CN111895968B - 一种高精度复合水平测角系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度复合水平测角系统，包括：镜头，所述镜头设置在高精度转台上；高精度转台，所述高精度转台设置在测角平台上，用于在测角平台上水平旋转；以及用于带动镜头上下旋转，调整镜头的位置；测角平台，用于支撑并连接高精度转台；所述高精度转台具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，用于实现大角度测量；本发明中高精度观测镜头位于高精度转台上，而高精度转台具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，从而实现大角度测量；并且由于本姿态控制算法中会有不同姿态描述方法的应用，因此数据的处理会更加精确，能够有效的减小由于普通数据处理方法所带来的随机误差提高精度。

Description

一种高精度复合水平测角系统
技术领域
本发明涉及车辆测角技术，具体涉及一种高精度复合水平测角系统。
背景技术
目前，传统的测角技术大大受制于零部件加工精度的要求，而且有着难以进行动态测量和姿态角测量的缺陷。本文通过研究姿态控制技术，利用地球轨道可视为不变的特点，提出了一种新型的测量小车的倾角的系统设计。
角度测量技术多种多样，按照测量的要求来划分的话，可以分成动态和静态这两种测量方法。根据测量原理细分也可以分为机械式测量、电磁式测量和光学测量等方法。其中机械式测量技术和电磁式测量技术属于发展得比较早的技术，因此发展趋于完备。机械式测量的原理就是通过标定，将被测角度与基准部件进行比较，从而确定测量的角度数值。电磁式测量的原理是通过将被测件与磁栅固定在一起进行旋转，从而利用测量到的磁头的信号来测量被测件的角度。但也是由于其原理较为单一，测量的精度有限，因此近年来这两种测量方法正在逐渐被光学式测量代替。光学测量方法与其他方法相比，具有测量准确度高，测量速度快和测量方式多种多样的特点。所以近年来光学式测量得到了飞速的发展。传统的光学测量办法大多是用圆光栅测角或者是用激光测角技术，这两种技术都是利用了光的干涉和光的反射的原理。但是这两种技术对于零件加工的要求较高，而且这两种方式所用到的仪器体积都比较大，无法应用到诸如导弹定位、汽车导航等有关姿态控制的领域中，使用范围受到了限制。
为了解决测角仪器的体积过大不方便携带的问题，同时为了满足测角仪器可以用于姿态控制的要求，人们设计了陀螺仪以达到预期的目的。陀螺仪是基于角动量守恒原则的仪器，具有定轴性和进动性两种性质。可是传统的陀螺仪具有缺点。每工作一段时间就需要调零。
现有的测角方法不能同时兼顾大角度范围测量和高精度测量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高精度复合水平测角系统，解决以往测角方法不能同时兼顾大角度范围测量和高精度测量的问题。
本发明采用的技术方案是：一种高精度复合水平测角系统，包括：
镜头，所述镜头设置在高精度转台上；
高精度转台，所述高精度转台设置在测角平台上，用于在测角平台上水平旋转；以及用于带动镜头上下旋转，调整镜头的位置；以及，
测角平台，用于支撑并连接高精度转台；
所述高精度转台具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，用于实现大角度测量；
所述高精度复合水平测角系统利用GPS获取实时位置数据，通过计算得出当前太阳相对于镜头的位置，高精度复合水平测角系统控制高精度转台转动，调整镜头的位置，使太阳成像在镜头后的CMOS上；
阳光通过镜头上安装的薄膜后能量被削弱，然后汇聚在CMOS上，形成一个光斑；
通过传感器获取CMOS上的信号，利用算法判断光斑成像的位置，获取太阳成像的位置之后，算出当前镜头与太阳光线之间的角度，通过太阳光线的角度和当前高精度转台记录的转动角度以及当前经纬度数据进行姿态矩阵的运算，从而确定小车当前姿态，通过姿态控制算法计算得到车辆倾角。
进一步地，所述通过姿态控制算法计算得到车辆倾角包括：
在测量过程中，通过高精度复合水平测角系统的控制单元调节镜头对准太阳，使镜筒与太阳光平行；利用CMOS记录稳定后的光点与中心的偏差d，求出此时太阳的偏离角度γ；此时的镜筒与小车车身形成一个夹角θ，利用车身安装的高精度转台记录下镜筒与车身的夹角，通过高精度复合水平测角系统自带的当前时间数据，确定当前年份Y，序日D和时刻H；
