CN114608611B - 基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电侦察监视系统技术领域，具体涉及一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法。该方法首先在地面先对光电吊舱进行跑车试验；然后再在平行光管前完成光电吊舱光轴与平行光管自准直工作；最后对所同步记录的惯性测量单元数据和差分卫星导航数据进行组合导航后处理，计算出导航单元在光电吊舱光轴与平行光管自准直时刻的航向、姿态信息，计算出视轴校准参数，并补偿完成光电吊舱视轴校准。本方法从原理上区别于飞行检校场的方法和基于像底点的机载POS视准轴误差检校方法，且对试验场地和试验条件要求较低，工作流程简单、易于实现、节约时间、节约成本、可提高光电吊舱视准轴误差校正精度。
Description
技术领域
本发明属于光电侦察监视系统技术领域，具体涉及一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，尤其涉及一种在地面完成的高精度光电吊舱视准轴误差校正方法。
背景技术
目前，机载光电吊舱大都配置有惯性/卫星组合导航单元(以下简称导航单元)，用于实现对目标的地理定位及跟踪，为了减小光电吊舱的重量及尺寸，导航单元一般与光学传感器一起固联在光具座上，但因为机械加工精度有限及安装工艺等原因，造成惯导轴与光电轴存在不平行度(视准轴误差)，这种误差直接影响光电系统对目标的地理定位、跟踪精度，需要进行校准。传统的视准轴误差校准方法主要有两种，一是：光电吊舱在在组装前，在导航单元基准面和光具座合适的位置上事前各粘贴平面反射镜或六面体反射镜，且导航单元基体轴、光学传感器光轴与所对应粘贴的反射镜之间的轴向关系事前需要通过高精度陀螺经纬仪，平行光管等仪器进行校准，最后再对安装完成的光电吊舱通过陀螺经纬仪参考所粘贴的反射镜进行综合误差校准。这种方法过程复杂，且需要进行多次坐标系转换，有时还因为结构遮挡原因，很难操作；二是：在地面建立专门较大的校验场，设置专门的靶标，通过空中挂飞试验进行校准，如德国IGI公司对AERO control；加拿大Applanix公司的POSAV系统的视轴校验方法。国内付建红，赵双明文章：基于像底点的机载POS视准轴误差检校[J].测绘学报2011，40(5)，610-615；李学有，倪忠礼文章：IMU/DGPS辅助航空摄影测量中检校场布设方案研究[J].测绘工程2005，14(4)，14-18等都是基于该方法研究，该方法要求条件太高，操作复杂，成本高，不适宜大范围推广。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对现有对光电吊舱视准轴误差校正方法存在的问题，根据光电吊舱的特点，结合惯性/卫星组合导航后处理技术，如何提供一种在地面上操作简便，方便实用且高精度的视准轴误差校正方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，所述光电吊舱视准轴误差校正方法基于光电吊舱视准轴误差校正系统来实施，所述光电吊舱视准轴误差校正系统包括：
1)在室外开阔的地面建立的一个具有北向基准功能的平行光管；
2)一套差分卫星导航系统，其包括一个地面差分站及电台，一个移动差分卫星导航模块及电台；
3)一套惯性测量单元，其设置具备与移动差分卫星导航模块输出数据同步的数据输出功能；
所述移动差分卫星导航模块与惯性测量单元构成导航单元；
4)一个移动测试平台；
5)惯性/卫星组合导航后处理工具；
6)光电吊舱系统设计有光轴自准直功能；
7)数据记录系统；
基于上述光电吊舱视准轴误差校正系统，所述光电吊舱视准轴误差校正方法包括如下步骤：
步骤S1：将光电吊舱安装在移动测试平台上，手动调节安装工装高度，使得光电吊舱位于所述具有北向基准功能的平行光管前，方便地完成光轴自准直功能；
步骤S2：连接移动差分卫星导航模块和数据记录系统；
步骤S3：在开阔的场地上，保持移动测试平台静止不动并给惯性测量单元和差分卫星导航系统同时上电，在移动测试平台静止状态下同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据一定时间；
步骤S4：移动测试平台启动并以一定速度连续跑动若干分钟以上，跑动中间包括加减速动作和转弯动作，同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据；
