理论值，但受天气影响较大，仅能在晴朗无云天气下适用。
发明内容
本发明的目的是解决外场试验中光电设备定位定向精度不理想、易受天气限制的技术问题。
为实现上述目的，解决上述技术问题，本发明提出一种长基线高精度外场定位定向方法，采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1、选取同型号的三台接收机A、B、C；
进一步的，步骤1中的接收机为GNSS接收机；
步骤2、接收机安装
将接收机A、B对称安装在经纬仪上，与经纬仪中心D共线；通过频综共源实现本振相位一致以及采用相同的卫星组合，消除两台接收机的随机误差，实现经纬仪的精确定位；将接收机C安装于外置方位标上，通过接收机C来增加基线长度，提升定向精度；
步骤3、经纬仪精确定位
通过经过1～1.5h载波相位差分，A、B、C三台接收机定位精度达到1～5cm，再通过A、B两个接收机位置均值和安装的具体尺寸计算出经纬仪的中心坐标从而实现精确定位；
步骤4、测距
将A、B、C三台接收机所在的位置视为A、B、C三个点，则利用接收机和经纬仪的位置信息，计算AC、BC、AB的长度；
步骤5、计算校正角度
计算用来校正码盘零位的AC和AB的夹角∠2；
步骤6、计算长基线与真北夹角
通过A点、C点的精确定位坐标，计算AC与真北的夹角∠1；
步骤7、校正角度
因AB基线固定且AB基线与码盘的安装关系已知为∠3，可以获得校正角度∠4＝∠1+∠2+∠3，求得校正角度后校正经纬仪的零位，实现自定位定向的功能。
相对于现有技术，本发明的有效收益如下：
1、本发明采用3台接收机频综共源以及采用相同的卫星组合，通过迭代算法得到高精度的位置信息，消除了接收机定位的随机误差，减少了测距的系统误差；
2、本发明通过测量距离增加基线长度，利用长基线计算角度的方式，提高了定向精度，设备无需与方位标通视就能够实现定向，且受天气的制约因素较小，相较于传统的方位标定向和拍星定向有一定的优势，摆脱了天气因素对布站的限制和干扰，在很大程度上满足了机动布站需求；
3、本发明具有很强的通用性，对具有测量电视、GNSS设备的其他外场测量设备(如雷达、遥测设备等)的定位定向标校也同样适用。
附图说明
图1一种长基线高精度外场定位定向方法流程简图；
图2一种长基线高精度外场定向原理。
具体实施方式
本发明提供一种长基线高精度外场定位定向方法，通过双接收机对设备进行精确定位，再利用外置方位标，通过对距离的计算对设备进行定向，消除随接收机误差、减小系统误差，实现高精度定位定向。下面结合附图和具体实施例对本发明的实现过程进行进一步的解释和描述。
本发明的实现过程如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)接收机选型
为避免不同型号接收机所带来的误差，选取同型号的接收机可以提高定位精度，本发明选择3台接收机以方便后续步骤中利用三角形求解基线夹角。
(2)接收机安装
两台同型号的接收机A、B对称安装在经纬仪上，通过频综共源实现本振相位一致以及采用相同的卫星组合，消除了两台接收机绝大部分的随机误差，从而实现经纬仪的精确定位；第三台接收机C安装于外置方位标上，设备无需与方位标通视就能够实现定向，且受天气的制约因素较小，相较于传统的方位标定向和拍星定向有一定的优势；通过接收机C来增加基线长度，可以提升定向精度。若基线长为2公里，定向误差可控制在4＂以内，基线过长接收机可能无法接收到信号。
(3)经纬仪精确定位
通过载波相位差分，经过1～1.5h后，A、B、C三台接收机定位精度达到5～1cm，再通过A、B两个接收机位置均值和安装的具体尺寸计算出经纬仪的中心坐标从而实现精确定位；
(4)测距
将A、B、C三台接收机所在的位置视为A、B、C三个点，则利用接收机的位置信息，可以计算出AC、BC、AB的长度。由于AB基线过短，利用A、B两接收机坐标求解AB基线与真北的夹角容易产生较大的误差。通过计算AC、BC、AB长度，利用三角形三边，通过余弦定理求解AC和AB的夹角∠2可以减少AB基线过短造成的影响。