先求出在一天时间内地球自转的角度h：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(26)
再求出此时地球的姿态矩阵R：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(27)
再通过GPS读取实时经纬度数据经度L和纬度W，算出当前所处位置小车无水平倾角时的标准姿态矩阵
Figure 119797DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 542688DEST_PATH_IMAGE006
(28)
利用太阳照射对地球光照角度sa进行计算：
Figure 664228DEST_PATH_IMAGE008
(29)
求出角度sa后算出镜筒的矩阵：
镜筒的光路为镜筒坐标系的Z′轴，指向太阳的方向，Y′轴垂直于Z’轴，朝向北极一侧建立右手坐标系；当镜筒平放时，将小车坐标系绕X轴旋转欧拉角sa+γ就得到镜筒的姿态矩阵：
Figure 597811DEST_PATH_IMAGE010
(30)
由此求出镜筒的坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
(31)
当镜筒对准太阳后，记录下的θ用于由镜筒的姿态矩阵求解当前小车的姿态矩阵
Figure 878620DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
(32)
求解小车实际的姿态矩阵后，利用车体实际姿态等于小车标准姿态发生旋转后的姿态这个运动关系，求出小车的倾角矩阵
Figure 737992DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
(33)
由
Figure 113872DEST_PATH_IMAGE016
通过反三角函数解出小车倾角。
本发明的优点：
本发明以太阳作为参照物，所以具有信号稳定且易于识别的优点。而且由于太阳和地球轨道之间的几乎无变化，因此可以长时间的进行观测。
通过姿态控制技术对后续的数据进行处理，极大的减小了对于零部件制造的要求，同时又减小了实物对零件数量的要求，大大减少了测量系统的体积。
本发明中高精度观测镜头位于高精度转台上，而高精度转台具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，从而实现大角度测量；并且由于本姿态控制算法中会有不同姿态描述方法的应用，因此数据的处理会更加精确，能够有效的减小由于普通数据处理方法所带来的随机误差提高精度。
本发明的系统可以兼顾动态测量和姿态角测量。
本发明的系统可以安装在可移动设备上（汽车、坦克等），不受地区地域的限制，适用性强。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的高精度复合水平测角系统结构示意图；
图2是本发明实施例的高精度复合水平测角系统框图；
图3是本发明实施例的太阳在CMOS上的成像角度示意图；
图4是本发明实施例的太阳中心坐标系示意图；
图5是本发明实施例的地球坐标系示意图；
图6是本发明实施例的载体坐标系示意图；
图7是本发明实施例的地心太阳坐标系示意图；
图8是本发明实施例的地球绕太阳旋转轨道模型图；
图9是本发明实施例的轨道图像仿真图；
图10是本发明实施例的修正后的轨道图像仿真图；
图11是本发明实施例的太阳照射在地球表面某点的示意图；
图12是本发明实施例的改变算法参数后提高拟合精度示意图；
图13是本发明实施例在地球和太阳上分别建立右手坐标系的示意图；
图14是本发明实施例的镜头的镜筒旋转后的机构示意图。
附图标记：
1为镜头、2为高精度转台、3为测角平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图2，如图1至图2所示，一种高精度复合水平测角系统，包括：
镜头1，镜头1设置在高精度转台2上；
高精度转台2，高精度转台2设置在测角平台3上，用于在测角平台3上水平旋转；以及用于带动镜头1上下旋转，调整镜头1的位置；以及，
测角平台3，用于支撑并连接高精度转台2；