步骤S5：以和步骤S4同样的跑动方式将光电吊舱移动到平行光管前并停车；
步骤S6：启动光电吊舱光轴自准直功能，快速完成光轴与平行光管的自准直；
步骤S7：利用惯性/卫星组合导航后处理工具对记录的卫星导航数据和惯性测量单元数据进行处理，解算出导航单元在光轴与平行光管准直时刻的姿态、航向数据；
步骤S8：对自准直时刻的导航单元的姿态、航向数据作相应的坐标轴转换，即得到视准轴误差校正参数；
步骤S9：将该视准轴误差校正参数存入光电吊舱系统，用于光电吊舱系统对目标地理定位、跟踪计算时的修正补偿中，可极大提高光电系统对目标的地理定位、跟踪精度。
其中，所述误差校正方法的试验工作原理如下：
地理坐标系选东北天直角坐标系，即X轴指东，Y轴指北，Z轴指天，载体坐标系即为光学传感器和IMU固联的光具座坐标系，定义符合右手定则，y轴沿光学传感器镜头法线指向外，x轴指向右，z轴沿x-y平面指向上；
其中，航向角范围为0～360°，正北为0°，顺时针旋转增大，俯仰角范围为-90°～90°，抬头为正，横滚角范围为-180°～180°右倾为正；
其中，载体坐标系xyz可以由地理坐标系XYZ经过若干次转动得到；
记光电吊舱光轴自准直时刻导航单元的航向角α、俯仰角θ、横滚角γ；
则导航单元坐标系b系到地理坐标系g系的转换矩阵为：
当平行光管镜头法线与地理水平面平行，且方向指向正南时，则地理坐标系g系到光学传感器坐标系p系的转换矩阵为：
则导航单元坐标系b系向光学传感器坐标系p系转换的变换矩阵为：
以上3x3矩阵即为光电吊舱视轴校准矩阵。
其中，采用所述误差校正方法，可以直接得到高精度的光电吊舱视轴校准参数；在实际系统工作中，因为惯性测量单元和光学传感器都固联在光具座上，则实时工作时，根据导航单元实时姿态航向信息，即可得到光电吊舱视准轴在地理坐标系下的姿态转换矩阵，即
其中，所述误差校正方法实施过程中，从步骤S3开始到步骤S6结束，全程不间断地同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据。
其中，所述数据记录系统为具备数据记录功能的计算机。
其中，所述一定时间为8分钟以上。
其中，所述一定速度为每小时20公里左右的速度。
其中，所述若干分钟以上为10分钟以上。
其中，所述移动测试平台包括：一台普通的三轮或四轮电瓶车，一个可手动升降的光电吊舱安装工装。
其中，所述移动测试平台还包括：一组直流24V移动供电系统。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：本发明专利是根据机载光电吊舱的组成特点，结合惯性/卫星组合导航后处理技术提出的一种操作简便，方便实用且高精度的视准轴误差校正方法，航向精度优于0.005°，姿态精度优于0.002°。
附图说明
图1为本发明技术方案的流程示意图。
图2为本发明技术方案的地理坐标系与载体坐标系的相互关系示意图。
图3为本发明技术方案的轴系转动过程示意图。
图4为本发明在所有试验过程中，在移动测试平台上所有设备的连接示意图。
图5为在移动平台9上的光电吊舱1与地面具有北向基准的平行光管11进行自准直时的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，所述光电吊舱视准轴误差校正方法基于光电吊舱视准轴误差校正系统来实施，所述光电吊舱视准轴误差校正系统包括：
1)在室外开阔的地面建立的一个具有北向基准功能的平行光管；
2)一套差分卫星导航系统，其包括一个地面差分站及电台，一个移动差分卫星导航模块及电台；
3)一套惯性测量单元，其设置具备与移动差分卫星导航模块输出数据同步的数据输出功能；
所述移动差分卫星导航模块与惯性测量单元构成导航单元；
4)一个移动测试平台；
5)惯性/卫星组合导航后处理工具；
6)光电吊舱系统设计有光轴自准直功能；
7)数据记录系统；
图4为本发明在所有试验过程中，在移动测试平台上所有设备的连接示意图。图4中：光电吊舱1安装在升降平台9上，并共同固定在移动测试平台10的后部车厢上，光电吊舱的光电窗口朝车厢后部，以方便与地面平行光管11进行自准直，惯性导航模块2固联安装在光电吊舱的光具座上。移动测试平台上还配备有：试验过程中给光电吊舱及惯性导航模块提供24V直流电的电源模块8、提供同步差分卫星导航数据的移动差分卫星导航单元(包括差分卫星导航板3a，卫星信号接收天线4a，一个与地面卫星导航差分站通讯的移动电台5a和一个电台通讯天线6a)和一个在试验过程中全程同步记录惯性导航模块中惯性测量单元和差分卫星导航板数据的PC机7，PC机7中装有控制光电吊舱光轴与图5中的平行光管11自准直的控制工具以及惯性/卫星组合导航后处理软件工具。
