CN109470275B - 一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法，该方法采用陀螺粗定向和北极星精定向的组合定向方案。陀螺粗定向是将陀螺安装在光电经纬仪转台上，利用地球自转角速度的分量在水平面各个方向不相等的原理，采用陀螺敏感不同位置点的地球角速度分量，结合陀螺输出和转台编码器信息即可得到光电经纬仪的粗定向结果。粗定向完成以后，控制光电经纬仪的视轴方位角等于粗定向角度，视轴的俯仰角等于当地纬度，把北极星引入光电经纬仪的视场，依据天文方位角计算软件，完成光电经纬仪精确定向。本发明方法定向精度高，定向速度快，填补了当前光电测量设备无法自主定向的空白，满足了机动布站的光电经纬仪自主定向的需求。

Description

一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法
技术领域
本发明涉及光电测控领域，具体涉及一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法。
背景技术
光电测量设备是指使用光学成像原理采集飞行目标信息，经处理得到所需目标特性参数，并获取飞行实况图像资料的专用测量***。高精度定向是光电测量设备工作的前提，目前光电测量设备采用瞄准事先建立的方位标来实现定向。该方法有两个缺点，一是需要事先建立方位标，费时费力；二是设备必须在方位标周围的特定点工作，无法机动布站。随着空中目标的多样化，现代光学测量对光电测量设备机动布站测量提出了需求，需要光电测量设备能在不依赖外部方位标的情况下实现高精度自主定向。
光电测量设备对定向精度的要求特别高，为角秒级，且定向基准必须映射到光电测量设备的编码器上，在不采用方位标的情况下定向难度比较大。在现代测量中，光电测量设备布站的位置可能是随机的，显然无法为光电测量设备提供用于定向的方位标。因此，通过光电测量设备自身完成高精度定向是实现机动布站测量的前提。
发明内容
本发明是要解决机动布站的光电经纬仪高精度自主定向的技术问题，以满足光电测量设备机动布站测量的要求。为解决以上技术问题，本发明采用陀螺粗定向和北极星精定向技术，自主确定光电测量设备北向基准。
本发明采用的技术方案为：一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法，该方法采用陀螺粗定向和北极星精定向，自主确定光电测量设备北向基准，具体步骤如下：
步骤一、粗定向装置主要由转台1，编码器2和陀螺仪3组成，陀螺仪3的敏感轴和转台(1)平面平行，粗定向步骤如下：
步骤1：静止情况下，在位置1采集陀螺仪3和编码器2的输出值，分别为ω1和θe1，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1；
步骤2：转台1转动180度到位置2，转台静止时，采集陀螺仪3和编码器2的输出值，分别为ω2和θe2，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN2，其中θgN2＝180°-θgN1，θe2＝180°+θe1；
步骤3：根据步骤1和步骤2采集的数据计算θgN1，
Figure BDA0001907556530000021
其中ωe和
Figure BDA0001907556530000022
分别为地球自转角速度和地理纬度，b为陀螺零偏，简化上式可得，
Figure BDA0001907556530000023
步骤4：在位置1时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1，此时编码器的值为θe1，因此，编码器零位和地理北向的夹角为θgN1+θe1；
步骤二、北极星精定向：根据步骤4所得的结果，控制光电经纬仪视轴运动，使其方位角等于θgN1+θe1＝θEN1，俯仰角等于地理纬度
Figure BDA0001907556530000024
此时粗定向的均方根误差为σg，可以将北极星引入光电经纬仪的视场内，光电经纬仪测得的北极星方位俯仰角分别为A1和E1；采用天文方位角计算软件，可得出北极星相对光电经纬仪站点的真实方位俯仰角A2和E2；根据测量值A1和E1和参考值A2和E2，修正光电经纬编码器的零点位置，即完成光电经纬的定向，定向值为A2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的光电经纬仪定向方法是通过陀螺粗定向结合北极星精定向实现的，不需要事先在光电经纬仪附近建立方位标来为设备提供方位基准，是一种自主定向方法，该方法填补了当前光电经纬仪无法自主定向的空白。本发明提供的方法为光电经纬仪机动布站测提供了方位基础，扩展了光电经纬仪的应用领域和应用范围。
附图说明
图1是本发明光电测量设备陀螺粗定向结构简图；
图2是本发明陀螺粗定向操作示意图；
图3是本发明光电测量设备精定向操作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
本发明提出的光电测量设备自主定向方法，不仅适用于固定站光电测量设备，也适合于机动布站的光电测量设备，不需要在光电测量设备附近建立方位标。首先采用陀螺粗定向，使定向精度满足将北极星引入光电测量设备视场的要求。光电测量设备找到北极星后，采用天文方位角计算软件，实现光电测量设备精确定向。
如图1所示，将陀螺仪3安装在转台1上，使得陀螺仪3的敏感轴和转台1的平面保持平行，编码器2对镜安装在转台两侧。
a.粗定向，按以下步骤进行定向：
步骤1：如图2所示，OE0为编码器的初始零位，OG1为陀螺仪在位置1的方向，ON为地理北向方向，转台在静止的情况下，在位置1采集陀螺仪和编码器的输出值的，分别为ω1和θe1，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1。
步骤2：转台转动180°到位置2，如图2所示，OG2为陀螺仪在位置2的方向，在转台静止时，采集陀螺仪和编码器的输出值，分别为ω2和θe2，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN2，其中θgN2＝180°-θgN1，θe2＝180°+θe1。
步骤3：陀螺仪的输出和陀螺敏感轴与北向夹角的关系为，
Figure BDA0001907556530000031
其中ωe和
Figure BDA0001907556530000032
分别为地球自转角速度和地理纬度，b为陀螺零偏，简化上式可得，
Figure BDA0001907556530000033
步骤4：在位置1时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1，此时编码器的值为θe1，因此，编码器零位和地理北向的夹角为θgN1+θe1。
b.精定向，如图3所示，OE0为编码器的初始零位，ON1为陀螺仪粗定向确定的地理北向，ON2为北极星确定的北向，σg为陀螺粗定向的均方根误差。控制光电测量设备视轴运动，使其方位角等于θgN1+θe1＝θEN1，俯仰角等于地理纬度
Figure BDA0001907556530000034
将北极星引入光电测量设备的视场，此时北极星在光电测量设备中的方位俯仰角分别为A1和E1。采用天文方位角计算软件，可得出北极星相对光电测量设备站点的真实方位俯仰角A2和E2。根据测量值A1和E1和参考值A2和E2，修正光电经纬编码器的零点位置，即完成光电经纬的定向，定向值为A2。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (1)

