CN104613981A - 一种惯导动态定向精度测试*** - Google Patents

Abstract

一种惯导动态定向精度测试***，由以下模块组成：第一模块，构建基于双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型；第二模块，构建基于双经纬仪交汇的测角误差分析模型；第三模块，构建测试精度区扫描模型；第四模块，构建测试精度区生成模型；第五模块，构建基线寻优算法；第六模块，构建基于蓝牙技术的无线网络通信模型；工作过程中，通过第四模型构建出实用精度区，由第五模块仿真出最佳基线参数，将经纬仪基线按照最佳基线参数设置在实用精度区中，利用第六模块实现经纬仪与数据终端的通讯。

Description

一种惯导动态定向精度测试***

技术领域

本发明涉及一种惯导动态定向精度测试***。

背景技术

惯导定向精度这一技术指标是对惯导***初始对准精度与方位保持精度的要求，要对其高精准测量，本质上就是对引出的惯导轴线空间指向进行标定。对该技术指标的测试一般分为静态测试和动态测试。其中静态测试在转台上进行，与载体无关，主要考核惯导***自身精度；动态测试主要考核惯导***装车状态下，载体平台上的电磁环境、安装位置、运动过程等因素对惯导***定向精度的影响。本发明不涉及惯导定向精度的静态测试，只针对动态测试。

关于惯导动态定向精度测试一直使用单经纬仪纵向瞄准标杆法，该方法尚有很多缺陷。一是存在测试盲区，由于固定相邻的两根标杆之间的区域真值很难给出，因此无法对惯导在此区域进行任意方向动态精度测试；二是对准误差难以控制，测试时要求车辆回转中心严格停放在已知坐标点上，而车辆对准误差通常在十几到几十厘米，对测试结果会带来很大影响；三是经纬仪架设难以实施，测试时要求经纬仪严格架设在载车回转中心上，但是大部分载车回转中心较难确定，且回转中心不具备架设经纬仪条件；四是载车调平难以实现，为避免车体姿态的变化为经纬仪测角引入不确定误差，测试时要求工作平台处于水平面上，而调平过程费时费力，测试效率低下。

为解决上述问题，本发明采用惯导动态定向精度测试***，使用双经纬仪横向交汇、非接触式测量方法，实现了动态定向精度测试不受载车型号限制、测试精度可控、具有通用性，避免了单经纬仪纵向瞄准标杆法带来的种种弊端。

发明内容

一种惯导动态定向精度测试***，由以下模块组成：

第一模块，构建基于双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型；

第二模块，构建基于双经纬仪交汇的测角误差分析模型；

第三模块，构建测试精度区扫描模型；

第四模块，构建测试精度区生成模型；

第五模块，构建基线寻优算法；

第六模块，构建基于蓝牙技术的无线网络通信模型；

工作过程中，通过第四模型构建出实用精度区，由第五模块仿真出最佳基线参数，将经纬仪基线按照最佳基线参数设置在实用精度区中，利用第六模块实现经纬仪与数据终端的通讯。

其中，上述第一模块执行以下操作：

a1)：建立方位向测角模型；

b1)：建立高低向测角模型。

其中，上述第二模块执行以下操作：

a2)：方位角随机误差传递计算；

b2)：高低角随机误差传递计算。

其中，上述第三模块执行以下操作：

基于a2)、b2)的计算模型，构造了经纬仪在不同位置测试时误差分布的扫描模型。

其中，上述第四模块执行以下操作

利用a2)、b2)的计算结果及第三模快的模型，确定理论精度区及实用精度区；

其中，上述第五模块执行以下操作：

利用第四模块生成结果，优化出适合的基线长度；

其中，上述第六模块执行以下操作：

a6)：分析串口仿真协议(RFCOMM)；

b6)：利用a6)的分析结果，构建连接软件；

c6)：利用a6)、b6)的分析结果及构建模型，建立通信链路。

一种惯导动态定向精度测试装置，其包括：

两个经纬仪(A、B)，通讯装置和计算终端，用于对载体上的惯导装置的测量值精度进行检测；

载体外侧首尾两端各粘贴有一个十字标，载体上安装有惯导装置，其特征在于：

惯导装置测量载体轴线的绝对空间位置，通过两个经纬仪瞄准两个十字标测得两个十字标分别相对于两个经纬仪的水平角和高低角，将经纬仪测量值通过无线通讯装置传送给计算终端，计算终端进行计算得出载体轴线的相对于经纬仪基线的空间位置实测值，经纬仪基线引入真北后计算得到载体轴线的空间绝对位置实测值，将实测值与惯导装置测量值进行对比，来得出惯导装置的测量误差。

