CN102589522A - 光学自准直式动态精密水平测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光学自准直式动态精密水平测量方法，用于解决物体在全静态、准静态-准动态、全动态情况下水平信息精密测量的问题。利用液体自水平原理作为大地水平的参考基准，采用自准直式平行光管作为水平误差检测工具、惯性同步复示平台作为动态测量过渡基准、光学编码测角元件实现复示平台位置测量，测量***总体结构由探测装置、信息处理与控制电路、主监控台三个功能模块经线缆连接组成。可为运动载体(如车辆、船舶、飞机等)实时提供高精度的水平姿态信息，并可用于载体水平结构变形测量、惯导水平精度鉴定等。

Description

光学自准直式动态精密水平测量方法

所属技术领域

该发明涉及一种光学自准直式动态精密水平测量方法，所属技术领域包括光学自准直式测量、惯性导航技术、运动载体姿态测量、水平检测技术、物体结构变形测量等，尤其是同时适用于全静态、准静态-准动态、全动态情况下的实时测量。 

背景技术

水平误差检测工具作为一种通用检测计量工具，在众多领域都是具有非常广泛的应用，因其具体使用要求、使用环境不同，其性能指标、设计原理千差万别。合像水平仪、电子水平仪等测量精度很高(测量误差：≤1″)，但主要应用在静态环境下的精密水平测量。基于惯性元件的导航设备可以对运动物体的水平姿态进行实时测量，但通常测量精度较低(测量误差：≥10″)。 

运动物体(如车辆、船舶、飞机等)在运动状态下，主要包括三个方面的状态变化：位置平移(前后、左右、上下)、姿态旋转(航向、纵摇、横摇)、结构变形(艏挠、纵挠、横扭)，其中纵摇、横摇、纵挠、横扭四个分量与物体水平姿态信息有关。 

运动物体水平信息的动态实时精密测量是工程应用上的一个难点问题。 

发明内容

现实问题： 

为了解决现有测量方法难以满足运动物体水平信息实时精密测量需求的问题，该发明提供一种光学自准直式动态精密水平测量方法，该方法具有测量范围大、测量精度高、实时性能强的特点，且同时适用于全静态、准静态-准动态、全动态等测量环境。 

技术方案： 

一测量原理与实现方法 

实现动态精密水平测量关键需要解决三个主要问题：测量范围要足够的大，以适应运动载体水平姿态变化范围；测量精度要足够的高，以满足水平姿态精密测量需要；测量数据要实时输出，以适应动态实时测量要求。 

该方法的技术指标设计目标为： 

测量范围：载体纵摇    Ψ≥±22.5° 

          载体横摇    θ≥±22.5° 

水平误差：载体纵摇    σΨ≤3″(均方根值) 

          载体横摇    σθ≤3″(均方根值) 

采样频率：f≥20Hz(对外实时输出频率) 

1水平测量基本原理 

(1)测量方法基本原理 

光学自准直式动态精密水平测量方法，主要利用液体重力自动水平原理，以水银表面(或液浮反射镜面组合)作为水平测量的参考基准，以光学精密测量工具(如：自准直式平行光管)作为测量手段，通过视频跟踪处理***实时检测被检基面的姿态变化。 

自准直式平行光管与液浮反射镜面组合共同构成水平误差检测工具。 

自准直式水平测量基本原理如图1所示。 

由于自准直式精密平行光管的测量范围通常较小，只能用于测量摇摆角度较小的运动载体水平姿态，也就是说，它只适合全静态(或准静态-准动态)条件下运动载体水平姿态精密测量。要实现全动态(或准动态-准静态)下的运动载体水平姿态测量，需在水平误差检测工具与运动载体被检平面之间安装相对大地水平基本保持稳定的惯性同步复示平台，为水平误差检测工具提供准静态的工作环境并作为水平测量的过渡基准。 

(2)测量***原理验证 

原理验证现场试验在某测量船停靠码头期间进行。因为船舶在码头停泊时摇摆倾斜范围较小，不会超出自准直式平行光管的视场范围，使得在没有惯性同步复示平台的情况下，也能够验证光学水平测量***测量原理的正确性、可行性、有效性。码头试验利用船载惯导设备的姿态数据作为比对基准，试验设备与惯导设备对船体在横摇和纵摇两个方向上的摇摆角度进行了实时同步测量。 

