CN116147577B - 基于单轴rins/ldv组合的连续高程测量方法及系统 - Google Patents

基于单轴rins/ldv组合的连续高程测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于RINS/LDV组合的连续高程测量系统及方法，属于大地测量领域；所述系统包括惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统，用于敏感载体的角运动和线运动；惯性测量单元分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；本发明完全不依赖GNSS信号，属于全自主式连续高程测量，在密林、山谷以及极端天气等环境中仍可保持较高的连续高程测量精度，极大地提高了连续高程测量的环境适应能力。

Description

基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于单轴旋转惯导系统(Rotational Inertial NavigationSystem,RINS)/激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV，通常简称为测速仪)组合的连续高程测量系统及方法，属于大地测量领域。
背景技术
高程测量在地质勘探、地形绘制、重力测量等方面具有重要作用。目前常见的几种高程测量方法有全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)高程测量、几何水准测量与三角高程测量等；GNSS高程测量方法可以实现连续高程测量，其精度与GNSS定位精度相当，但在丛林、山谷遮挡、高楼密集等GNSS接收机信号受影响的地区的精度较差；几何水准测量的精度比较高，单点高程测量精度可以达到厘米量级，但受距离和地形起伏的限制，外业工作量大，施测速度慢，无法实现连续高程测量；三角高程测量不受地形的限制，单点高程测量精度也可以达到厘米量级，但是每次测量都需要量取仪器高、棱镜高，操作繁琐且同样无法实现连续高程测量。
惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS，通常简称为惯导系统)是利用惯性敏感元件测量载体相对惯性空间的角运动和线运动，以获得载体的姿态、速度和位置等信息的自主导航系统。惯导系统在纯惯性状态下天向通道处于发散状态，无法单独实现高程测量，通常只能依靠卫星导航、里程计、气压计等提供高程信息。在野外进行作业时，GNSS信号容易受到测量环境遮挡、里程计容易发生轮胎磨损和打滑以及气压计容易受到环境气流影响等限制导致诸多传感器不能为惯导系统持续提供高程信息，因此有必要研究一种新的不受环境影响的连续高程测量方法，满足实际的工程应用需求。
发明内容
针对当前连续高程测量方法的缺陷，本发明的目的是提出一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量系统及数据处理方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的连续高程测量系统，该方法分为以下步骤：
S1：将惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统(RINS)，RINS可以敏感载体(例如实验车)的角运动和线运动；
将单轴旋转惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；
将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
惯性测量单元安装到转位机构上时，惯性测量单元坐标系s系与载体坐标系b系无法完全重合，在垂直方向上存在一个与转位机构的转动方式有关的规律性大转角，在水平方向上存在由安装误差引起固定的小角度水平倾角，其可以分解为两个欧拉角α、β，这也是限制单轴旋转惯导系统导航精度的主要因素，其中垂直方向上的大转角是已知的，因此在进行高程测量前只需要对水平倾角进行补偿。
S2：将搭建好的系统安装于载体后，首先进行静态下惯性测量单元的水平倾角标定，具体标定步骤如下：
S2.1：水平倾角标定时不需要使用激光多普勒测速仪，因此仅打开导航计算机、UPS电源以及单轴旋转惯导系统进行数据采集，同时载体处于静止状态；
S2.2：通过导航计算机控制转位机构转动180°；
S2.3：利用导航计算机对惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到惯性测量单元在初始位置和180°位置时惯性测量单元坐标系s系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵和/>
由于η2＝η1+180°，所以：
上式中，l1、l2分别为水平倾角标定期间惯性测量单元在初始位置和180°位置的时刻，η1和η2分别为惯性测量单元坐标系s系和载体坐标系b系在初始位置和180°位置时垂直方向的大转角，分别为载体静止期间惯性测量单元在初始位置和180°位置时载体坐标系b系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵，由于水平倾角标定期间载体一直静止，所以/>与/>相同，/>分别为惯性测量单元在初始位置和180°位置时b系相对于s系的姿态矩阵；
S2.4：将(1)式和(2)式相加，并令表示3×3矩阵/>的矩阵元素,得到：