进一步，通过计算得出实用精度区，经纬仪基线布置在实用精度区内，以保证空间位置实测值的准确度。

进一步，测试精度区域由纵向扫描范围和横向扫描范围限定，根据扫描模型和误差传递模型来计算得出测量误差值，所述扫描模型为：

${\mathrm{\α}}_1=\arctan \frac{2x}{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}-2z}$

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \frac{2x+{2p}_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}-2z}$

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \frac{2x}{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}+2z}$

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{2x+{2p}_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}+2z}$

${\mathrm{\γ}}_1=\arctan \frac{h}{\sqrt{x^2+{(\frac{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{2}-z)}^2}}$

${\mathrm{\γ}}_2=\arctan \frac{h+p_l\sin \mathrm{\ϵ}}{\sqrt{{(x+p_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ})}^2+{(\frac{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{2}-z)}^2}}$

其中，y＝基线长度AB，p_l＝被测线段ab长度，C、D分别指代第一十字标a和第二十字标b在通过基线AB的水平面上的垂直投影点；x为a点在通过基线的水平面上的投影点到基线的距离，h为a点到基线所在水平面距离，α为经纬仪基线AB与载体轴线ab在水平面上的方位夹角，ε为载体轴线ab与上述水平面之间的高低夹角，a₁，a₂分别是经纬仪A测量得到的第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角；β₁，β₂分别是经纬仪B测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于基线BA的水平角；γ₁，γ₂分别为经纬仪A测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于水平面的高低夹角。

一种确定惯导动态定向精度测试***实用精度区的方法，包括以下步骤：

第一步：构建双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型；

第二步：构建基于双经纬仪交汇的测角误差分析模型；

第三步：利用误差分析模型基于误差源计算出经纬仪基线处于不同位置时的误差情况，根据可接受误差范围得出实用精度区；

第四步：设置不同的经纬仪基线长度值，分析在不同的经纬仪基线长度值下的实用精度区，选择最优经纬仪基线长度；

第五步：设定经纬仪基线为上述最优经纬仪基线长度值，计算出最优实用精度区。

***的基本原理是利用两台经纬仪建立空间坐标系，通过测量载体前后标记点连线与经纬仪基线夹角，经几何关系推导获得载体轴线空间指向。引入真北后，可测得载体轴线北向角及俯仰角，即寻北定向精度测量；也可测量载体轴线转动前后夹角，即方位保持精度测量。

***的优点在于能够自动生成测试精度区，据此可以快速制定出经纬仪最佳布站方案，突破性解决惯导动态定向精度测试误差不明确的业内难题。由于测试精度可控，可以根据测试需要确保***自身测试精度高于被测指标10倍以上，既可以鉴定惯导定向精度又可以为惯导研发提供基准值。该***采用非接触式测量，不受被测对象型号限制、具有极强的通用性；采用蓝牙数据传输技术，操作灵活方便，避免了数据线带来的布站位置受限、接触不良、易损坏等弊端，极大缩短了***展开与撤收时间。

附图说明

图1是***结构图；

图2是方位角测试原理图；

图3是高低角测试原理图；

图4是经纬仪位置与瞄准角解析关系图；

图5是使用非优基线精度区扫描结果；

图6是使用最优基线精度区扫描结果；

图7是精度区修正效果；

图8是蓝牙协议栈体系。

具体实施方式

惯导动态定向精度测试本质上就是测量空间一条线段的精确指向，该***利用两台经纬仪建立空间坐标系，通过测量载体前后标记点连线与经纬仪基线夹角，经几何关系推导获得惯导轴线(载体轴线)空间指向。引入真北后，可测得惯导轴线北向角及俯仰角，即寻北精度测量和方位保持精度测量。