试验研究器材组成主要包括：莱卡经纬仪(测角精度0.2″)、自准直式测微平行光管(焦距：300mm、口径：50mm、视场：±22′；CCD型号：SONY、像元数量：1280×960、像元尺寸：3.75μm、像元角度：1.25″)、光管二维调整支架、水银液浮反射镜面(口径：80mm)、时统同步模块、主控微机及图像采集处理软件等部分。试验平台与惯导平台通过船体甲板固联。 

(3)测量方法试验结果 

由于试验平台(CCD)与惯导设备(INS)在码头船摇条件下无法进行测量坐标零点的对准取齐，所以数据处理时主要进行两套设备相对变化量值的比较(差分数据：后帧数据-前帧数据；差分差值：试验平台差分数据一惯导设备差分数据)。 

基本原理验证码头动态试验数据结果如图2、图3、图4、图5所示。 

由试验结果可以看出： 

光学水平测量***与船载惯性导航设备的差分差值有：σ≤2.0″(均方根值)； 

码头试验结果表明：利用液体重力自动水平原理，以当地大地水平(水银表面或液浮镜面)作为绝对水平参考基准，采用自准直式水平误差检测工具实现运动载体水平信息精密测量是正确、有效、可行的。 

光学水平测量***具有实现精度设计指标要求的能力：σ≤3.0″(均方根值)。 

2水平测量实现方法 

(1)测量***实现方法 

在对工程应用的深刻理解和综合分析的基础上，利用液体重力自水平原理，以当地大地水平(水银表面或液浮镜面)作为水平姿态测量的绝对参考基准，给出了采用：“光学编码精密测角+惯性同步复示平台+水平误差检测工具”的实现方法。 

该方法以运动载体惯性导航姿态信息作为基础支撑信息，以当地大地地理水平作为绝对水平参考基准，利用相对惯导地平坐标相对稳定的复示平台作为过渡基准，通过光学编码测角***(适合较大角度动态精密测量)、水平误差检测工具(适合较小角度静态精密测量)进行两级精密测量，数据实时耦合的方式，实现运动载体被检基面相对大地水平的实时跟踪和精密测量，可以充分发挥不同类型测角元件的最大优点。 

码头船舶原理验证试验表明：试验数据与惯导数据的差分差值σ≤2″(均方根值)。 

(2)测量设备组成原理 

***组成主要包括：探测装置(信息检测与采集输出)、控制电路(信息处理与测量控制)、 主监控台(显示控制与信息交换)等三个部分。 

对外接口主要包括：输入接口(接收惯导姿态信息)、时码终端(接收中心时间同步信息)、输出接口(输出水平姿态信息)等三个部分。 

测量设备结构总体组成原理如图6所示。 

测量设备电气总体控制流程如图7所示。 

探测装置通过安装基面与被检基面固连，主要用于实时检测运动载体被检基面相对大地水平参考平面的变化情况，是***实现核心功能的关键部件。它的组成主要包括：安装基座(通过安装基座与被检基面连接)、惯性同步复示平台(采用两环、两轴结构)、驱动电机(平台横摇驱动电机、平台纵摇驱动电机)、光学码盘(横摇测角光学码盘、纵摇测角光学码盘)、水平误差检测工具(自准直式平行光管、面阵CCD、液浮反射镜面组合)等。 

控制电路主要用于实时测量信息接收、处理、发送，实时大地水平引导、捕获、跟踪，是***内部信息交换、数据处理、状态控制的中心环节。它的组成主要包括：伺服跟踪控制***(横摇伺服跟踪控制、纵摇伺服跟踪控制)、平台位置角度测量(横摇编码测角电路、纵摇编码测角电路)、电视图像跟踪处理(横向水平误差测量、纵向水平误差测量)、数字通讯控制***等。 

主监控台主要用于实时内外信息交换、处理、显示，并对***进行实时状态控制，是***状态控制和内外信息处理的核心设备，主监控台置于主控机房实现测量***远程监控。主监控台对内主要完成实时测量信息的输入和实时引导信息的输出，对外主要完成中心时统同步信息、惯性导航船姿数据的输入和对综合信息网络平台的水平姿态信息输出。它的组成主要包括：主控微机(硬件、软件)、接口电路、时码终端、供电电源等。 