高精度转台2具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，用于实现大角度测量；
高精度复合水平测角系统利用GPS获取实时位置数据，通过计算得出当前太阳相对于镜头1的位置，高精度复合水平测角系统控制高精度转台2转动，调整镜头1的位置，使太阳成像在镜头1后的CMOS上；
阳光通过镜头1上安装的薄膜后能量被削弱，然后汇聚在CMOS上，形成一个光斑；
通过传感器获取CMOS上的信号，利用算法判断光斑成像的位置，获取太阳成像的位置之后，算出当前镜头1与太阳光线之间的角度，通过太阳光线的角度和当前高精度转台2记录的转动角度以及当前经纬度数据进行姿态矩阵的运算，从而确定小车当前姿态，通过姿态控制算法计算得到车辆倾角。
本发明以太阳作为参照物，所以具有信号稳定且易于识别的优点。而且由于太阳和地球轨道之间的几乎无变化，因此可以长时间的进行观测。
通过姿态控制技术对后续的数据进行处理，极大的减小了对于零部件制造的要求，同时又减小了实物对零件数量的要求，大大减少了测量系统的体积。
本发明中高精度观测镜头位于高精度转台上，而高精度转台具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，从而实现大角度测量；并且由于本姿态控制算法中会有不同姿态描述方法的应用，因此数据的处理会更加精确，能够有效的减小由于普通数据处理方法所带来的随机误差提高精度。
本发明的系统可以安装在可移动设备上（汽车、坦克等），不受地区地域的限制，适用性强。
本实施例中，转台位置测量传感器为转台方位轴编码器、俯仰轴编码器，其作用均是对信息定时采集，并实时转换为位置、位姿、速度信息，为闭环控制提供实时测量反馈。
其结构为：选用编码器为雷尼绍圆光栅编码器及绝对式读数头。
本系统的控制部分的实现如下描述：雷尼绍绝对式光栅支持BiSSC（单向）开放式协议。BiSS是一种高速串行协议，适用于要求较高加速度、平稳的速度控制、优异的双向重复精度和超强的位置稳定性的动态轴。采用BiSS的RESOLUTE提供直线和圆光栅两种版本，可与各种行业标准控制器、驱动装置、数显表 (DRO) 和计算机计数卡兼容。
本系统的控制的硬件部分设置在转台中，通过电机和高精度编码器实现高精度的角度转动。
典型的请求循环进程如下：
1. 当空闲时，主接口使MA线保持高电平。光栅通过使SLO线保持高电平显示它已准备就绪。
2. 主接口通过开始在MA上传输时钟脉冲来请求位置采集。
3. 光栅通过将MA的第二上升沿的SLO线设为低电平做出响应。
4. 完成 “Ack” 周期后，光栅将数据传输到与时钟同步的主接口，如上图所示。
5. 当所有数据都传送完毕，主接口停下时钟，将MA线设为高电平。
6. 如果光栅尚未准备进行下一个请求周期，它会将SLO线设为低电平（超时周期）。
7. 当光栅准备进行下一请求周期时，它通过将SLO线设为高电平的方式提示主接口。
选用26位读数头，每转67108864个计数，≈0.02角秒，满足测量精度要求。
采用5ms定时器中断，周期性获取编码器信息，将二进制码值转换为实时角度值，并将相邻两次角度值之差除以采样周期，得到实时速度。
本实施例中，通过姿态控制算法计算得到车辆倾角包括：
在测量过程中，通过高精度复合水平测角系统的控制单元调节镜头1对准太阳，使镜筒与太阳光平行；利用CMOS记录稳定后的光点与中心的偏差d，求出此时太阳的偏离角度γ；此时的镜筒与小车车身形成一个夹角θ，利用车身安装的高精度转台2记录下镜筒与车身的夹角，通过高精度复合水平测角系统自带的当前时间数据，确定当前年份Y，序日D和时刻H；
先求出在一天时间内地球自转的角度h：
Figure 615260DEST_PATH_IMAGE001
(26)
再求出此时地球的姿态矩阵R：
Figure 219417DEST_PATH_IMAGE018
(27)
再通过GPS读取实时经纬度数据经度L和纬度W，算出当前所处位置小车无水平倾角时的标准姿态矩阵
Figure 249690DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
(28)
获得当前的标准情况下的姿态矩阵后，计算此时的镜筒的姿态矩阵，由于镜筒与太阳光照射方向平行，所以要利用太阳照射对地球光照角度sa进行计算：
Figure 909603DEST_PATH_IMAGE020
(29)
求出角度sa后算出镜筒的矩阵，旋转关系如图14所示.