如图1所示，本发明的测试***由两台经纬仪、一台便携数据处理终端及蓝牙无线装置组成。***软件含有精度区扫描、角度测量、误差分析、蓝牙无线连接与数据传输4个功能模块。本***动态测量载体的方位，本***实现了对惯导***动态精度的测试。

本***利用两台经纬仪建立空间坐标系，通过测量图1中载体初始位置以及载体结束为止前后标记点的方位角和高低角，获得经纬仪基线与惯导轴线(两标记点连线)夹角，引入真北后，经几何关系推导获得惯导轴线空间指向。

***工作流程 

1)在***工作中，在载体同侧前后两端各粘贴一枚十字标，分别是第一十字标a和第二十字标b，通过标校消除两十字标连线与载体轴线在方位及高低向上的夹角；

2)根据载体长度、经纬仪精度等参数，设置扫描步长与范围，进行基线寻优，生成实用精度区，此为本领域技术人员常用的技术手段，在此不再赘述；

3)在实用精度区内，架设两台经纬仪A和B，调平对准，使两台经纬仪主光轴在同一直线上，构成本***的基线AB，在载体处于载体初始位置时，将两台经纬仪读数置零；

4)两经纬仪分别观瞄载体上两个十字标中心点，测得所需角度值，记录载体从初始位置移动到结束位置过程中，第一十字标a与第二十字标b的水平角和垂直角的变化；

5)利用***数据处理终端自动采集经纬仪读数，并计算惯导寻北精度与方位保持精度。

基于双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型

方位向测角模型

如图2所示，载体调平状态下，在载体前后两端(距离尽量远)各贴一个十字标，要求线ab与载体轴线平行，分别是第一十字标a和第二十字标b，图2中a，b分别指代第一十字标a和第二十字标b在通过基线AB的水平面上的垂直投影点；架设经伟仪A、B，图2中A、B分别指经纬仪A和经纬仪B，以 AB连线为经纬仪的基线，调平对瞄建立坐标系；C、D点分别是图2中a和b点在基线AB上的垂直投影，c点为a点在bD线上的投影。设∠aAC＝α₁，∠bAD＝α₂，∠aBC＝β₁，∠bBD＝β₂，∠bac＝α，aC＝H₁，bD＝H₂，AB＝L，AC＝L₁，DB＝L₂。其中α即为经纬仪基线与载体轴线在水平面上的方位夹角。a1，a2分别是经纬仪A测量得到的第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角；，分别是经纬仪B测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角。

已知：α₁，α₂，β₁，β₂，求α。

tanα₁＝aC/AC＝H₁/L₁

tanα₂＝bD/(AB-DB)＝H₂/(L-L₂)

tanβ₁＝aC/(AB-AC)＝H₁/(L-L₁)

tanβ₂＝bD/DB＝H₂/L₂

tanα＝(bD-aC)/(AB-AC-DB)＝(H₂-H₁)/(L-L₁-L₂) 

通过等式变换可得：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{\tan {\mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\β}}_2(\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\β}}_1)-\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\β}}_1(\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\β}}_2)}{\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\β}}_2-\tan {\mathrm{\β}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2}...\left(1\right)$

高低向测角模型

如图3所示，与图2中不同，图3中的a和b分别代表两个十字标的空间位置，C，D分别指代第一十字标a和第二十字标b在通过基线AB的水平面上的垂直投影点；∠CAB＝α₁，∠DAB＝α₂，∠CBA＝β₁，∠DBA＝β₂，∠aAC＝γ₁，∠bAD＝γ₂，∠bac＝ε，AC＝a，AD＝b，AB＝d，CD＝c，aC＝h₁，bD＝h₂。其中ε即为载体轴线与水平面之间的高低夹角。a₁，a₂分别是经纬仪A测量得到的第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角；β₁，β₂分别是经纬仪B测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角；γ₁，γ₂分别为经纬仪A测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于水平面的垂直角度。