(3)测量***工作模式 

运动物体水平姿态测量方式是：***通过时码终端接收中心时统的同步控制，主控微机接收惯性导航***的运动物体姿态信息，主控微机发送引导信息给伺服跟踪控制***，伺服跟踪控制***控制驱动电机运转，使复示平台在横摇方向和纵摇方向精密跟踪惯性平台，复示平台参考基面相对运动物体被检基面的角度数据由光学编码测角***完成(≥±22.5°)，复示平台参考基面相对大地水平的角度误差由水平误差检测工具完成(≥±12.5′)，探测装置输出的角度数据和角度误差经控制电路由主监控台接收，主控微机对纵摇方向和横摇方向测量数据进行实时合成处理，最终得到测量结果数据(运动物体被检基面相对大地水平参考平面的夹角)，在探测装置与惯性平台刚性连接的情况下，该结果数据就是运动物体的横摇角度和纵摇角度，可由综合信息网络平台(或其它数据接口格式)提供各个相关用户使用。 

运动物体结构变形测量方式是：由水平测量***测量原理可以看出，光学水平测量***可以采用分布式测量，N套探测装置和N套电控***共用1套总控制台。亦即“N+N+1”模式。当有一套测量***(N＝1)时，测量***只能给出被检测点的实时水平姿态信息(纵摇角度、横摇角度)，当有N套测量***(N≥2)时，测量***不仅能给出被检测点的实时水平姿态信息(纵摇角度、横摇角度)，而且还能给出任意两个被检测点之间的载体结构变形信息(纵挠变形、横扭变形)。 

二  关键模块的选型设计 

关键模块主要包括：惯性同步复示平台、水平误差检测工具等。 

1惯性同步复示平台 

惯性同步复示平台在惯导***输出的姿态信息的支持下，同步跟踪当地地理坐标***，使复示平台能够相对惯性平台保持稳定，以便给水平误差检测工具提供一个很良好的准静态的工作环境。 

惯性同步复示平台整体采用二环(纵摇稳定环、横摇稳定环)二轴(纵摇旋转轴、横摇旋转轴)结构。在每个轴的轴端分别装有驱动电机(横摇电机、纵摇电机)和光学码盘测角元件(横摇测角、纵摇测角)，完成平台位置驱动和位置测量。 

(1)复示平台主要指标 

为了给水平误差检测工具提供一个很良好的准静态的工作环境，惯性同步复示平台应该稳定跟踪当地地理坐标***，准确(***误差小)、平稳(随机误差小)的复示惯导设备的惯性平台。 

惯性同步复示平台的主要参数与技术指标如下： 

负载质量：≥12.50Km 

几何尺寸：外环  ≤500mm 

          内环  ≤250mm 

测量范围：横向  -28.50°  --+28.50°  (甲板) 

          纵向  -28.50°  --+28.50°  (甲板) 

测角元件：21位绝对式光电轴角编码器(测角误差≤1.0″) 

跟踪方式：具有单杆跟踪、电视跟踪、数引跟踪三种，各种跟踪方式之间可以实现无抖 动切换。 

跟踪精度：在工作角速度和工作角加速度工作条件下，在***作数引跟踪和电视跟踪时，其纵向和横向最大跟踪误差≤±1′，随机跟踪误差均方根值≤12″。 

(2)复示平台结构设计 

惯性同步复示平台整体采用二环(外环-纵向轴线-横摇控制、内环-横向轴线-纵摇控制)二轴(外环-纵向轴线-横摇控制、内环-横向轴线-纵摇控制)结构。在每个轴的两端分别装有驱动电机(外环-纵向轴线-横向摇摆驱动电机、内环-横向轴线-纵向摇摆驱动电机)和光学码盘测角元件(外环-纵向轴线-横向摇摆测角元件、内环-横向轴线-纵向摇摆测角元件)，完成平台位置驱动和位置测量。 

水平误差检测工具将安装在内环平台上面。 

惯性同步复示平台总体结构组成原理如图8所示。 

影响复示平台跟踪大地水平精度的因素主要包括：惯导设备的姿态误差、伺服***的跟踪误差、运动载体的结构变形等。伺服***的跟踪误差虽然不会直接影响测量***的测量精度，但它可能间接的对***造成影响。 