(5)计算校正角度
通过三角形余弦定理，计算用来校正码盘零位的∠2。
(6)计算长基线与真北夹角
通过A点、C点的精确定位坐标，计算AC与真北的夹角∠1，目的是将求解AB短基线与真北的夹角转换成∠2与AC基线和真北夹角∠1的角度和，AC基线较长，可以减小定向误差。
(7)校正角度
因AB基线固定且AB基线与码盘的安装关系已知为∠3，因此可以求得校正角度∠4＝∠1+∠2+∠3，求得校正角度后就可以校正经纬仪的零位，实现自定位定向的功能
实施例1
(1)接收机选型
选取同型号的3台GNSS接收机。
(2)接收机安装
将A、B两台GNSS接收机与经纬仪集成在一起，两个天线对称安装，与经纬仪中心D共线。将第三台GNSS接收机C安装于外置方位标。
(3)经纬仪精确定位
通过A、B两台接收机位置均值和安装的具体尺寸可以计算出经纬仪的中心坐标从而实现定位。两台接收机频综共源实现本振相位一致，采用相同的卫星组合进行定位从而消除接收机绝大部分随机误差。
(4)测距
利用接收机和经纬仪的位置信息，计算AC、BC、AB长度。三台接收机频综共源，采用相同的卫星组合，实现三者共面构成三角形，减少了测距的系统误差，通过测距利用长基线实现精确定向。
(5)求校正角度
AB基线与码盘位置固定，所以∠2可以矫正码盘零位。
三角形边长角度关系如下：
Figure BDA0002539352630000061
由公式1-1可以看出，定向角∠2完全由长基线解算，达到高精度的需求。
(6)计算长基线与真北夹角
利用A点与C点的精确定位以及长基线AC，计算高精度的∠1。
Figure BDA0002539352630000062
由公式1-2可以看出，定向角∠1由长基线解算，避免AB短基线因定位误差导致定向误差较大的问题。
(7)校正角度
校正角度∠4＝∠1+∠2+∠3(码盘与AB的关系固定，为∠3)。
本发明实施例基于3台高精度GNSS接收机，通过计算双GNSS天线计算光电设备位置信息、设备与GNSS站间基线距离，获取光电设备位置、参考点位置信息及基线长度，通过解算站间几何距离进行角度反演计算，获取光电设备高精度定位定向信息，解决光电设备外场工作时定位定向标校问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种长基线高精度外场定位定向方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选取同型号的三台接收机A、B、C；
步骤2、接收机安装
将接收机A、B对称安装在经纬仪上，与经纬仪中心D共线；通过频综共源实现本振相位一致以及采用相同的卫星组合，消除两台接收机的随机误差，实现经纬仪的精确定位；将接收机C安装于外置方位标上，通过接收机C来增加基线长度，提升定向精度；
步骤3、经纬仪精确定位
通过经过1～1.5h载波相位差分，A、B、C三台接收机定位精度达到1～5cm，再通过A、B两个接收机位置均值和安装的具体尺寸计算出经纬仪的中心坐标从而实现精确定位；
步骤4、测距
将A、B、C三台接收机所在的位置视为A、B、C三个点，则利用接收机和经纬仪的位置信息，计算AC、BC、AB的长度；
步骤5、计算校正角度
计算用来校正码盘零位的AC和AB的夹角∠2；
步骤6、计算长基线与真北夹角
通过A点、C点的精确定位坐标，计算AC与真北的夹角∠1；
步骤7、校正角度
因AB基线固定且AB基线与码盘的安装关系已知为∠3，可以获得校正角度∠4＝∠1+∠2+∠3，求得校正角度后校正经纬仪的零位，实现自定位定向的功能。
2.根据如权利要求1所述的一种长基线高精度外场定位定向方法，其特征在于，所述步骤1中的接收机为GNSS接收机。
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