已知：α₁，α₂，β₁，β₂，γ₁，γ₂，求ε。

tanε＝(h₂-h₁)/c

a＝dsinβ₁/sin(α₁+β₁)

b＝dsinβ₂/sin(α₂+β₂)

c²＝a²+b²-2abcos(α₁-α₂)

tanγ₁＝h₁/a

tanγ₂＝h₂/b

通过等式变换可得：

$\mathrm{\ϵ}=\arctan \frac{\sin {\mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\γ}}_2\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)-\sin {\mathrm{\β}}_1\tan {\mathrm{\γ}}_1\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)}{\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\β}}_1{\sin }^2({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)+{\sin }^2{\mathrm{\β}}_2{\sin }^2({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)-2\sin {\mathrm{\β}}_1\sin {\mathrm{\β}}_2\cos ({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)}}....\left(2\right)$

基于双经纬仪交汇的测角误差分析

双经纬仪交汇法作为测量两点连线空间实际指向较为通用的方法，其测量精度主要受经纬仪测角误差、对中误差、照准误差因素影响。

经纬仪测角误差按其成因可划分为瞄准误差和仪器误差。其中，瞄准误差在正常操作使用情况下，由经纬仪瞄准方式及望远镜放大倍率决定。例如，采用压线法、放大倍率30的经纬仪瞄准误差一般为2″。仪器误差主要由三轴误差(视准轴、水平轴、垂直轴)和偏心误差组成。经纬仪的三轴(视准轴、水平轴、垂直轴)之间在测角时应满足视准轴与水平轴正交，水平轴与垂直轴正交，垂直轴与点位铅垂线一致，当这些关系不能满足时，将分别引起视准轴误差、水平轴倾斜误差、垂直轴倾斜误差。偏心误差主要由经纬仪的生产加工工艺决定。双经纬仪交汇法测量过程中，通常采用单次架设7次测量的方式。

一般情况下，经纬仪测角误差为2″，对中误差和照准误差为1.5″，其综合误差如公式(3)所示。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{2^2+{1.5}^2}={2.5}^{\′\′}---\left(3\right)$

方位角随机误差传递计算

在公式(1)中，令

其中X为等式分子，Y为等式分母。 

分别求α对α₁、α₂、β₁、β₂的偏导，结果如下：

$\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\β}}_1(\tan {\mathrm{\β}}_2-\tan {\mathrm{\β}}_1)(\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\β}}_2)}{(1+A^2)Y^2}$

$\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\β}}_2(\tan {\mathrm{\β}}_1-\tan {\mathrm{\β}}_2)(\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\β}}_1)}{(1+A^2)Y^2}$

$\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_1}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\β}}_1\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\β}}_2(\tan {\mathrm{\α}}_1-\tan {\mathrm{\α}}_2)(\tan {\mathrm{\α}}_2+\tan {\mathrm{\β}}_2)}{(1+A^2)Y^2}$

$\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_2}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\α}}_2\tan {\mathrm{\β}}_1(\tan {\mathrm{\α}}_2-\tan {\mathrm{\α}}_1)(\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\β}}_1)}{(1+A^2)Y^2}$

将上述结果代入误差传递公式：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}=\sqrt{{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_1}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_2}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_1}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_1}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_2}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_2}}^2}$

其中σ_α1、σ_α2、σ_β1、σ_β2均取δ＝2.5″＝0.0116mil，简化后得方位角传递误差：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}=0.0116\sqrt{{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\α}}{{\∂\mathrm{\β}}_2}\right)}^2}---\left(4\right)$

高低角随机误差传递计算

在公式(2)中，令

其中X为等式分子，Y为等式分母。 

分别求ε对α₁、α₂、β₁、β₂、γ₁、γ₂的偏导，结果如下：

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}=\frac{2Y\sin {\mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\γ}}_2\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)-X({\sin }^2{\mathrm{\β}}_2\sin 2({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)-2\sin {\mathrm{\β}}_1\sin {\mathrm{\β}}_2\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)\cos ({2\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\α}}_2))}{2(1+A^2)\sqrt{Y^3}}$

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}=\frac{-2Y\sin {\mathrm{\β}}_1\tan {\mathrm{\γ}}_1\cos ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)-X({\sin }^2{\mathrm{\β}}_1\sin 2({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)-2\sin {\mathrm{\β}}_1\sin {\mathrm{\β}}_2\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)\cos ({2\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\α}}_1))}{2(1+A^2)\sqrt{Y^3}}$

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_1}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\γ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)}{(1+A^2)\sqrt{Y}}$