由于导航计算机进行惯导系统的姿态解算后可以得到3×3姿态矩阵和/>则两姿态矩阵相加后的矩阵元素Cij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)是已知的。
S2.5：由(3)式得到水平倾角α和β：
根据水平倾角α、β以及任意时刻s系和b系在垂直方向上的大转角η，得到任意时刻载体坐标系和惯性测量单元坐标系之间的姿态矩阵
S3：由于激光多普勒测速仪与载体之间也存在安装误差，也需要对其进行标定，影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：
S3.1：打开激光多普勒测速仪，并重启单轴旋转惯导系统重新进行采样；
S3.2：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点处地标点A的坐标为(XA，YA，ZA)；
S3.3：经过1～2min直线运动后载体行驶到地标点B，其坐标为(XB，YB，ZB)，A到B位移大小为L1；
激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为C，其坐标为(XC，YC，ZC)，A到C位移大小为L2，具体航迹推算方法参见参考文献《One-dimensional reference-beam LDV foraccurate altitude estimation in a land vehicle》(Rong Huang,Qi Wang,XiaomingNie,et al,《Applied Optics》,2020.11)；
则标定的结果为：
S3.4：通过标定后的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ计算得到测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵
通过计算的测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵以及比例因子K，得到某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在b系下的投影：
式中，l3为打开测速仪和重启惯导系统后数据采样的时刻，为某一导航时刻激光多普勒测速仪测量的速度在测速仪坐标系m系下投影，由激光多普勒测速仪提供。
S4：完成测速仪的安装误差标定后直接进入高程测量；
进入高程测量后，导航计算机对测量过程中惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到实时的3×3姿态矩阵根据S2标定完成的姿态矩阵/>计算得到载体坐标系与导航坐标系之间的实时姿态矩阵/>
通过实时姿态矩阵进一步得到某一导航时刻测速仪速度在导航坐标系n系下的投影/>
惯导系统由于天向无阻尼会导致系统误差迅速发散，实时姿态矩阵的误差也会迅速增大，因此测速仪速度/>的误差也会增大；
为了得到稳定的高精度实时姿态矩阵必须借助激光多普勒测速仪对惯导系统的天向进行阻尼，通常选择卡尔曼滤波器进行不同传感器之间的信息融合并对系统误差进行估计与反馈，从而抑制惯导系统误差的发散，卡尔曼滤波器的构建步骤参见参考文献《基于二维激光多普勒测速仪的车载组合导航系统》(陈红江，聂晓明，王梦成，《红外与激光工程》，2018.12)；
S5:根据步骤S4可以稳定输出高精度的实时姿态矩阵利用S2标定完成的姿态矩阵/>通过(9)式计算得到稳定的高精度实时姿态矩阵/>
将(10)式展开，某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在导航坐标系n系下各个方向上的投影为：
上式中，为某一导航时刻激光多普勒测速仪在导航坐标系n系的东、北、天三个方向上的速度投影，/>为某一导航时刻激光多普勒测速仪在载体坐标系b系的x、y、z轴三个方向上的速度投影；
将激光多普勒测速仪速度进行如下计算，得到任意导航时刻载体的位置信息：
上式中，T为激光多普勒测速仪的速度更新周期，分别为某一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，/>分别为上一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，其中起始点位置L0、λ0、h0由地标点给出，RE、RN分别为载体所在位置的卯酉圈半径和子午圈半径；
最后，经过(12)式中第三式，可以连续测得载体行驶过程中的高程信息。
本发明还提供一种基于上述方法的连续高程测量系统，包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统(RINS)，用于敏感载体(例如实验车)的角运动和线运动；惯性测量单元分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；为了提高高程测量精度，以惯性测量单元的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防惯性测量单元与激光多普勒测速仪内部晶振不一致导致的数据丢失现象。
为了延长连续高程测量系统在工程应用中的寿命，系统中的转位机构采用转停而非连续旋转的旋转方案；所述转停方案为0°、180°、270°、90°四位置转停。
为了降低设计复杂度，系统采用基于固态探测体的激光多普勒测速仪，不需要人为掺杂示踪粒子，而是利用探测体表面的自然颗粒。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明以单轴旋转惯导为核心，利用单轴旋转惯导可以自动补偿如激光陀螺常值漂移、加速度计零偏以及安装误差等系统误差，为测速仪的高精度速度转换提供了良好基础
