CN110220536B - 一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卫星定向的车载捷联惯性组合野外快速标校装置及方法。装置具有地面观瞄设备和多旋翼无人机设备；包括卫星主接收机及主天线、瞄准与跟踪相机、准直光管、稳瞄平台、光电码盘以及三角支架、无人机、高精度稳定云台、卫星从接收机、从天线及特殊目标。车载捷联惯性组合野外快速标校方法包括5大步骤：架设地面观瞄设备，对棱镜进行准直，记录光电码盘的读数；放飞多旋翼无人机确定无人机目前的位置；解算的实时基线信息；对特殊目标进行瞄准和跟踪；结合准直码盘读数，计算车载惯性组合的棱镜光轴内法线的方位角。本发明解决了车载捷联惯性组合在野外长时间运行后，由于无方位基准而无法对过大的累积误差进行标校的问题。

Description

一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置及方法

技术领域

本发明属于车载惯性组合定向技术领域，涉及一种基于卫星定向的车载捷联惯性组合野外快速标校装置及方法。

背景技术

基于车载捷联惯性组合的定位定向技术具有可维护性好、成本低且不易受外界干扰等优点，能够在野外环境下对行进中车辆提供较高精度的位置和方位信息，很多军用大型车辆和民用车辆定位定向都采用了该类技术方案。车载捷联惯性组合能够进行定向的前提是必须在特定地点首先对捷联惯性组合的敏感轴方向与现有方位基准进行高精度对准，然后以此对准值为基准，在车辆后续行进中再进行方位解算。但是由于捷联惯性组合中陀螺仪存在信号漂移问题，车辆经过一段时间的运动，随着计算时间的积累，车载捷联惯性组合的方位解算误差会越来越大，如果不对捷联惯性组合的敏感轴方向进行重新标校，将直接造成定向精度的降低。

在本发明以前的国内外现有技术中，针对捷联惯性组合的对准技术研究主要集中在粗对准和精对准方面。粗对准只利用惯性组合自身的加速度计和陀螺仪数据，为精对准的顺利进行提供保障；而精对准需要需要在有精确的方位基准的条件下进行，但是现实中，在野外环境下一般没有高精度的方位基准可供使用，对车辆长距离机动下的定向精度有很大影响，目前尚未见到解决该问题的相关报道。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于：提供一种车载捷联惯性组合的方位基准野外快速标定装置与方法，在野外环境下为车载定位定向设备提供高精度方位基准。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明方法一种车载捷联惯性组合野外快速标校方法的基本构思是利用卫星高精度定向设备在野外无方位基准的环境下进行快速的方位测量，并利用测量结果作为对车载捷联惯性组合的敏感轴进行标校的高精度基准，以达到解决野外环境下由于误差累计导致的惯性组合的方位角精度降低的目的。

本发明首先提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：具有地面观瞄设备和多旋翼无人机设备；所述的地面观瞄设备包括：卫星主接收机及主天线、瞄准与跟踪相机、准直光管、稳瞄平台、光电码盘以及三角支架；所述的多旋翼无人机设备包括：无人机、高精度稳定云台、卫星从接收机、从天线及特殊目标；

本发明进一步提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：所述卫星主接收机用于处理观瞄设备中卫星主天线和无人机卫星从天线接收到的数据，内置具有无线通信模块，与无人机中卫星从接收机进行无线通信，接收无人机设备发出的观测信息及状态信息；

本发明进一步提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：所述主天线接收卫星信号，其几何中心在准直光管竖轴上；所述瞄准与跟踪相机的光轴和准直光管的光轴平行，且准直光管与跟踪相机竖轴同轴刚性连接；所述高精度稳定云台上安装从天线；所述特殊目标与从天线刚性连接。

本发明进一步提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：所述光电码盘通过光电设置读取数字并显示准直光管转动的角度，与准直光管竖轴同轴；所述三角支架支撑及调平地面观瞄设备。

本发明进一步提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：所述高精度稳定云台安装有从天线；所述特殊目标与从天线刚性连接，用于被地面设备中的瞄准与跟踪相机跟踪。

本发明进一步提供一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：所述卫星从接收机内置无线通信模块，用于将从天线接收的数据及其他相关信息发送至地面主接收机，并接收地面发来的相关数据。