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_2}=\frac{{\sec }^2{\mathrm{\γ}}_2\sin {\mathrm{\β}}_2\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}{(1+A^2)\sqrt{Y}}$

将上述结果代入下式：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\sqrt{{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_1}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_2}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\β}}_1}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_1}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\β}}_2}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_2}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_1}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\γ}}_1}}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_2}\right)}^2{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\γ}}_2}}^2}$

其中σ_α1、σ_α2、σ_β1、σ_β2、σ_γ1、σγ2均取δ＝2.5″＝0.0116mil，简化后得高低角传递误差：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}=0.0116\sqrt{{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\α}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\β}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\β}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂\mathrm{\γ}}_2}\right)}^2}---\left(5\right)$

测试精度区扫描模型

如图4所示，需建立经纬仪位置与α₁、α₂、β₁、β₂、γ₁、γ₂的解析关系，计算经纬仪在不同位置的测试误差。设基线长度AB＝y，被测线段ab＝p_l，ab即载体轴线，C，D分别指代第一十字标a和第二十字标b在通过基线AB的水平面上的垂直投影点；C点到基线的距离为x，a点到基线所在水平面距离为h；α即为经纬仪基线AB与载体轴线ab在水平面上的方位夹角，ε即为载体轴线ab与水平面之间的高低夹角；在初始位置时ab与AB平行并且abBA构成了一个等腰梯形，此时ab的中点在基线AB上的投影点位于AB的中点，基线AB可以相对于初始位置前后沿图4所示AB的延长线方向移动，称为横向扫描移动，横向扫描步长为z，向图4中左侧移动时z为负值，右侧移动时z为正值。有如下扫描模型：

在上述初始位置时，由于abBA构成了等腰梯形，

${\mathrm{\α}}_1=\arctan \frac{x}{\left(\frac{y-p_l}{2}\right)}=\arctan \frac{2x}{y-p_l}$

当基线AB进行横向移动时，以及ab的姿态发生变化不再和AB平行之后，经过变换可以得到：

${\mathrm{\α}}_1=\arctan \frac{2x}{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}-2z}---\left(6\right)$

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \frac{2x+{2p}_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}-2z}---\left(7\right)$

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \frac{2x}{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}+2z}---\left(8\right)$

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{2x+{2p}_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}+2z}---\left(9\right)$

${\mathrm{\γ}}_1=\arctan \frac{h}{\sqrt{x^2+{(\frac{y-p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{2}-z)}^2}}---\left(10\right)$

${\mathrm{\γ}}_2=\arctan \frac{h+p_l\sin \mathrm{\ϵ}}{\sqrt{{(x+p_l\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ})}^2+{(\frac{y+p_l\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\ϵ}}{2}-z)}^2}}---\left(11\right)$

模型之间的关系：误差传递模型用于计算经纬仪架设位置处的测试精度，是根据误差传递理论，由测角模型中因变量对自变量求偏导得到。扫描模型可提供经纬仪架设位置处的观瞄角度值，为测角模型提供自变量。

(7)仪器测角精度 

指经纬仪的测角精度。

(8)精度要求

指每次测量时需要达到的精度值。

测试精度区生成模型

根据误差传递模型和扫描模型，可计算理论精度区，理论精度区相当于测量无穷多次形成的区域分布图，但在实际测试过程中，由于测试次数有限，因此理论精度区在实际测试过程中并不能完全保证测试精度要求。

本***中，误差来源自经纬仪的测量误差，也就是经纬仪测角精度，本发明中根据扫描模型和误差传递模型，计算出基线在不同的位置(纵向和横向移动后位置)时，得出最后的测量误差值，生成图5-7中的精度区扫描结果，其中分为三个区域，最上方的为实用精度区，中间区域为临界区，下方区域为不可测区域。

基线寻优算法 

基线寻优算法采用枚举排序算法，通过分析计算得到的实用精度区的范围，根据需要，找到最适合的基线长度。排序算法一方面考虑测量便捷性，需要寻找精度区面积最大布站方案所对应基线长度；另一方面考虑测量准确性，需要寻找测量精度最高布站方案所对应基线长度，基线长度选择范围使用1至40米。基于两方面考虑，排序算法选用精度区面积除以精度区内各点位测量精度均值作为准则函数。选择排序算法值最大的三个基线值作为基线寻优推荐基线长度。基线寻优效果如图5、图6所示。其中图5为使用非优基线长度扫描结果，图6为基线寻优长度扫描结果。