镜筒的光路为镜筒坐标系的Z′轴，指向太阳的方向，Y′轴垂直于Z’轴，朝向北极一侧建立右手坐标系。由于镜筒通过高精度转台安装在小车平台上，所以当镜筒平放时，因此将小车坐标系绕X轴旋转欧拉角sa+γ就可以得到镜筒的姿态矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
(30)
由此求出镜筒的坐标系
Figure 417945DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 611029DEST_PATH_IMAGE022
(31)
当镜筒对准太阳后，因为镜筒由机械转台控制发生的转动也是发生在yoz平面内，所以记录下的θ可以用于由镜筒的姿态矩阵求解当前小车的姿态矩阵
Figure 953149DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 864473DEST_PATH_IMAGE015
(32)
求解小车实际的姿态矩阵后，利用车体实际姿态等于小车标准姿态发生旋转后的姿态这个运动关系，可求出小车的倾角矩阵
Figure 943550DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure 397665DEST_PATH_IMAGE017
(33)
由
Figure 300899DEST_PATH_IMAGE016
通过反三角函数可解出小车倾角。
本实施例中，自带的当前时间数据是取自GPS模块的数据，其为Ublox品牌的ZED-F9P 模块，多频 GNSS 接收机可在数秒内达到厘米级精度（0.01米）。
镜头参数选取
在选取镜头参数时，为了能够获取清晰的像，方便镜头对准太阳。主要有以下几个参数需要考虑，焦距，CMOS的大小，像元尺寸，镜头的口径。
为了使测量板上的光点变化大于两个像素尺寸，即10
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，所以选取最小的像元尺寸5.5
Figure 433940DEST_PATH_IMAGE023
X5.5
Figure 815243DEST_PATH_IMAGE023
，同时由于要在测量板上能够找到光点，因此需要扩大CMOS的范围，选取CMOS的大小为4K，即4096X4096。
由于是对太阳进行成像，因此需要计算观察太阳的视角。太阳到地球的平均距离为1.496X
Figure 123864DEST_PATH_IMAGE024
千米，即1个天文单位，地球平均半径为6371千米，太阳直径为1.392X
Figure DEST_PATH_IMAGE025
千米。由于日地距离最小为0.983个天文单位，此时观察太阳的视角最大，因此用此时的数据计算观察太阳的视角并作为后续计算使用。
选取太阳直径作为被观察物直径D，计算观察太阳的视角Ф
Figure DEST_PATH_IMAGE027
(4-1)
为完整的观察到太阳在CMOS上的成像，需选取一个远大于观察太阳的视角的镜头视场角FOV。如图3所示。
姿态控制原理
太阳中心坐标系
此坐标系如图4所示。以太阳的质心作为坐标轴的原点O，垂直于黄道面的方向为z轴方向，以地球轨道为的长轴为x轴，短轴为y轴建立右手坐标系。通常此参考坐标系用于描述星体运动，最为常用就是描述地球的运动。
地球坐标系
此坐标系如图5所示。选取地球的中心作为原点O，从地球中心指向北极点为z轴，从地球中心指向经度为0度处作为x轴，从地球中心指向东经90度处作为y轴建立右手坐标系。此坐标系通常用于求解有关地球自转的问题，
载体坐标系：
此坐标系如图6所示。载体坐标系通常选在发生运动的物体上，如在惯性导航的系统仿真中，载体坐标系就经常建立在小车上。一般选取小车运动的方向作为x轴，小车运动的侧面为y轴，垂直于小车所在的平面向上作为z轴建立右手坐标系。
地心太阳坐标系：
此坐标系如图7所示。地心太阳坐标系通常用于研究地球卫星的姿态变化，由这种参考坐标系 可方便的表示出绕地球卫星实时的参数特征，因此运用范围较为广泛。坐标系建立在太阳、地球和卫星三者共同的平面上，以z轴指向地心，x轴指向太阳，y轴垂直于黄道平面建立右手坐标系。
姿态矩阵的模拟
其中，姿态矩阵的建立包括参考坐标系的选定，参考坐标系与物体坐标系的转换，轨道模型的建立和矩阵数据的处理。
矩阵模型包括选定太阳作为参考坐标系，以地球为物体，由太阳的坐标系转换为地球的坐标系，通过地球与太阳之间的轨道关系求出太阳对地球的光照夹角，利用单目镜头确定小车在车身无倾角时的姿态矩阵。然后再利用地球的模型求出小车在地球某点时的姿态矩阵，通过获取车身机械结构记录的数据，最后通过矩阵的复合运算，求出车辆的倾角，从而达到测量车身水平倾角的目的。