复示平台应该具有完善的操作维护功能和可靠的安全保护措施。为了便于设备安装对准和零值误差标定，需在两轴轴端(安装测角元件一端：艉向、右舷)设置侧反射镜，并在轴端(安装测角元件一端：艉向、右舷)上部表面设置水平基准检测平台。为了满足航渡模式关机状态的需要，应该对两环(内环、外环)分别设置锁紧机构。为了保证复示平台稳定、可靠的工作，复示平台还应采取减振措施，并设置限位保护功能。 

(3)复示平台控制原理 

惯性同步复示平台伺服跟踪控制***由纵摇伺服回路和横摇伺服回路构成，它们分别通过纵摇电机和横摇电机驱动复示平台围绕纵摇转轴和横摇转轴旋转，使复示平台准确稳定的跟踪惯导设备的惯性平台。 

平台纵摇伺服回路和平台横摇伺服回路两套位置随动***完全独立工作，其结构组成完全相同，伺服***都由伺服控制器和功率级两部分组成。伺服控制器用于实现整个伺服***的控制算法及控制功能。 

2水平误差检测工具 

水平误差检测工具由自准直式平行光管和液浮反射镜面组合构成，是保证***总体测量精度是否满足要求的关键部件。它不仅具有测量精度高、测量范围小的特点，而且通常对工 作环境条件要求非常苛刻，比较适合在静态环境下工作。

水平误差检测工具由自准直式平行光管(含照明光源、星点目标等)、光电探测接收器件(可见光面阵CCD)、液浮反射镜面组合(含浮液容器、液浮镜面等)、镜面限位保护装置(防镜面受干扰运动)等部件组成。 

(1)检测工具主要指标 

水平误差检测工具的主要参数与技术指标如下： 

测量范围：纵向  ≥±12.5′ 

          横向  ≥±12.5′ 

测角误差：纵向  ≤2.0″(均方根值) 

          横向  ≤2.0″(均方根值) 

自准直式平行光管 

光学***：通光口径：(50±25)mm 

          光管焦距：(300～500)mm 

探测器件：面阵光电探测器件(可见光面阵CCD) 

液浮反射镜面组合 

反射镜面：镜面直径80mm 

          镜体结构  主体结构的外部表面为光滑半球(直径：80mm) 

浮液物质：水银(密度13.6g/cm3) 

浮液容器：容器结构内部表面光滑球面(直径：≤(180～200)mm) 

保护装置：具有限位保护机构(防止镜面水平位移、防止镜面水平旋转) 

(2)检测工具结构设计 

水平误差检测工具采用自准直式平行光管，将光管光轴竖直向下的刚性安装在惯性同步复示平台上，在自准直式平行光管与惯性同步复示平台之间设置液浮反射镜面组合，作为水平探测的参考基准。 

利用自准直式平行光管像面处安装的可见光面阵CCD来采集图像，实时检测经过液浮反射镜面组合(代表绝对大地水平基准)反射得到的光管星点像点的位置偏移情况，可以求得复示平台相对大地水平的转角偏移。 

液浮反射镜面组合的镜体结构采用球形，可以使得浮体稳心稳定位于球心，这样只要通 过改变重心位置就可改变镜体的摇摆特性，从而减少浮液波浪和外界干扰对它的影响。液浮容器选择球形结构有利于进一步采取措施提高反射镜面的稳性。 

水平误差检测工具总体结构组成原理如图9所示。 

(3)检测工具测量原理 

根据流体力学、液体自水平、船舶原理等相关理论，在进行专门设计的情况下，液浮镜体反射镜面能够与当地绝对大地水平保持一致，使液浮镜体反射镜面可以代表当地大地水准平面。依据几何光学自准直式成像原理，自准直式平行光管的光轴与液浮镜体反射镜面法线平行时，光线仍按原路返回且星点分划板星点成像在像面面阵CCD的中心位置，光管光轴与返回光线的夹角是光管光轴偏离镜面法线角度的2倍。 

当自准直式平行光管的光轴绕X_p轴(横向轴线-纵摇轴线)旋转倾角ψ_tv时，则光线与光轴成2ψ_tv夹角返回，星点的像在像面相应的产生一个位置偏移S_y。像面星点位移S_y与光管光轴旋转倾角ψ_tv的关系如下式所示： 