研究有限次测量所对应的实际测量精度与理论计算结果的关系，使用χ²分布上位数，计算置信度为95％时所对应置信区间，获取有限次测试时的实际测试精度，以修正理论精度区，在确保测试置信度同时提高程序运行速度。通过蒙特卡洛方法及半实物仿真方法分别验证修正后精度区是否正确。蒙特卡罗方法基本原理是：通过构造符合一定规则的随机数来模拟实际事物的发生过程，解决那些由于计算过于复杂或工程难以直接得到结果的问题。该方法回避了多维变量数学分析中的困难，不管状态函数线性与否，只要模拟的次数足够多，就可得到一个比较精确的与实际事物相符的结果，是一种有效的求出数值解的方法。 该方法模拟实际测试过程，解决了维数灾难，为透彻分析实测精度区提供了有力依据。修正效果如图7所示。

其中绿色区域为实用精度区，在此区域内布站(即按照选定基线在此区域内布置经纬仪)可确保测量精度满足要求的置信度上95％以上。黄色区域为临界区，在此区域内布站需增加测量次数，以确保测试结果可信。测试时，应尽量避免在该区域内进行布站。理论精度区中的数值是通过误差传递公式计算得到的，为正态分布总体N(μ，σ²)的标准差σ，代表已知误差源的情况下，测试无穷多次的误差传递结果。而实际测试过程中，由于测试次数有限，实际测试精度与理论精度存在一定的差别。下面运用数理统计相关定理推导有限次的测试精度与理论精度之间的关系。

设X₁，X₂L，X_n是总体N(μ，σ²)的样本，S²分别是样本均值和样本方差，则有  $\frac{(n-1)S^2}{{\mathrm{\σ}}^2}~{\mathrm{\χ}}^2(n-1)$

其中：总体标准差σ代表理论精度，样本标准差S代表有限次的测试精度。

对于置信水平1-α时，有 $P\{\frac{(n-1)S^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}<{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}^2(n-1)\}=1-\mathrm{\&alpha;}$

即 $P\{S^2<\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}^2(n-1)}{n-1}\}=1-\mathrm{\&alpha;}$

这样就得到样本方差S²的一个置信水平为1-α的单侧置信区间为

$[0,\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}^2(n-1)}{n-1})$

同样得到样本标准差S的一个置信水平为1-α的单侧置信区间为

$[0,\mathrm{\&sigma;}\sqrt{\frac{{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}^2(n-1)}{n-1}})$

假设实际测试过程中样本量n取7，当置信水平1-α为0.95时，将其代入上述公式，可得

$P\{S^2<\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2{{\mathrm{\&chi;}}_{0.05}}^2(n-1)}{n-1}\}=0.95$

简化得

$P\{S^2<\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2{{\mathrm{\&chi;}}_{0.05}}^2\left(6\right)}{6}\}=0.95$

通过查χ²分布表，可知χ_0.05 ²(6)＝12.592，代入上式可得

P{S²＜2.099σ²}＝0.95

表1 部分χ²分布表P{χ²(n)＞χ_α ²(n)}＝α

n	α＝0.995	0.99	0.975	0.95	0.90	0.75	0.25	0.10	0.05	0.025	0.01	0.005
													5	0.412	0.554	0.831	1.145	1.610	2.675	6.626	9.236	11.071	12.833	15.086	16.750
6	0.676	0.872	1.237	1.635	2.204	3.455	7.841	10.645	12.592	14.449	16.812	18.548
													7	0.989	1.239	1.690	2.167	2.833	4.255	9.037	12.017	14.067	16.013	18.475	20.278
8	1.344	1.646	2.180	2.733	3.490	5.071	10.219	13.362	15.507	17.535	20.090	21.955
													9	1.735	2.088	2.700	3.325	4.168	5.899	11.389	14.684	16.919	19.023	21.666	23.589

因此，置信水平为0.95、样本量为7的样本方差S²单侧置信区间为：(0，2.099σ²)，相应置信上限为2.099σ²。样本标准差S的单侧置信区间为：(0，1.449σ)，相应置信上限为1.449σ。