1.一种机动布站的光电经纬仪高精度自主定向方法，其特征在于：该方法采用陀螺粗定向和北极星精定向，自主确定光电经纬仪北向基准，具体步骤如下：
步骤一、粗定向装置由转台(1)，编码器(2)和陀螺仪(3)组成，陀螺仪(3)的敏感轴和转台(1)平面平行，粗定向步骤如下：
步骤1：静止情况下，在位置1采集陀螺仪(3)和编码器(2)的输出值，分别为ω1和θe1，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1；
步骤2：转台(1)转动180度到位置2，转台静止时，采集陀螺仪(3)和编码器(2)的输出值，分别为ω2和θe2，此时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN2，其中θgN2＝180°-θgN1，θe2＝180°+θe1；
步骤3：根据步骤1和步骤2采集的数据计算θgN1，
Figure FDA0003568065460000011
其中ωe和
Figure FDA0003568065460000012
分别为地球自转角速度和地理纬度，b为陀螺零偏，简化上式得，
Figure FDA0003568065460000013
步骤4：在位置1时陀螺敏感轴和北向的夹角为θgN1，此时编码器的值为θe1，因此，编码器零位和地理北向的夹角为θgN1+θe1；
步骤二、北极星精定向：根据步骤4所得的结果，控制光电经纬仪视轴运动，使其方位角等于θgN1+θe1＝θEN1，俯仰角等于地理纬度
Figure FDA0003568065460000014
此时粗定向的均方根误差为σg，将北极星引入光电经纬仪的视场内，光电经纬仪测得的北极星方位俯仰角测量值分别为A1和E1；采用天文方位角计算软件，得出北极星相对光电经纬仪站点的方位俯仰角参考值A2和E2；根据方位俯仰角测量值A1和E1和方位俯仰角参考值A2和E2，修正编码器(2)的零点位置，即完成光电经纬仪的定向，定向值为A2。
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