S_y＝f×tg2ψ_tv

式中：f-自准直式平行光管的物镜焦距 

当自准直式平行光管的光轴绕Y_p轴(纵向轴线-横摇轴线)旋转倾角θ_tv时，则光线与光轴成2θ_tv夹角返回，星点的像在像面相应的产生一个位置偏移S_x。像面星点位移S_x与光管光轴旋转倾角θ_tv的关系如下式所示： 

S_x＝f×tg2θ_tv

式中：f-自准直式平行光管的物镜焦距 

我们知道：当光管转角ψ_tv、θ_tv为小角度时，可以用角度的弧度值代替正切值。即得自准直式测量原理公式： 

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{S_y}{f}$ ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\frac{S_x}{f}$

式中：f-自准直式平行光管的物镜焦距 

ρ-弧度对角度(单位：秒)的转换系数，一般可取ρ＝206265 

三  测量模型与误差模型 

光学水平测量***对载体水平姿态测量给出了一种全新的测量体制和测量方法，建立完 善的测量设备数学模型和测量误差修正模型，是测量***进行方案设计和工程设计的前提和基础，也是测量***实现正确控制和精密测量的关键。 

假设：由光学编码测角***测量得到的惯性同步复示平台与运动物体被检基面的夹角分别为ψ_cp、θ_cp，由自准直式平行光管测量得到的惯性同步复示平台与液浮镜体反射镜面(当地大地水平基准)的夹角分别为ψ_tv、θ_tv。 

1水平测量数学模型 

水平测量数学模型就是光轴指向测量信息与光轴指向误差信息对水平姿态测量结果的数学表达。在参考常用坐标***并定义的基础上给出专用坐标***定义，通过对测量元素进行坐标变换，得到了载体水平姿态信息对测量元素的数学计算表达方式。 

(1)专用坐标***定义 

1)地平坐标系(固联镜面) 

地平坐标系：O_p-X_pY_pZ_p为右手直角坐标系。原点O_p位于液浮镜面中心，X_p轴沿当地地理水平指向载体右方，Y_p轴沿当地地理水平指向载体前方，Z_p轴沿当地地理垂线(椭球体表面法线)指向上方。其中，X_pO_pY_p平面为当地大地水准面。 

地平坐标***定义如图10所示。 

2)复示坐标系(固联平台) 

复示坐标系：O_f-X_fY_fZ_f为右手直角坐标系。也可称为平台坐标系。原点O_f位于复示平台二轴的交点，X_f轴沿复示平台指向载体右方，Y_f沿复示平台指向载体前方，Z_f轴垂直复示平台指向上方。 

复示坐标***定义如图11所示。 

3)测量坐标系(固联载体) 

测量坐标系：O_c-X_cY_cZ_c为右手直角坐标系。原点O_c位于复示平台二轴的交点，X_c轴沿运动载体横轴指向右方，Y_c沿复示平台纵向轴线指向前方，Z_c轴沿运动载体竖轴指向上方。 

测量坐标***定义如图12所示。 

(2)测量元素坐标变换 

空间某点(空间向量)P_m在不同的坐标***有不同的坐标数值(向量分量)。由测量坐标系P_c(x_c，y_c，z_c)到复示坐标系P_f(x_f，y_f，z_f)、地平坐标系P_p(x_p，y_p，z_p)的坐标变换过程如下。 

坐标变换：测量坐标系→复示坐标系 

测量坐标系P_c(x_c，y_c，z_c)至复示坐标系P_f(x_f，y_f，z_f)的变换过程为：绕Z_c轴反向旋转0，绕Y_c轴反向旋转θ_op，绕X_c轴反向旋转ψ_op。 

坐标变换的变换关系为： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\end{array}\right]=C_c^f\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=C_{\mathrm{xc}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{yc}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{zc}}\left(0\right)\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]$

坐标旋转的变换矩阵为： 

$C_c^f=C_{\mathrm{xc}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{yc}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{zc}}\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}& -\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\\ 0& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ 0& 1& 0\\ {-\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}& 0& {\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$C_c^f=C_{\mathrm{xc}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{yc}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\right)C_{\mathrm{zc}}\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}& {-\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ {-\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]$

坐标变换：复示坐标系→地平坐标系 

复示坐标系P_f(x_f，y_f，z_f)至地平坐标系P_p(x_p，y_p，z_p)的变换过程为：绕Z_f轴反向旋转0，绕Y_f轴反向旋转θ_tv，绕X_f轴反向旋转ψ_tv。 

