CN116337000A - 基于sins/ldv组合的连续高程测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统，属于大地测量领域。所述系统包括捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统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电源分别与捷联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，以捷联惯导系统的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防捷联惯导系统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。

Description

基于SINS/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捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)/激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV,通常简称测速仪)组合的连续高程测量方法及系统，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。在野外进行作业时，通常需要进行连续高程测量，而目前的高程测量方法如几何水准测量、三角高程测量等方式无法实现连续高程测量，全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)虽然可以实现连续高程测量，但是在丛林、山谷以及高楼密集的环境中GNSS信号较差导致测量精度急剧下降。
为了实现全自主式连续高程测量，可以采用惯导系统与激光多普勒测速仪组合进行测量，惯导系统可以选用旋转惯导系统或捷联惯导系统，两套系统与激光多普勒测速仪组合的高程测量都可以避免环境的影响。其中旋转惯导系统/激光多普勒测速仪组合连续高程测量对惯导系统的陀螺和加速度计精度要求较低，同时存在以下问题：
第一：旋转惯导系统中包含转位机构，增加了惯导系统设计和安装的复杂度，同时也增加了测量系统的不稳定性；
第二：转位机构在安装时存在水平倾角，其补偿过程增加了测量方法的复杂度。
因此，可以采用包含更高精度陀螺和加速度计的捷联惯导系统/激光多普勒测速仪组合的方式进行连续高程测量，一方面降低了系统设计和测量方法的复杂度，另一方面又提高了测量方法的精度。
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SINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
一种基于SINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由捷联惯导系统、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：将捷联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电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
S2：在将搭建好的系统安装于载体(例如实验车)时，由于安装误差的存在，测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间不能完全重合，需要对其进行标定；其中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：
S2.1：打开激光多普勒测速仪和捷联惯导系统进行数据采样；
S2.2：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)；
S2.3：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)，点A到点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点C，其坐标为(XC，YC，ZC)，点A到点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 LDVfor accurate altitude estimation in a land vehicle》(Rong Huang,Qi Wang,Xiaoming Nie,et al,《Applied Optics》,2020.11)；
则标定的结果为：
Figure BDA0004108806930000021
S2.4：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
Figure BDA0004108806930000022
Figure BDA0004108806930000023
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
Figure BDA0004108806930000024
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：
Figure BDA0004108806930000025
式中，l为导航信息的更新迭代时刻，
Figure BDA0004108806930000026
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。
S3：完成系统的安装和激光多普勒测速仪安装误差标定后，接着进入高程测量；
进入高程测量后，导航计算机对测量过程中捷联惯导系统的输出进行姿态解算，得到载体坐标系b系与导航坐标系n系之间实时的3×3姿态矩阵
Figure BDA0004108806930000027
通过实时姿态矩阵
Figure BDA0004108806930000028
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/>
Figure BDA0004108806930000029
Figure BDA0004108806930000031
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
Figure BDA0004108806930000032
的误差也会迅速增大，因此测速仪速度/>
Figure BDA0004108806930000033
的误差也会增大；
为了得到稳定的高精度实时姿态矩阵
Figure BDA0004108806930000034
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)；
至此可以稳定输出高精度的实时姿态矩阵
Figure BDA0004108806930000035
S4:将(4)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：
Figure BDA0004108806930000036
上式中，vE_LDV(l)、vN_LDV(l)、vU_LDV(l)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，
Figure BDA0004108806930000037
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
Figure BDA0004108806930000038
进行如下计算，得到任意导航时刻载体的位置信息：
Figure BDA0004108806930000039
上式中，T为激光多普勒测速仪的速度更新周期，L(l)、λ(l)、h(l)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，L(l-1)、λ(l-1)、h(l-1)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(6)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，包括捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统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电源分别与捷联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，以捷联惯导系统的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防捷联惯导系统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。
为了降低系统设计复杂度，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.本发明对高程测量方法及系统进行了简化，提高了高程测量效率；
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捷联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，以捷联惯导系统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-捷联惯导系统；3-全球定位系统；4-导航计算机；5-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
具体实施方式
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：
实验采用的捷联惯导系统的陀螺零偏稳定性优于0.0015°/h，加速度计零偏稳定性优于20μg，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(GlobalPositioning 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)。
捷联惯导系统安装在试验车车体内，激光多普勒测速仪安装于车底，GPS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万家丽高架，实验路径示意图如图3所示，万家丽高架单程约15km，实验共一个来回，总里程30km，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，采用本发明的连续高程测量方法中的步骤S2完成测速仪安装误差的标定，其中，俯仰安装角误差θ＝-6.2824°、航向安装角误差ψ＝0.2613°、比例因子K＝1.1783。
最后，根据本发明的连续高程测量方法中的步骤S3和S4完成连续高程测量，其测量过程中误差变化曲线如图5所示，其中最大的高程测量误差为0.54m，最小的高程测量误差为-0.58m。
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SINS/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、结构简单、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 (4)

1.一种基于SINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由捷联惯导系统、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：将捷联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电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
S2：在将搭建好的系统安装于载体时，由于安装误差的存在，测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间不能完全重合，需要对其进行标定；其中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：
S2.1：打开激光多普勒测速仪和捷联惯导系统进行数据采样；
S2.2：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)；
S2.3：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)，点A到点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点C，其坐标为(XC，YC，ZC)，点A到点C位移大小为L2；
则标定的结果为：
Figure QLYQS_1
S2.4：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
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
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
Figure QLYQS_4
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：
Figure QLYQS_5
式中，l为导航信息的更新迭代时刻，
Figure QLYQS_6
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；
S3：完成系统的安装和激光多普勒测速仪安装误差标定后，接着进入高程测量；
进入高程测量后，导航计算机对测量过程中捷联惯导系统的输出进行姿态解算，得到载体坐标系b系与导航坐标系n系之间实时的3×3姿态矩阵
Figure QLYQS_7
通过实时姿态矩阵
Figure QLYQS_8
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/>
Figure QLYQS_9
Figure QLYQS_10
至此可以稳定输出高精度的实时姿态矩阵
Figure QLYQS_11
S4:将(4)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：
Figure QLYQS_12
上式中，vE_LDV(l)、vN_LDV(l)、vU_LDV(l)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，
Figure QLYQS_13
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
Figure QLYQS_14
进行如下计算，得到任意导航时刻载体的位置信息：
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
h(l)＝h(l-1)+TvU_LDV(l)
上式中，T为激光多普勒测速仪的速度更新周期，L(l)、λ(l)、h(l)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，L(l-1)、λ(l-1)、h(l-1)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(6)式中第三式，可以连续测得载体行驶过程中的高程信息。
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
Figure QLYQS_17
的误差也会迅速增大，因此测速仪速度/>
Figure QLYQS_18
的误差也会增大。
2.一种根据权利要求1所述基于SINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由捷联惯导系统、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
Figure QLYQS_19
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：包括捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统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电源分别与捷联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，以捷联惯导系统的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防捷联惯导系统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。
4.一种基于权利要求3所述的连续高程测量系统，其特征在于：为了降低系统设计复杂度，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。
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