2.本发明的高程测量方法完全不依赖GNSS信号，属于全自主式连续高程测量，在密林、山谷以及极端天气等环境中仍可保持较高的连续高程测量精度，极大地提高了连续高程测量的环境适应能力；
3.为了防止晶振不一致导致单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪的数据采集频率不完全一致，以惯性测量单元的脉冲输出去触发激光多普勒测速仪的输出，进一步提高了连续高程测量的精度。
附图说明
为了更加清晰地描述本发明的技术方案，下面结合附图对其作进一步阐述。
图1本发明系统的组成原理示意图
图2本发明系统的安装示意图
图中数字说明：1-激光多普勒测速仪；2-转位机构；3-惯性测量单元；4-全球定位系统；5-导航计算机；6-UPS电源；
图3车载连续高程测量实验路径示意图
图4车载连续高程测量实验中的高程变化示意图
图5转位机构的转动规律示意图
图6车载连续高程测量实验中的高程测量误差变化示意图
具体实施方法
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，现结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的可行性可以通过车载实验进行验证：
实验采用的单轴旋转惯导系统(由惯性测量单元和转位机构组成)陀螺零偏稳定性为0.002°/h，加速度计零偏稳定性为50μg，定位精度优于0.5nm/1h；激光多普勒测速仪测速精度优于0.05％，输出频率为100Hz，UPS电源额定功率为5400W，输出电压为110～220V，导航计算机为常规的笔记本电脑，系统的组成原理如图1所示；为了方便比较，采用差分全球点位系统(Global Positioning System,GPS)提供位置参考基准(输出频率1Hz，单点状态下高程定位精度3m，差分状态下高程定位精度4cm)。
惯导系统安装在试验车车体内，激光测速仪安装于车底，GPS接收机和天线位于车顶，图2所示系统的安装示意图。
实验地点选择湖南省长沙市黄兴大道，其实验路径示意图如图3所示，实验过程中的真实高程变化情况如图4所示。
在进入测量之前，首先对转位机构的转动方式进行设置，实验中转位机构采取0°、180°、270°、90°四位置的转停方式，其转动规律如图5所示。
根据本发明的连续高程测量方法中的步骤S2完成惯性测量单元坐标系与载体坐标系之间的水平倾角的标定，其标定结果为α＝45′、β＝32′。
然后采用本发明的连续高程测量方法中的步骤S3完成测速仪安装误差的标定，其中，俯仰安装角误差θ＝-1.1195°、航向安装角误差ψ＝0.3646°、比例因子K＝1.0343。
最后，根据本发明的连续高程测量方法中的步骤S4和S5完成连续高程测量，其测量过程中误差变化曲线如图6所示，其中最大的高程测量误差为1.68m，高程测量误差标准差为0.588m。
根据车载连续高程测量的实验结果可知，其测量结果可以满足基本的高程测量需求。
综上所述，本发明在于提出一种基于单轴RINS/LDV的连续高程测量系统及方法，并针对其中的关键技术进行了权利要求。该发明属于全自主式车载连续高程测量，具有精度高、环境适应能力强等特点。
以上为本发明的连续高程测量系统及方法，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡是属于本发明思路下的技术方案均应数据本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的连续高程测量系统，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1：将惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统，单轴旋转惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；
将单轴旋转惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；
将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
惯性测量单元安装到转位机构上时，惯性测量单元坐标系s系与载体坐标系b系无法完全重合，在垂直方向上存在一个与转位机构的转动方式有关的规律性大转角，在水平方向上存在由安装误差引起固定的小角度水平倾角，其分解为两个欧拉角α、β，这也是限制单轴旋转惯导系统导航精度的主要因素，其中垂直方向上的大转角是已知的，因此在进行高程测量前只需要对水平倾角进行补偿；
S2：将搭建好的系统安装于载体后，首先进行静态下惯性测量单元的水平倾角标定，具体标定步骤如下：
S2.1：水平倾角标定时不需要使用激光多普勒测速仪，因此仅打开导航计算机、UPS电源以及单轴旋转惯导系统进行数据采集，同时载体处于静止状态；
S2.2：通过导航计算机控制转位机构转动180°；
S2.3：利用导航计算机对惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到惯性测量单元在初始位置和180°位置时惯性测量单元坐标系s系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵和
由于η2＝η1+180°，所以：