坐标变换的变换关系为： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=C_f^p\left[\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\end{array}\right]=C_{\mathrm{xf}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{yf}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{zf}}\left(0\right)\left[\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\end{array}\right]$

坐标旋转的变换矩阵为： 

$C_f^p=C_{\mathrm{xf}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{yf}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{zf}}\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}& -\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\\ 0& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}\\ 0& 1& 0\\ {-\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}& 0& {\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$C_f^p=C_{\mathrm{xf}}\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{yf}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\right)C_{\mathrm{zf}}\left(0\right)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}\\ {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}& {-\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}\\ {-\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}\end{array}\right]$

可以得到坐标变换：测量坐标系→地平坐标系 

$\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=C_f^p\left[\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\end{array}\right]=C_f^p{C}_c^f\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]{=C}_c^p\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]$

其中： 

$C_c^p=C_f^p{C}_c^f=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{c11}^p& C_{c12}^p& C_{c13}^p\\ C_{c21}^p& C_{c22}^p& C_{c23}^p\\ C_{c31}^p& C_{c32}^p& C_{c33}^p\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}\\ {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}& {-\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}\\ -{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}& 0& {\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}& {-\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ {-\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}& {\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]$

(3)水平信息计算输出 

由“测量坐标系→地平坐标系”坐标旋转变换关系，对于测量坐标系O_c-X_cY_cZ_c的单位向量P_c(x_c，y_c，z_c)＝P_c(0，0，1)，亦即：被检基面的法线方向的单位向量，在对应地平坐标系O_p-X_pY_pZ_p的单位向量P_p(x_p，y_p，z_p)。 

存在： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=C_c^p\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{c11}^p& C_{c12}^p& C_{c13}^p\\ C_{c21}^p& C_{c22}^p& C_{c23}^p\\ C_{c31}^p& C_{c32}^p& C_{c33}^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{c11}^p& C_{c12}^p& C_{c13}^p\\ C_{c21}^p& C_{c22}^p& C_{c23}^p\\ C_{c31}^p& C_{c32}^p& C_{c33}^p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{C}_{c13}^p\\ C_{c23}^p\\ C_{c33}^p\end{array}\right]$

亦即： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=C_c^p\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{C}_{c13}^p\\ C_{c23}^p\\ C_{c33}^p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}+\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ \mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}-\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}-\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ -\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}-\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Sin}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}+\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{tv}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]$

最终可得：地平坐标的摇摆角度(规定：左高为正，艏高为正) 

横摇角度 

(如果x_p≥0，则有θ_p≥0)

纵摇角度 

(如果y_p≤0，则有ψ_p≥0)

地平坐标的被检基面法线方向的单位向量如图13所示。 

2水平测量误差模型 

光学动态精密水平测量设备的单项误差主要包括：光学码盘定向误差(纵摇测角码盘零位、横摇测角码盘零位)、设备三轴正交误差(纵向转轴正交误差、横向转轴正交误差、光管 光轴正交误差)。 

(1)光学码盘定向误差 

光学码盘定向误差是指当惯性同步复示平台与安装机座检测基面平行时光学编码测角***的角度读数(角量)。光学码盘定向误差包括纵摇码盘定向误差(ψ⁰ _cp)和横摇码盘定向误差(θ⁰ _cp)。光学码盘定向误差也可称为光学码盘零位误差。 

光学码盘定向误差修正算法： 

纵摇测角定向误差： 

横摇测角定向误差： 

在实时读取光学码盘测量数据后，进行坐标变换处理前进行修正。 

(2)设备三轴正交误差 

设备三轴是指纵向转轴、横向转轴、光管光轴。设备三轴正交误差是指纵轴误差、横轴误差、光轴误差。设备三轴在惯性同步复示平台与安装机座检测基面平行时应该是两两相互正交，而在其它情况下光管光轴与横向转轴、横向转轴与纵向转轴应该相互正交。 

纵轴误差(P⁰ _xx、P⁰ _zz)是指复示平台纵向转轴不垂直于载体中站横向剖面的误差(角量)，也就是纵向转轴与载体艏艉轴线的不平行度。纵轴误差也可用等效的倾斜大小和倾斜方向(P⁰ _h、θ_max)表示。 