图5为在移动平台9上的光电吊舱1与地面具有北向基准的平行光管11进行自准直时的示意图。
图5中，跑车试验完成后，移动平台9带着光电吊舱1到达平行光管11前，通过调节升降平台9完成光电吊舱光学窗口高低方向的调整，以保证光学窗口与平行光管11镜头的高低对齐，然后操作PC机7中控制光电吊舱光轴与平行光管11自准直的控制工具完成光电吊舱与平行光管自准直。注意：在整个跑车试验过程和进行光电吊舱1与平行光管11自准直过程中，PC机7必须一直连续同步记录惯性测量单元和卫星导航数据。
图5中还包括一个固定卫星导航差分站(包括差分卫星导航板3b，卫星信号接收天线4b，一个与移动卫星导航差分站通讯的固定电台5b和一个通讯天线6b)，用于与移动平台9上的移动卫星导航差分站配套使用，实现差分卫星导航功能。
需要注意的是：图4中的卫星信号接收天线4a需要设置在光电吊舱顶部(尽量减小惯性导航和卫星导航安装的杆臂效应)开阔无遮挡位置，电台通讯天线6a必须设置在移动试验平台开阔无遮挡的部位，保证试验过程中卫星信号和电台信号全程无遮挡；图5中的卫星信号接收天线4b、电台通讯天线6b也应架设在地面开阔无遮挡的位置，确保试验过程中卫星信号和电台信号全程无遮挡。
基于上述光电吊舱视准轴误差校正系统，如图1所示，所述光电吊舱视准轴误差校正方法包括如下步骤：
步骤S1：将光电吊舱安装在移动测试平台上，手动调节安装工装高度，使得光电吊舱位于所述具有北向基准功能的平行光管前，方便地完成光轴自准直功能；
步骤S2：连接移动差分卫星导航模块和数据记录系统；
步骤S3：在开阔的场地上，保持移动测试平台静止不动并给惯性测量单元和差分卫星导航系统同时上电，在移动测试平台静止状态下同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据一定时间；
步骤S4：移动测试平台启动并以一定速度连续跑动若干分钟以上，跑动中间包括加减速动作和转弯动作，同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据；
步骤S5：以和步骤S4同样的跑动方式将光电吊舱移动到平行光管前并停车；
步骤S6：启动光电吊舱光轴自准直功能，快速完成光轴与平行光管的自准直；
步骤S7：利用惯性/卫星组合导航后处理工具对记录的卫星导航数据和惯性测量单元数据进行处理，解算出导航单元在光轴与平行光管准直时刻的姿态、航向数据；
步骤S8：对自准直时刻的导航单元的姿态、航向数据作相应的坐标轴转换，即得到视准轴误差校正参数；
步骤S9：将该视准轴误差校正参数存入光电吊舱系统，用于光电吊舱系统对目标地理定位、跟踪计算时的修正补偿中，可极大提高光电系统对目标的地理定位、跟踪精度。
其中，所述误差校正方法的试验工作原理如下：
地理坐标系选东北天直角坐标系，即X轴指东，Y轴指北，Z轴指天，载体坐标系即为光学传感器和IMU固联的光具座坐标系，定义符合右手定则，y轴沿光学传感器镜头法线指向外，x轴指向右，z轴沿x-y平面指向上；
其中，航向角范围为0～360°，正北为0°，顺时针旋转增大，俯仰角范围为-90°～90°，抬头为正，横滚角范围为-180°～180°右倾为正；
其中，地理坐标系与载体坐标系的相互关系如图2所示。载体坐标系xyz可以由地理坐标系XYZ经过若干次转动(三次)得到；转动过程如图3所示，即，地理坐标系XYZ先绕Z轴转α角，再绕x1轴转θ角，最后绕y轴转γ角；其中，α、θ和γ分别为航向角、俯仰角和滚动角；
记光电吊舱光轴自准直时刻导航单元的航向角α、俯仰角θ、横滚角γ；
则导航单元坐标系b系到地理坐标系g系的转换矩阵为：
当平行光管镜头法线与地理水平面平行，且方向指向正南时，则地理坐标系g系到光学传感器坐标系p系的转换矩阵为：
则导航单元坐标系b系向光学传感器坐标系p系转换的变换矩阵为：
以上3x3矩阵即为光电吊舱视轴校准矩阵。
其中，采用所述误差校正方法，可以直接得到高精度的光电吊舱视轴校准参数；在实际系统工作中，因为惯性测量单元和光学传感器都固联在光具座上，则实时工作时，根据导航单元实时姿态航向信息，即可得到光电吊舱视准轴在地理坐标系下的姿态转换矩阵，即
其中，所述误差校正方法实施过程中，从步骤S3开始到步骤S6结束，全程不间断地同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据。