地球绕太阳旋转轨道模型
如图8所示，其中S点为椭圆的一个焦点，即太阳所处的位置。A点为远日点，是公元纪年法中的7月4日，B点为近日点，是公元纪年法中的1月3日。可得出，在建立的模型内，每年的第一天，地球所处的位置是在第四象限区域内。在这个椭圆轨道中，半长轴的长度为a=1.496X
Figure 902727DEST_PATH_IMAGE024
千米，半短轴的长度为b=1.4958X
Figure 788643DEST_PATH_IMAGE024
千米，半焦距的长度为c=2.5X
Figure 114582DEST_PATH_IMAGE025
千米。已知日地距离公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
公式中的
Figure DEST_PATH_IMAGE031
不是真实的日地距离，出于简化算式的考虑，我们用
Figure 871185DEST_PATH_IMAGE032
指代真实日地距离r和平均日地距离
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的差的平方。在公式里面的θ为在一年中地球已经在太阳轨道上经过的扇形区域的角，由其定义可知：
Figure 850643DEST_PATH_IMAGE034
(2)
在天文学中具体的某一天是几月几日并无太大意义，且不方便计算，因此引入序日的概念。序日即某一天对应在一年当中的第几天，如每年的第一天的序日就是1，平年的最后一天就是365，闰年的最后一天就是366。在引入序日的概念之后，就可以通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE035
(3)
以此来求解一年中地球已经在太阳轨道上经过的扇形区域的角θ。
为了求解地球绕太阳旋转轨道模型，需要求出地球在平面内的横纵坐标，通过解以下方程组，可得出轨道横坐标的变化
Figure DEST_PATH_IMAGE037
(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE039
(5)
联立上述方程组，可解出
轨道横坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE041
(6)
因而求出轨道纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE043
(7)
得出轨道图像仿真图如图9所示。
为对图像进行修正，弥补由于数据不够准确造成的轨道偏差，给结果增添一个修正因子，修正结果为
横坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE045
(8)
纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE047
(9)
修正仿真图如图10所示。
由于求出的解带有正负项，因此需对解的正负性进行判断。由之前的推论可知，在地球任意一年中，第一天的地球总是处于运动平面的第四象限中，且由于地球的转动方向为恒定不变的逆时钟方向旋转。因此可以判断出地球轨道平面坐标的正负号。
太阳对地球光照角度
地球在绕太阳进行公转的同时自身也在不停的进行自转，公转使得地球产生了四季的变化，而地球的自转则使得地球产生了昼夜交替的变化。由于是通过单目镜筒追踪太阳的位置，因此必须知道在某一时刻某一地点太阳到该地的直射角度。
日地平均距离为1.496×
Figure 596093DEST_PATH_IMAGE024
千米，地球直径为1.2756×
Figure 584778DEST_PATH_IMAGE048
千米，因此太阳光可视为从无穷远处射来的平行光。在真实的地球转动过程中，用一根穿过地球南极和北极的地轴来表示地球的姿态及自转转动方向。地轴垂直于地球的赤道面且地轴不是垂直于黄道面，而是与黄道面呈一个夹角，这个夹角被称为黄赤交角。其大小是23°26′15″。由于黄赤交角的原因，地球在自转时会产生太阳直射点的位移，因为太阳光是平行光，因此太阳照射在地球表面某点的角度也会随着时间发生变化。如图11所示。
求解太阳照射角度的公式为：
Figure 867992DEST_PATH_IMAGE050
(10)
式中Ф为纬度，北纬为正值，南纬为负值，δ代表太阳赤纬，ω指代的时角。
利用的公式
Figure 424875DEST_PATH_IMAGE052
(11)
式中的N与序日不同，N=n-1，即当序日为1时，式中的N应取值为0。式中的△N是序日的修正值，其公式为
Figure 52428DEST_PATH_IMAGE054
(12)
J是测量地点的经度，S是测量时刻的小时，F则是测量时刻的分钟。