横轴误差(R⁰)是指复示平台的横向转轴不垂直于纵向转轴的误差(角量)。 

光轴误差(C⁰ _ψ、C⁰ _θ)是指自准直式光管光轴不垂直于复示平台横向转轴的误差(角量)，光轴误差也可以称为视轴误差或照准误差。 

1)纵向转轴正交误差 

纵向转轴正交误差修正算法： 

纵摇测角： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{cp}}=-P_h^0\mathrm{Cos}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}})$

横摇测角： ${\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{cp}}=P_h^0\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}})\tan {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}$

在实时读取光学码盘测量数据后，进行坐标变换处理前进行修正。 

2)横向转轴正交误差 

横向转轴正交误差修正算法： 

纵摇测角：Δψ_cp＝0.00 

横摇测角：Δθ_cp＝-R⁰tanψ_cp

在实时读取光学码盘测量数据后，进行坐标变换处理前进行修正。 

3)光管光轴正交误差 

光管光轴正交误差修正算法： 

纵摇测角： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{cp}}=-C_{\mathrm{\ψ}}^0$

横摇测角： ${\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{cp}}=-C_{\mathrm{\θ}}^0\mathrm{Sec}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}$

在实时读取光学码盘测量数据后，进行坐标变换处理前进行修正。 

(3)测量***误差模型 

在对测量***进行误差分析的基础上，可以给出水平测量(误差修正)模型。 

纵摇测量误差修正模型如下： 

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}^r={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}^0-P_h^0\mathrm{Cos}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}})-C_{\mathrm{\ψ}}^0$

横摇测量误差修正模型如下： 

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}^r={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}^0+P_h^0\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}){\mathrm{tam\ψ}}_{\mathrm{cp}}-R^0{\tan \mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}-C_{\mathrm{\θ}}^0{\mathrm{Sec\ψ}}_{\mathrm{cp}}$

在对原始测量数据ψ_cp、ψ_tv、θ_cp、θ_tv进行误差修正后，首先进行测量坐标系→复示坐标系的坐标变换C^f _c(ψ^r _cp、θ^r _cp、0)，然后进行复示坐标系→地平坐标系的坐标变换C^p _f(ψ^r _tv、θ^r _tv、0)，即可得到地平坐标系的实时水平测量结果(ψ^dp _rm、θ^dp _rm)。 

有益效果： 

光学自准直式动态精密水平测量方法采用全数字化信息采集、信息处理、信息输出的模式，具有测量范围大、测量精度高、实时性能强的特点，普遍适用于全静态、准静态-准动态、全动态情况下的运动物体水平测量。 

该方法可以用来解决以下现实问题： 

1)可以取代惯导提供精确水平姿态信息：该方法可以降低运动载体对惯导设备的指标要求，在中低精度惯导设备(如捷联惯导)的支持下，输出更高精度的水平姿态信息，从而取代惯导提供精确水平姿态信息给相关用户。 

2)可以简化现有船体结构变形测量***：该方法在测量***探测装置大于两套的情况下，可以实现物体两点之间结构变形(纵挠、横扭)的测量，取消目前普遍作为横扭变形测 量基准的大钢管，从而简化船体变形测量***。 

3)可以用来进行惯导设备水平精度鉴定：该方法可以用来解决中高精度惯导设备水平精度鉴定的难题，该方法的水平姿态测量误差：σ_a≤3″，通常惯导的水平姿态测量误差：σ_b≥10″，满足3σ_a≤σ_b的要求，因此可以用来进行惯导水平精度鉴定。 

附图说明

该发明的附图及说明如下： 

图1自准直式水平测量基本原理 

图2试验设备与惯导设备的横摇数据的差分数据 

图3试验设备与惯导设备的横摇数据的差分差值 

图4试验设备与惯导设备的纵摇数据的差分数据 

图5试验设备与惯导设备的纵摇数据的差分差值 

图6测量设备结构总体组成原理 

图7测量设备电气总体控制流程 

图8惯性同步复示平台总体结构组成原理 

图9水平误差检测工具总体结构组成原理 

图10地平坐标***定义 

图11复示坐标***定义 

图12测量坐标***定义 

图13地平坐标的被检基面法线方向的单位向量 

具体实施方式

该发明主要给出了光学自准直式动态精密水平测量方法的基本原理与实现方法，对惯性同步复示平台与水平误差检测工具等关键模块则进行了工程技术总体设计，该发明同时推导了光学自准直式动态精密水平测量方法的测量模型与误差模型。 

