CN112817019A - 一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，属于地球物理勘探技术领域。本方法，利用可控震源车GNSS航向信息与铰接角信息，建立“后车体坐标‑大地坐标”转换关系模型。通过安装于振动平板顶部的姿态传感器，精确获取车辆横滚角与俯仰角。建立GNSS定位信息与振动平板中心实际位置的转换关系模型，获得振动平板中心在后车体坐标系下的位置。利用上述“后车体坐标‑大地坐标”转换关系模型得出振动平板中心在大地坐标系下的精确定位信息，以定量形式精确补偿了地形因素导致的可控震源车工作点的定位精度误差，有效提升了可控震源车的作业质量。

Description

一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种减小可控震源车在倾斜地形下工作点定位误差的方法，具体涉及一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，属于地球物理勘探技术领域。

背景技术

可控震源车是一种广泛应用于地质调查、石油勘探等领域的大型铰接式工程车辆。可控震源车通过一个与大地紧密耦合的振动平板在特定的工作点产生一组连续震动信号，通过对震动回波信号的接收与分析以获取地质构造信息，其工作方式绿色高效，具有广阔的应用前景。

可控震源车的工作点由技术人员提前设定，工作点定位误差定义为可控震源车作业过程中振动平板中心与工作点的平面欧氏距离。工作点定位误差的大小直接关系到回波数据的质量，进而影响到地质构造信息分析的准确性。因此，如何减小工作点定位误差，对提高可控震源车作业质量具有重要意义。

目前，振动平板中心依靠安装于振动平板中心顶部的GNSS定位天线直接获取其位置信息，通过计算获取该点与工作点的平面距离，从而获得工作点定位误差。驾驶员以工作点定位误差为依据，驾驶可控震源车准确停到工作点进行工作。由于可控震源车车身高度以及GNSS定位天线安装高度较高，在倾斜地形下GNSS定位天线的定位位置与振动平板中心实际位置存在一定的偏差，从而产生工作点定位误差。

现有的解决方法多是驾驶员依靠经验，根据地形倾斜程度继续行驶一段距离以弥补误差。这种方法严重依赖人工经验，结果具有很大的不确定性，尤其是在地形倾斜程度较大的情况下，这种方法更不具有可信性。目前为止，还未见有对可控震源车工作点定位误差进行定量补偿的方案出现。

因此，希望有一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，定量地精确弥补工作点定位误差。

发明内容

本发明的目的是针对地形因素带来的可控震源车工作点定位误差的技术问题，提出一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法。该方法能根据车体姿态信息定量计算倾斜地形下工作点定位误差，有效提高工作点定位精度。

本发明的创新点在于：

利用可控震源车GNSS航向信息与铰接角信息，建立“后车体坐标-大地坐标”转换关系模型。通过安装于振动平板顶部的姿态传感器，精确获取车辆横滚角与俯仰角。建立GNSS定位信息与振动平板中心实际位置的转换关系模型，获得振动平板中心在后车体坐标系下的位置。利用上述“后车体坐标-大地坐标”转换关系模型得出振动平板中心在大地坐标系下的精确定位信息，定量补偿工作点定位误差。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：建立可控震源车整车坐标系Ψ_w；

步骤2：建立可控震源车后车坐标系Ψ_r；

步骤3：建立后车坐标系Ψ_r与大地坐标系Ψ_m的转换关系模型；

步骤4：求取振动平板中心在后车坐标系Ψ_r下的坐标P_r(x_r,y_r)；

步骤5：依据步骤3所建立的Ψ_r与Ψ_m转换关系模型，求取振动平板中心在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m(x_m,y_m)；

步骤6：计算P_m(x_m,y_m)与工作点在大地坐标系下的坐标P_w(x_w,y_w)之间的欧式距离，作为补偿后的工作点定位误差。

进一步地，步骤1具体包括以GNSS定位天线为坐标原点建立整车二维右手坐标系Ψ_w，y轴正向为GNSS航向。

进一步地，步骤2具体包括以GNSS定位天线为坐标原点建立后车二维右手坐标系Ψ_r，y轴正向指向可控震源车铰接点。

进一步地，步骤3具体包括以下几部分内容：

步骤3.1：建立Ψ_w与Ψ_m的转换关系模型。

Ψ_w中的点P_w与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m的转换关系为：

(P_m，1)^T＝T_mw(P_w，1)^T (1)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，且有：

其中，θ_w为GNSS航向角，x_m、y_m为GNSS直接定位信息。

步骤3.2：建立Ψ_r与Ψ_w的转换关系模型。

Ψ_r中的点P_r与其在Ψ_w下的坐标P_w有如下转换关系：

(P_w，1)^T＝T_wr(P_r，1)^T (3)