其中，所述数据记录系统为具备数据记录功能的计算机。
其中，所述一定时间为8分钟以上。
其中，所述一定速度为每小时20公里左右的速度。
其中，所述若干分钟以上为10分钟以上。
其中，所述移动测试平台包括：一台普通的三轮或四轮电瓶车，一个可手动升降的光电吊舱安装工装。
其中，所述移动测试平台还包括：一组直流24V移动供电系统。
实施例1
本实施例基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法优选实施例用于对某型无人机载光电侦察吊舱进行视准轴误差校正。该无人机载光电侦察吊舱系统包括两轴两框架的光轴稳定转台、惯性导航模块、伺服控制单元、信息处理单元，其中系统的光轴稳定转台的光具座上集成有电视(可见光光学传感器)和惯性测量单元。其中，光轴稳定转台上的可见光光学传感器的光轴与惯性导航模块的基体轴基本一致，但因为加工误差及安装误差等原因，仍有较大的误差，需要进行视准轴误差校正。
光电吊舱完成组装、调试后，在交付前，整机进行视准轴误差校正。
具体实施步骤如下：
第一步：光电吊舱安装在移动测试平台上，手动调节安装工装高度，使得光电吊舱可以在平行光管前方便地完成光轴自准直功能；
第二步：连接好差分卫星导航模块和数据记录计算机；
第三步：在开阔的场地上，保持移动平台静止不动并给惯性导航模块和差分卫星导航系统同时上电，在移动平台静止状态下同步记录卫星导航数据和惯性导航模块数据8分钟以上；
第四步：移动平台启动并以每小时20公里左右的速度连续跑动10分钟以上(中间有加减速和转弯)，同步记录卫星导航数据和惯性导航模块内惯性测量单元数据；
第五步：以和第四步同样的跑动方式将光电吊舱移动到平行光管前并停车；
第六步：打开数据记录计算机中的光电吊舱自准直程序，控制光电吊舱完成光轴自准直(注：从第三步开始到第六步结束，全程不间断地同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据)；
第七步：用惯性/卫星组合导航后处理工具对记录的数据进行处理，解算出惯性导航模块在光轴与平行光管准直时刻的横滚：0.310°、俯仰：-0.463°航向：-1.312°；
第八步：对自准直时刻的导航单元的姿态、航向数据作相应的坐标轴转换，得到视准轴误差校正参数；
第九步：将该参数存入光电吊舱系统，用于光电系统对目标地理定位、跟踪计算时的修正补偿中，
采用本方法对光电吊舱进行视准轴误差校准后，从后期系统试验情况可看出，光电系统对目标的地理定位、跟踪精度得到了很大提高。
综上，本发明属于光电侦察监视系统技术领域，具体涉及一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法。光电吊舱完成组装、调试后，在交付前，整机进行视准轴误差校正，不需要粘贴任何参考反射镜，所有校准工作全部在地面完成且对地面试验环境要求不高。该方法利用集成在光电吊舱光具座上的惯性导航模块，首先采用在地面先对光电吊舱进行跑车试验；然后再在具有北向基准功能的平行光管前完成光电吊舱光轴与平行光管自准直工作；(在以上工作中，全程同步记录惯性导航模块中的惯性测量单元数据和差分卫星导航数据)最后利用惯性/卫星组合导航后处理工具对所同步记录的惯性测量单元数据和差分卫星导航数据进行惯性/卫星组合导航后处理，计算出导航单元在光电吊舱光轴与平行光管自准直时刻高精度的航向、姿态信息，利用此信息即可很容易地计算出视轴校准参数，并将该参数补偿进光电吊舱计算机中完成光电吊舱视轴校准。本方法从原理上区别于飞行检校场的方法和基于像底点的机载POS视准轴误差检校方法，且对试验场地和试验条件要求较低，工作流程简单、易于实现、节约时间、节约成本、可提高光电吊舱视准轴误差校正精度。
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 (10)
1.一种基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述光电吊舱视准轴误差校正方法基于光电吊舱视准轴误差校正系统来实施，所述光电吊舱视准轴误差校正系统包括：
1)在室外开阔的地面建立的一个具有北向基准功能的平行光管；
2)一套差分卫星导航系统，其包括一个地面差分站及电台，一个移动差分卫星导航模块及电台；
3)一套惯性测量单元，其设置具备与移动差分卫星导航模块输出数据同步的数据输出功能；
所述移动差分卫星导航模块与惯性测量单元构成导航单元；
4)一个移动测试平台；