该发明对不同动态范围的运动物体可以采用不同的技术方案。当被检物体水平信息变化范围小于自准直式平行光管的测量范围(≈12.5′)时，可以省掉惯性同步复示平台， 只需把水平误差检测工具与被检物体直接固联。当被检物体水平信息变化范围大于自准直式平行光管的测量范围(≈12.5′)时，应该增加惯性同步复示平台，需要把水平误差检测工具置于惯性同步复示平台再与被检物体间接固联。 

该发明可以采用分布式测量、集中式监控的工作模式。探测装置分布在若干需要测量的待检测点进行水平信息的采集测量，主监控台可设置在中心机房内部进行信息监控与结果输出，信息处理与跟踪控制的电路机箱可以根据实际情况置于探测装置附近或主监控台附近，探测装置、电路机箱、主监控台三者之间通过通信电缆进行连接。对具有特殊要求的应用产品开发，可以结合工程实际需求进行设计。 

Claims (3)

1.一种光学自准直式动态精密水平测量方法，测量***总体结构由探测装置、信息处理与控制电路、主监控台三个功能模块组成，功能模块之间通过线缆连接，其特征是：探测装置由水平误差检测工具和惯性同步复示平台两个关键部件组成，其中水平误差检测工具装在惯性同步复示平台之上，信息处理与控制电路由电视图像跟踪处理、纵摇伺服跟踪控制、横摇伺服跟踪控制、平台纵摇编码测角、平台横摇编码测角、通信控制六个主要电路模块组成，主监控台由主控微机、时码终端、供电电源三个功能模块组成。

2.根据权利要求1所述的光学自准直式动态精密水平测量方法，其特征是：惯性同步复示平台采用两环(纵摇稳定环、横摇稳定环)、两轴(纵摇旋转轴、横摇旋转轴)结构，两轴垂直正交安装，在每个转轴上同时安装有驱动电机和测角元件，水平误差检测工具由自准直式平行光管(含照明用光源、可见光面阵CCD、星点分划板)和液浮反射镜面组合(含球形内腔浮液容器、球形浮体反射镜面、镜体限位保护机构)构成，在复示平台为水平时自准直式平行光管的光轴与反射镜面垂直正交。

3.根据权利要求1所述的光学自准直式动态精密水平测量方法，其特征是：数学模型包括水平测量数学模型(测量元素对测量结果的数学表达)与水平测量误差模型(单项误差对测量结果的修正分量)，具体如下：

若设：由光学编码测角***测量得到的惯性同步复示平台与运动物体被检基面的夹角分别为ψ_cp、θ_cp，由自准直式测量光管测量得到的惯性同步复示平台与液浮镜体反射镜面(当地大地水平基准)的夹角分别为ψ_tv、θ_tv，则有

水平测量数学模型：

地平坐标的摇摆角度(规定：左高为正，艏高为正)

横摇角度

(如果x_p≥0，则有θ_p≥0)

纵摇角度

(如果y_p≤0，则有ψ_p≥0)

其中 $\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}+{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ {\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}\\ -{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{tv}}\stackrel{}{{\mathrm{Sin\θ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Sin\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}+{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{tv}}{\mathrm{Cos\ψ}}_{\mathrm{cp}}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{cp}}}\end{array}\right]$

水平测量误差模型：

若设：纵摇码盘零位误差(ψ⁰ _cp)、横摇码盘零位误差(θ⁰ _cp)、纵轴误差(P⁰ _h、θ_max)、横轴误差(R⁰)、光轴误差(C⁰ _ψ、C⁰ _θ)，由自准直式测量光管测量得到的惯性同步复示平台与液浮镜体反射镜面(当地大地水平基准)的夹角分别为ψ_tv、θ_tv，则有

纵摇误差修正模型： ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}^r={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}^0-P_h^0\mathrm{Cos}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}})-C_{\mathrm{\ψ}}^0$

横摇误差修正模型： ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}^r={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}^0+P_h^0\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cp}}){\tan \mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}-R^0{\tan \mathrm{\ψ}}_{\mathrm{cp}}-C_{\mathrm{\θ}}^0{\mathrm{Sec\ψ}}_{\mathrm{cp}}$

其它与其物理含义相同、等效、等价的表达应该被认为是同一表达。

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