在实际测试过程中，测试次数为7次，置信水平为95％时，实际测试精度是理论测试精度的1.449倍。理论精度区在小于阈值/1.449的测试区域为可测区域，在阈值/1.449～阈值之间的测试区域为风险测试区域，测试区域大于阈值的区域为不可测区域。

基于蓝牙技术的无线网络通信模型

线缆连接方式可导致***布站区域受限，展开与撤收繁琐，接头易损易坏。针对以上弊端，基于蓝牙技术的无线网络通信模式避免了复杂的线缆连接、极大的降低了***的功耗、对于***作业时的便携性、可操作性、可靠性以及可维护性有极大提高。

串口仿真协议(RFCOMM)

如图8所示，蓝牙***中采用了多个不同协议，这些协议按照一定的层次组合成了蓝牙协议栈，由此可实现设备之间能互相定位、连接并进行数据交换。蓝牙在L2CAP协议层之上虚拟了9针RS232串口，其串口仿真具有多路复用及支持标准串口通信功能，提供一种共享的仿真串口，实现了一台主机与多个串口连接。

连接软件的构建

在数据通信的设计与实现中，主要是将复杂的Windows底层串口通信API函数封装为自定义***所需的通信模块对象，实现了具有蓝牙无线连接条件下主客户端数据实时采集的通信模块。本***设计的设备连接与数据传输模块主要工作过程如下：

(1)打开串行端口：打开通信资源，设置通信参数、设置通信事件、创建读、写事件、进入等待串口消息循环。

(2)读取串行端口信息：当串口发生EV_RXCHAR(接收到字符并放入了输入缓冲区)消息后读取串口、数据传输错误处理、字符串处理如回车符、空格并相应转化成数据，如果是模拟量还要进行数据检验。

(3)写串行端口信息：将要发送的信息写入串口，相应进行错误处理。

(4)断开串行端口连接：关闭事件，清除通信事件，丢弃通信资源并关闭。

通信链路构建 

通信链路构建如下：数据处理终端为主设备，两台经纬仪为远端从设备，使用RFCOMM传输协议，建立主从设备之间数据传输及控制指令通信链路，由此构建了基于RFCOMM协议的蓝牙无线微微网。具体硬件设置过程为：首先开启从设备的蓝牙模块，注册虚拟串口服务，设置其工作模式为可被发现的从机模式。通过主设备上的蓝牙适配器，查询有效工作范围内的从设备，获取相关信息，进行密钥配对，即可查询从设备的相关服务。

工程实现

以测角模型、误差分析模型、精度区扫描模型为基础，开发“惯导动态定向精度测试***软件”，安装到数据处理终端(配置蓝牙适配器)上，与两台经纬仪构成了一套便携、非接触式测试***。

***功能

1)能够测试各种车载惯导动态初始对准精度即动态寻北精度；

2)能够测试各种车载惯导动态方位保持精度即动态漂移精度。

主要技术指标 

1)***测试精度：不低于0.1mil；

2)***指示精度：0.001mil；

3)***全重：不大于25kg；

4)***连续工作时间：不小于20h；

5)***展开时间：不大于5min；

6)***撤收时间：不大于3min；

7)环境适应性：工作温度-10℃～40℃；

8)平均无故障工作时间(MTBF)：2000h。

实测结果分析 

精度区实测结果与理论计算结果详见表2，其中真值由4″精度转台提供。结果表明实际测量误差与理论计算误差基本吻合，反映了经纬仪测角误差分析正确，不能将经纬仪自身误差2″简单带入误差传递模型；证明了测角模型、扫描模型、基线寻优算法正确；实测精度区修正系数合理。

表2 实测与理论计算结果对比分析表

根据本发明的***能够突破性解决惯导动态定向精度测试误差不明确的业内难题。该***可快速自动生成测试精度区，据此可以制定出经纬仪最佳布站方案。由于测试精度可控，可以根据测试需要确保***自身测试精度高于被测指标10倍以上，即可以鉴定惯导定向精度又可以为惯导研发提供基准值。由于采用非接触式测量，该***不受被测对象型号限制、具有极强的通用性。***采用更加人性化的设计，使用蓝牙数据传输技术，避免了数据线带来的布站位置受限、接触不良、易损坏等弊端，极大缩短了***展开与撤收时间，使用更加方便，操作更加灵活，具有更好的操作性。