另一个参数N0可依照公式
Figure 720170DEST_PATH_IMAGE056
(13)
求出。
从图12可看出，改变θ的公式，可以大大提高拟合的精确度。春分日的赤纬
Figure 857890DEST_PATH_IMAGE058
，秋分日的赤纬
Figure 710308DEST_PATH_IMAGE060
。这个公式极大的缩小了计算时的误差。
在求解完赤纬后，根据求解太阳照射角度的公式可知，仍需求知某一地点在某时刻的时角。由于地球是一个自转的球体，因此会有不同的经度变化，这也会导致在不同的地方时间不同。不同地点时间的间隔就是时差e。因为时差的出现所以会产生时角的不同。实际上地球的自转的时间并不是标准的24小时，但为了方便日常计时，根据国际规范人为的将一天的时间定为24小时，这被称为平太阳时。而真实的一天的时间被称为真太阳时
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。要求出真太阳时，就需要定下一个标准的时间，因此选取0°经线，即英国的格林威治时间作为世界标准时用于计算。求解时角ω的公式如下
Figure DEST_PATH_IMAGE063
(14)
由于平太阳时有误差，因此不可以直接用平太阳时t代入计算。为减小误差，用如下公式
Figure DEST_PATH_IMAGE065
(15)
对平太阳时进行修正，从而得出真太阳时。
时差e的计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE067
(16)
接下来仍需求解任意某地的平太阳时。要求出某地的平太阳时则需要对该地的经度数据进行处理，先通过与当地首都进行比较，找出当地标准时
Figure 589271DEST_PATH_IMAGE068
，然后与格林威治标准时进行比较，求出世界标准时
Figure 795125DEST_PATH_IMAGE070
，最后代入当地的经度L，求出当地的真太阳时
Figure 413450DEST_PATH_IMAGE072
。
计算某地平太阳时的公式为
Figure 577715DEST_PATH_IMAGE074
(17)
经度L的正负为东经为正，西经为负。
地球相对于太阳姿态矩阵
在已经求出地球绕太阳公转轨道模型，要建立完整的地球姿态矩阵，还需要对地球的自转进行求解。由于地球在轨道上转动的位置按序日区分，因此需要对地球的初始位置进行求解。由已经计算出的结果可知，地球初始位置在轨道平面坐标系内的第四象限，且已求得横坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE075
,纵坐标
Figure 881658DEST_PATH_IMAGE076
,由此可计算地球自转的模型。
如图13所示，在地球和太阳上分别建立右手坐标系，假设此时地轴垂直于黄道面。Ys为太阳中心坐标系的Y轴，Xs为太阳中心坐标系的X轴，Xe为地球坐标系的X轴，Xs与地球公转轨道相切，Ye是地球坐标系的Y轴，同时为了满足序日为1的要求，Ye也是序日为1的0°经线。利用椭圆切线方程
Figure 891202DEST_PATH_IMAGE078
(18)
推出椭圆切线斜率为
Figure 128148DEST_PATH_IMAGE080
(19)
即可通过公式
Figure 932156DEST_PATH_IMAGE082
(20)
求得太阳在地轴垂直于黄道面时，要转动为地球姿态的欧拉角θ的大小为77.223°。
求得绕Z轴转动的欧拉角之后，仍需求出绕X轴转动的欧拉角γ。查阅资料可知地轴与黄道面的实际夹角为23°26′15″，因此可得出在序日为1时地球的姿态矩阵。因为只有两个旋转角度，且旋转角度已知，所以采用欧拉角式对数据进行处理，利用下面两个公式
Figure 520132DEST_PATH_IMAGE084
按照第一次绕Z轴转动，第二次绕X轴转动的顺序计算序日为1时的地球坐标系欧拉角式姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE085
，计算结果为
Figure DEST_PATH_IMAGE087
(23)
解出在序日为1的地球坐标系姿态矩阵后，即可按同理利用欧拉角式算出在一年当中任意时刻的地球坐标系相对于太阳坐标系的欧拉角式姿态矩阵。因为在地球绕太阳转动过程中，地球的运动可视为公转和自转的两种运动之和。而单独的公转并不改变地球坐标系相对于太阳坐标系的角度的姿态，因此可以将
Figure 897149DEST_PATH_IMAGE085
套用到每一天的姿态变化模型中，作为每一天的零时的姿态矩阵。然后在
Figure 863968DEST_PATH_IMAGE085
的基础上加上地球的自转变化，即可得到地球坐标系在一年当中任意时刻的欧拉角式姿态矩阵。