上式中，l1、l2分别为水平倾角标定期间惯性测量单元在初始位置和180°位置的时刻，η1和η2分别为惯性测量单元坐标系s系和载体坐标系b系在初始位置和180°位置时垂直方向的大转角，分别为载体静止期间惯性测量单元在初始位置和180°位置时载体坐标系b系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵，由于水平倾角标定期间载体一直静止，所以与/>相同，/>分别为惯性测量单元在初始位置和180°位置时b系相对于s系的姿态矩阵；
S2.4：将(1)式和(2)式相加，并令表示3×3矩阵/>的矩阵元素，i＝1,2,3；j＝1,2,3，得到：
由于导航计算机进行惯导系统的姿态解算后可以得到3×3姿态矩阵和/>则两姿态矩阵相加后的矩阵元素Cij是已知的；
S2.5：由(3)式得到水平倾角α和β：
根据水平倾角α、β以及任意时刻s系和b系在垂直方向上的大转角η，得到任意时刻载体坐标系和惯性测量单元坐标系之间的姿态矩阵
S3：由于激光多普勒测速仪与载体之间也存在安装误差，也需要对其进行标定，影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：
S3.1：打开激光多普勒测速仪，并重启单轴旋转惯导系统重新进行采样；
S3.2：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点处地标点A的坐标为(XA，YA，ZA)；
S3.3：经过1～2min直线运动后载体行驶到地标点B，其坐标为(XB，YB，ZB)，A到B位移大小为L1；
激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为C，其坐标为(XC，YC，ZC)，A到C位移大小为L2；
则标定的结果为：
S3.4：通过标定后的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ计算得到测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵
通过计算的测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵以及比例因子K，得到某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在b系下的投影：
式中，l3为打开测速仪和重启惯导系统后数据采样的时刻，为某一导航时刻激光多普勒测速仪测量的速度在测速仪坐标系m系下投影，由激光多普勒测速仪提供；
S4：完成测速仪的安装误差标定后直接进入高程测量；
进入高程测量后，导航计算机对测量过程中惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到实时的3×3姿态矩阵根据S2标定完成的姿态矩阵/>计算得到载体坐标系与导航坐标系之间的实时姿态矩阵/>
通过实时姿态矩阵进一步得到某一导航时刻测速仪速度在导航坐标系n系下的投影/>
S5:根据步骤S4可以稳定输出高精度的实时姿态矩阵利用S2标定完成的姿态矩阵/>通过(9)式计算得到稳定的高精度实时姿态矩阵/>
将(10)式展开，某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在导航坐标系n系下各个方向上的投影为：
上式中，为某一导航时刻激光多普勒测速仪在导航坐标系n系的东、北、天三个方向上的速度投影，/>为某一导航时刻激光多普勒测速仪在载体坐标系b系的x、y、z轴三个方向上的速度投影；
将激光多普勒测速仪速度进行如下计算，得到任意导航时刻载体的位置信息：
上式中，T为激光多普勒测速仪的速度更新周期，/>分别为某一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，/>分别为上一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，其中起始点位置L0、λ0、h0由地标点给出，RE、RN分别为载体所在位置的卯酉圈半径和子午圈半径；
最后，经过(12)式中第三式，可以连续测得载体行驶过程中的高程信息。
2.一种根据权利要求1所述基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的连续高程测量系统，其特征在于：为了得到稳定的高精度实时姿态矩阵必须借助激光多普勒测速仪对惯导系统的天向进行阻尼，选择卡尔曼滤波器进行不同传感器之间的信息融合并对系统误差进行估计与反馈，从而抑制惯导系统误差的发散。
3.一种基于权利要求1或2所述方法的连续高程测量系统，其特征在于：包括惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统，用于敏感载体的角运动和线运动；惯性测量单元分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；为了提高高程测量精度，以惯性测量单元的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防惯性测量单元与激光多普勒测速仪内部晶振不一致导致的数据丢失现象。
4.一种根据权利要求3所述的连续高程测量系统，其特征在于：为了延长连续高程测量系统在工程应用中的寿命，系统中的转位机构采用转停而非连续旋转的旋转方案。
5.一种根据权利要求3所述的连续高程测量系统，其特征在于：所述旋转方案为0°、180°、270°、90°四位置转停方案。
6.一种根据权利要求3所述的连续高程测量系统，其特征在于：为了降低设计复杂度，系统采用基于固态探测体的激光多普勒测速仪，不需要人为掺杂示踪粒子，而是利用探测体表面的的自然颗粒。
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