其中，T表示矩阵转置，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵，且有：

其中，θ_r为Ψ_w、Ψ_r的y轴正向夹角。

步骤3.3：在步骤3.1与步骤3.2的基础上，建立Ψ_r与Ψ_m的转换关系模型。

Ψ_r中的点P_r与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m有如下转换关系：

(P_m,1)^T＝T_mwT_wr(P_r,1)^T (5)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵。

进一步地，步骤4具体包括求取振动平板在后车坐标系Ψ_r下的坐标P_r(x_r,y_r)，其中，

其中，α为姿态传感器测得的车辆俯仰角、β为横滚角，h为振动平板提起时GNSS定位天线距离地面的垂直高度。

有益效果

与现有的依靠人工经验进行可控震源车工作点定位误差补偿的方案相比，本发明所提出的方法具有以下优势：

通过建立“后车体坐标-大地坐标”转换关系模型，计算出振动平板中心在大地坐标系下的坐标，以此代替GNSS直接定位信息进行定位误差计算，以定量形式精确补偿了地形因素导致的可控震源车工作点定位精度误差。

附图说明

图1为基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法流程图；

图2为可控震源车转向示意图；

图3为倾斜地形下可控震源车工作点定位误差示意图；

图4为姿态传感器安装示意图。

图中，1-GNSS定向天线位置，2-可控震源车铰接点位置，3-GNSS定位天线位置，4-GNSS定位天线安装位置，5-振动平板中心实际位置，6-GNSS直接定位位置。

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。

如图1所示，一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：建立可控震源车整车坐标系Ψ_w。

如图2所示，以GNSS定位天线为原点，建立二维右手坐标系O_wX_wY_w，记为Ψ_w，其中，y轴正向为GNSS航向，即由GNSS定位天线指向GNSS定向天线。

步骤2：建立可控震源车后车坐标系Ψ_r。

如图2所示，以GNSS定位天线为原点建立二维右手坐标系O_rX_rY_r，记为Ψ_r，其中，y轴正向指向可控震源车铰接点，即由GNSS定位天线指向铰接点。

步骤3：建立后车坐标系Ψ_r与大地坐标系Ψ_m的转换关系模型。

具体地，包括以下步骤：

步骤3.1：如图2所示，θ_w为GNSS航向角，即GNSS定位天线、定向天线间的连线与正北方向的夹角。在已知GNSS直接定位点(x_m,y_m)的情况下，可以求出Ψ_w中的点P_w与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m有如下转换关系：

(P_m，1)^T＝T_mw(P_w，1)^T (1)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，且有：

步骤3.2：如图2所示，θ_r为Ψ_w、Ψ_r的y轴正向夹角，在已知车辆铰接角的情况下，θ_r通过三角形解析获得，其解析表达式如下：

其中，l_r为可控震源车铰接点到GNSS定位天线的水平距离，l_f为铰接点到GNSS定向天线的水平距离，γ为铰接角。

在得到θ_r大小后，获得Ψ_r中的点P_r与其在Ψ_w下的坐标P_w有如下转换关系：

(P_w，1)^T＝T_wr(P_r，1)^T (4)

其中，T表示矩阵转置，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵，且有：

步骤3.3：在步骤3.1与步骤3.2的基础上，求出Ψ_r与Ψ_m的转换关系模型。Ψ_r中的点P_r与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m有如下转换关系：

(P_m,1)^T＝T_mwT_wr(P_r,1)^T (6)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵。

经过步骤3，得到后车坐标系下任意一点在大地坐标系下的位置。

步骤4：如图3所示，因地形倾斜的因素，振动平板中心的实际位置与GNSS直接定位位置并不一致，需要求出二维水平面上振动平板中心实际位置在后车坐标系Ψ_r中的位置以进行工作点定位误差补偿。具体如下：

通过安装于振动平板顶部的姿态传感器，获取当前路况下可控震源车俯仰角α、横滚角β。

依据下式，计算二维水平面上振动平板中心实际位置在后车坐标系Ψ_r中的位置P_r(x_r,y_r)：

需要说明的是，上述P_r(x_r,y_r)的计算表达形式与姿态传感器的安装方式有关，此处只是提供了一个特殊的示例。其中，姿态传感器的安装方式如图4所示，以姿态传感器中心为原点建立三维左手坐标系，Z轴方向与后车坐标系Ψ_r的y轴方向一致。规定绕X旋转为俯仰，且顺时针为旋转正方向；绕Z旋转为横滚，且顺时针为旋转正方向。