Claims (11)

1.一种惯导动态定向精度测试***，由以下模块组成：

第一模块，构建基于双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型；

第二模块，构建基于双经纬仪交汇的测角误差分析模型；

第三模块，构建测试精度区扫描模型；

第四模块，构建测试精度区生成模型；

第五模块，构建基线寻优算法；

第六模块，构建基于蓝牙技术的无线网络通信模型；

工作过程中，通过第四模型构建出实用精度区，由第五模块仿真出最佳基线参数，将经纬仪基线按照最佳基线参数设置在实用精度区中，利用第六模块实现经纬仪与数据终端的通讯。

2.根据权利要求1所述的***，其中，上述第一模块执行以下操作：

a1)：建立方位向测角模型；

b1)：建立高低向测角模型。

3.根据权利要求1或2所述的***，其中，上述第二模块执行以下操作：

a2)：方位角随机误差传递计算；

b2)：高低角随机误差传递计算。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的***，其中，上述第三模块执行以下操作：

基于a2)、b2)的计算模型，构造了经纬仪在不同位置测试时误差分布的扫描模型。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其中，上述第四模块执行以下操作

利用a2)、b2)的计算结果及第三模快的模型，确定理论精度区及实用精度区。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的***，其中，上述第五模块执行以下操作：

利用第四模块生成结果，优化出适合的基线长度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的***，其中，上述第六模块执行以下操作：

a6)：分析串口仿真协议(RFCOMM)；

b6)：利用a6)的分析结果，构建连接软件；

c6)：利用a6)、b6)的分析结果及构建模型，建立通信链路。

8.一种惯导动态定向精度测试装置，其包括：

两个经纬仪(A、B)，通讯装置和计算终端，用于对载体上的惯导装置的测量值精度进行检测；

载体外侧首尾两端各粘贴有一个十字标，载体上安装有惯导装置，其特征在于：

惯导装置测量载体轴线的绝对空间位置，通过两个经纬仪瞄准两个十字标测得两个十字标分别相对于两个经纬仪的水平角和高低角，将经纬仪测量值通过无线通讯装置传送给计算终端，计算终端进行计算得出载体轴线的相对于经纬仪基线的空间位置实测值，经纬仪基线引入真北后计算得到载体轴线的空间绝对位置实测值，将实测值与惯导装置测量值进行对比，来得出惯导装置的测量误差。

9.根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于：通过计算得出实用精度区，经纬仪基线布置在实用精度区内，以保证空间位置实测值的准确度。

10.根据权利要求9所述的测试装置，其特征在于：测试精度区域由纵向扫描步长和横向扫描步长限定，根据扫描模型和误差传递模型来计算得出测量误差值，所述扫描模型为：

其中，y＝基线长度AB，p_l＝被测线段ab长度，C、D分别指代第一十字标a和第二十字标b在通过基线AB的水平面上的垂直投影点；x为a点在通过基线的水平面上的投影点到基线的距离，h为a点到基线所在水平面距离，α为经纬仪基线AB与载体轴线ab在水平面上的方位夹角，ε为载体轴线ab与上述水平面之间的高低夹角，α₁，α₂分别是经纬仪A测量得到的第一十字标a和第二十字标b相对于基线AB的水平角；β₁，β₂分别是经纬仪B测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于基线BA的水平角；γ₁，γ₂分别为经纬仪A测量得到第一十字标a和第二十字标b相对于水平面的高低夹角。

11.一种确定惯导动态定向精度测试***实用精度区的方法，包括以下步骤：

第一步：构建双经纬仪交汇的高低向和方位向测角模型；

第二步：构建基于双经纬仪交汇的测角误差分析模型；

第三步：利用误差分析模型基于误差源计算仿真出经纬仪基线处于不同位置时的误差情况，根据可接受误差范围得出实用精度区；

第四步：设置不同的经纬仪基线长度值，分析在不同的经纬仪基线长度值下的实用精度区，选择最优经纬仪基线长度；

第五步：设定经纬仪基线为上述最优经纬仪基线长度值，计算出最优实用精度区。