5)惯性/卫星组合导航后处理工具；
6)光电吊舱系统设计有光轴自准直功能；
7)数据记录系统；
基于上述光电吊舱视准轴误差校正系统，所述光电吊舱视准轴误差校正方法包括如下步骤：
步骤S1：将光电吊舱安装在移动测试平台上，手动调节安装工装高度，使得光电吊舱位于所述具有北向基准功能的平行光管前，方便地完成光轴自准直功能；
步骤S2：连接移动差分卫星导航模块和数据记录系统；
步骤S3：在开阔的场地上，保持移动测试平台静止不动并给惯性测量单元和差分卫星导航系统同时上电，在移动测试平台静止状态下同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据一定时间；
步骤S4：移动测试平台启动并以一定速度连续跑动若干分钟以上，跑动中间包括加减速动作和转弯动作，同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据；
步骤S5：以和步骤S4同样的跑动方式将光电吊舱移动到平行光管前并停车；
步骤S6：启动光电吊舱光轴自准直功能，快速完成光轴与平行光管的自准直；
步骤S7：利用惯性/卫星组合导航后处理工具对记录的卫星导航数据和惯性测量单元数据进行处理，解算出导航单元在光轴与平行光管准直时刻的姿态、航向数据；
步骤S8：对自准直时刻的导航单元的姿态、航向数据作相应的坐标轴转换，即得到视准轴误差校正参数；
步骤S9：将该视准轴误差校正参数存入光电吊舱系统，用于光电吊舱系统对目标地理定位、跟踪计算时的修正补偿中，可极大提高光电系统对目标的地理定位、跟踪精度。
2.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述误差校正方法的试验工作原理如下：
地理坐标系选东北天直角坐标系，即X轴指东，Y轴指北，Z轴指天，载体坐标系即为光学传感器和IMU固联的光具座坐标系，定义符合右手定则，y轴沿光学传感器镜头法线指向外，x轴指向右，z轴沿x-y平面指向上；
其中，航向角范围为0～360°，正北为0°，顺时针旋转增大，俯仰角范围为-90°～90°，抬头为正，横滚角范围为-180°～180°右倾为正；
其中，载体坐标系xyz可以由地理坐标系XYZ经过若干次转动得到；
记光电吊舱光轴自准直时刻导航单元的航向角α、俯仰角θ、横滚角γ；
则导航单元坐标系b系到地理坐标系g系的转换矩阵为：
当平行光管镜头法线与地理水平面平行，且方向指向正南时，则地理坐标系g系到光学传感器坐标系p系的转换矩阵为：
则导航单元坐标系b系向光学传感器坐标系p系转换的变换矩阵为：
以上3x3矩阵即为光电吊舱视轴校准矩阵。
3.如权利要求2所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，采用所述误差校正方法，可以直接得到高精度的光电吊舱视轴校准参数；在实际系统工作中，因为惯性测量单元和光学传感器都固联在光具座上，则实时工作时，根据导航单元实时姿态航向信息，即可得到光电吊舱视准轴在地理坐标系下的姿态转换矩阵，即
4.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述误差校正方法实施过程中，从步骤S3开始到步骤S6结束，全程不间断地同步记录卫星导航数据和惯性测量单元数据。
5.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述数据记录系统为具备数据记录功能的计算机。
6.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述一定时间为8分钟以上。
7.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述一定速度为每小时20公里左右的速度。
8.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述若干分钟以上为10分钟以上。
9.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述移动测试平台包括：一台普通的三轮或四轮电瓶车，一个可手动升降的光电吊舱安装工装。
10.如权利要求1所述的基于组合导航后处理的光电吊舱视准轴误差校正方法，其特征在于，所述移动测试平台还包括：一组直流24V移动供电系统。
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