步骤5：根据步骤3.3所建立的Ψ_r与Ψ_m转换关系模型，依据下式求出振动平板在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m(x_m,y_m)：

(P_m,1)^T＝T_mwT_wr(P_r,1)^T (8)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵。

步骤6：计算P_m(x_m,y_m)与工作点在大地坐标系下的坐标P_w(x_w,y_w)之间的欧式距离，以此作为补偿后的工作点定位误差E_cps：

最后，将E_cps作为工作点定位误差的评判依据提供给可控震源车驾驶员，从而大幅度提高复杂地形下工作点定位精度，提升了可控震源车作业质量。

Claims (3)

1.一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用可控震源车GNSS航向信息与铰接角信息，建立“后车体坐标-大地坐标”转换关系模型，包括以下步骤：

首先，建立可控震源车整车坐标系Ψ_w和可控震源车后车坐标系Ψ_r；

然后，建立后车坐标系Ψ_r与大地坐标系Ψ_m的转换关系模型，包括以下步骤：

步骤1.1：建立Ψ_w与Ψ_m的转换关系模型；

令θ_w为GNSS航向角，即GNSS定位天线、定向天线间的连线与正北方向的夹角，在已知GNSS直接定位点(x_m,y_m)的情况下，Ψ_w中的点P_w与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m的转换关系为：

(P_m，1)^T＝T_mw(P_w，1)^T (1)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，且有：

其中，θ_w为GNSS航向角，x_m、y_m为GNSS直接定位信息；

步骤1.2：建立Ψ_r与Ψ_w的转换关系模型；

令θ_r为Ψ_w、Ψ_r的y轴正向夹角，在已知车辆铰接角的情况下，θ_r通过三角形解析获得，其解析表达式如下：

其中，l_r为可控震源车铰接点到GNSS定位天线的水平距离，l_f为铰接点到GNSS定向天线的水平距离，γ为铰接角；

在得到θ_r大小后，获得Ψ_r中的点P_r与其在Ψ_w下的坐标P_w有如下转换关系：

(P_w，1)^T＝T_wr(P_r，1)^T (4)

其中，T表示矩阵转置，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵，且有：

步骤1.3：在步骤1.1与步骤1.2的基础上，建立Ψ_r与Ψ_m的转换关系模型；

Ψ_r中的点P_r与其在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m有如下转换关系：

(P_m,1)^T＝T_mwT_wr(P_r,1)^T (6)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵；

步骤2：建立GNSS定位信息与振动平板中心实际位置的转换关系模型，获得振动平板中心在后车体坐标系下的位置，具体如下：

利用姿态传感器，获取当前路况下可控震源车俯仰角和横滚角；

求取振动平板中心在后车坐标系Ψ_r下的坐标P_r(x_r,y_r)，其中：

其中，α为姿态传感器测得的车辆俯仰角、β为横滚角，h为振动平板提起时GNSS定位天线距离地面的垂直高度；

步骤3：利用建立的“后车体坐标-大地坐标”转换关系模型，获得振动平板中心在大地坐标系下的精确定位信息，以此定量补偿工作点定位误差，具体如下：

根据Ψ_r与Ψ_m转换关系模型，依据下式求出振动平板在大地坐标系Ψ_m下的坐标P_m(x_m,y_m)：

(P_m,1)^T＝T_mwT_wr(P_r,1)^T (8)

其中，T表示矩阵转置，T_mw为Ψ_w到Ψ_m的变换矩阵，T_wr为Ψ_r到Ψ_w的变换矩阵；

然后，计算P_m(x_m,y_m)与工作点在大地坐标系下的坐标P_w(x_w,y_w)之间的欧式距离，以此作为补偿后的工作点定位误差E_cps：

可控震源车驾驶员根据工作点定位误差为依据，调整可控震源车工作点定位精度。

2.如权利要求1所述的一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，其特征在于，建立可控震源车整车坐标系Ψ_w时，以GNSS定位天线为坐标原点建立整车二维右手坐标系Ψ_w，其中，y轴正向为GNSS航向，即由GNSS定位天线指向GNSS定向天线。

3.如权利要求1所述的一种基于姿态信息的可控震源车工作点定位误差补偿方法，其特征在于，建立可控震源车后车坐标系Ψ_r时，以GNSS定位天线为坐标原点建立后车二维右手坐标系Ψ_r，其中，y轴正向指向可控震源车铰接点，即由GNSS定位天线指向铰接点。

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