由于地球自转时绕地轴转动，而地轴是地球坐标系的Z轴，因此地球自转就等于地球坐标系绕自身Z轴进行旋转。利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE089
(24)
即可算出在一年当中，地球坐标系在任意时刻的姿态矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
(25)
本发明的测量原理，阳光通过高精度镜头聚焦于光电探测器CMOS上，本专利选用CMV4000探测器，通过探测器将光转化为电信号实现光斑的提取，将电信号传输给计算机并且结合转台中高精度编码器提供的转角数据和GPS装置提供的精确位置信息通过姿态控制算法得到车辆倾角。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高精度复合水平测角系统，其特征在于，包括：
镜头（1），所述镜头（1）设置在高精度转台（2）上；
高精度转台（2），所述高精度转台（2）设置在测角平台（3）上，用于在测角平台（3）上水平旋转；以及用于带动镜头（1）上下旋转，调整镜头（1）的位置；以及，
测角平台（3），用于支撑并连接高精度转台（2）；
所述高精度转台（2）具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，用于实现大角度测量；
所述高精度复合水平测角系统利用GPS获取实时位置数据，通过计算得出当前太阳相对于镜头（1）的位置，高精度复合水平测角系统控制高精度转台（2）转动，调整镜头（1）的位置，使太阳成像在镜头（1）后的CMOS上；
阳光通过镜头（1）上安装的薄膜后能量被削弱，然后汇聚在CMOS上，形成一个光斑；
通过传感器获取CMOS上的信号，利用算法判断光斑成像的位置，获取太阳成像的位置之后，算出当前镜头（1）与太阳光线之间的角度，通过太阳光线的角度和当前高精度转台（2）记录的转动角度以及当前经纬度数据进行姿态矩阵的运算，从而确定车辆当前姿态，通过姿态控制算法计算得到车辆倾角；
所述通过姿态控制算法计算得到车辆倾角包括：
在测量过程中，通过高精度复合水平测角系统的控制单元调节镜头（1）对准太阳，使镜筒与太阳光平行；利用CMOS记录稳定后的光点与中心的偏差d，求出此时太阳的偏离角度γ；此时的镜筒与车辆车身形成一个夹角θ，利用车身安装的高精度转台（2）记录下镜筒与车身的夹角，通过高精度复合水平测角系统自带的当前时间数据，确定当前年份Y，序日D和时刻H；
先求出在一天时间内地球自转的角度h：
Figure 680006DEST_PATH_IMAGE001
(26)
再求出此时地球的姿态矩阵R：
Figure 531419DEST_PATH_IMAGE002
(27)
再通过GPS读取实时经纬度数据经度L和纬度W，算出当前所处位置车辆无水平倾角时的标准姿态矩阵
Figure 275384DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 918855DEST_PATH_IMAGE004
(28)
利用太阳照射对地球光照角度sa进行计算：
Figure 50759DEST_PATH_IMAGE005
(29)
求出角度sa后算出镜筒的矩阵：
镜筒的光路为镜筒坐标系的Z′轴，指向太阳的方向，Y′轴垂直于Z’轴，朝向北极一侧建立右手坐标系；当镜筒平放时，将车辆坐标系绕X轴旋转欧拉角sa+γ就得到镜筒的姿态矩阵：
Figure 779681DEST_PATH_IMAGE006
(30)
由此求出镜筒的坐标系
Figure 202703DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 435101DEST_PATH_IMAGE008
(31)
当镜筒对准太阳后，记录下的θ用于由镜筒的姿态矩阵求解当前车辆的姿态矩阵
Figure 206748DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 750862DEST_PATH_IMAGE010
(32)
求解车辆实际的姿态矩阵后，利用车体实际姿态等于车辆标准姿态发生旋转后的姿态这个运动关系，求出车辆的倾角矩阵
Figure 180837DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 533321DEST_PATH_IMAGE012
(33)
由
Figure 944711DEST_PATH_IMAGE013
通过反三角函数解出车辆倾角。
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