本发明一种车载捷联惯性组合野外快速标校方法，包括以下步骤：

步骤1：架设地面观瞄设备，并用地面观瞄设备中的准直光管对车载惯性组合的棱镜进行准直，记录准直后光电码盘的读数b_准直＝b₀；

步骤2：放飞多旋翼无人机，使其开始向悬停点飞行，并将无人机上天线所观测的卫星数据实时回传至地面观瞄设备的主接收机中，从而进行定向过程的相关解算，得到方位角α及基线长度信息l，用于确定无人机目前的位置；

步骤3：根据步骤2解算的实时基线信息l，将多旋翼无人机悬停于所设定的距离处。

步骤4：地面观瞄设备中的瞄准相机在步骤1和步骤3完成后，根据无人机方位，利用瞄准与跟踪相机对无人机上的特殊目标进行瞄准和跟踪；

步骤5：在瞄准与跟踪相机对特殊目标完成瞄准后，记录光电码盘读数b_跟踪＝b₁，并根据时间信息将其与卫星定向结果α＝α₁进行对应，最后结合准直码盘读数b₀，计算可得到车载惯性组合的棱镜光轴内法线的方位角α_棱镜＝α₁-(b₁-b₀)。

针对野外环境下无可供使用的方位基准的现状，本发明能够在野外环境下提供方位基准，较好地解决了车载捷联惯性组合在野外长时间运行后，由于无方位基准而无法对过大的累积误差进行标校的问题。

附图说明

图1为总体方案示意图；

图2为总体方案的俯视图；

图3为地面观瞄设备的示意图；

图4为无人机设备的示意图；

图5为角度关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明。

本发明一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，具有地面观瞄设备1和多旋翼无人机设备2。利用此装置对车载捷联惯性组合3进行标校。结合图2、图3和图4，分别对野外快速标校装置内部结构进行分析如下：

参见图3：所述地面观瞄设备包括：卫星主接收机4及主天线5、瞄准与跟踪相机6、准直光管7、稳瞄平台8、光电码盘9以及三角支架10；主天线5几何中心在准直光管7竖轴上，瞄准与跟踪相机6的光轴和准直光管7的光轴平行，且准直光管7与瞄准与跟踪相机6竖轴同轴刚性连接，光电码盘9与准直光管7竖轴同轴，且能够显示准直光管7转动的角度。

参见图4：所述多旋翼无人机设备包括：无人机11、高精度稳定云台12、卫星从接收机13及从天线14及特殊目标15；高精度稳定云台12上安装从天线14，用于在无人机悬停时保持从天线稳定，特殊目标15与从天线14刚性连接，用于被地面设备中的瞄准与跟踪相机6跟踪。

参见图5：对本发明一种车载捷联惯性组合野外快速标校方法的构思原理进行详细描述如下：

在车辆长时间运行后，由于误差累计车载捷联惯性组合输出的方位角精度会大大下降，即α_棱镜精度很差，需要进行重新标校。本发明利用上述快速标校装置，可以测量出地面主天线5的几何中心与无人机上从天线14的几何中心组成的基线矢量的方位角α；之后通过转动地面观瞄设备，分别读取准直光管7与车载捷联惯性组合棱镜和无人机特殊目标15准直时的光电码盘的数据b_跟踪、b_准直，确定基线矢量与车载接连贯性组合的棱镜光轴内法线之间的夹角；最终即可求解车载接连贯性组合的棱镜光轴内法线的方位角α_棱镜＝α-(b_跟踪-b_准直)。

本发明一种车载捷联惯性组合野外快速标校方法操作步骤如下：

步骤1：架设地面观瞄设备，如图1和图2所示，并用地面观瞄设备中的准直光管对车载捷联惯性组合的棱镜进行准直，记录准直后码盘的读数b_准直，观瞄设备的基本结构如图3；

所述的惯性组合为捷联惯性组合设备，其外部的棱镜与惯性组合敏感轴存在固定的夹角；

步骤2：放飞多旋翼无人机使其开始向悬停点飞行，并将无人机上从天线14观测的卫星数据实时回传至地面观瞄设备的卫星主接收机4中，然后进行定向过程解算得到基线矢量，进而得到方位角α及基线长度l，其中基线指主天线几何中心指向从天线几何中心的矢量，方位角指基线矢量与北向的夹角，基线长度为主天线与从天线间的几何距离；无人机的基本结构如图4；卫星天线和接收处理设备具备多个频段甚至多个星座的处理能力；方位角α解算过程中模糊度的解算采用两种可选方式：一是多历元观测的快速解算方式，无人机先静态解算模糊度然后飞离；二是单历元模糊度解算方式，无人机边飞行边实时解算模糊度。

步骤3：根据步骤2解算的实时基线矢量及基线长度l，将多旋翼无人机悬停于所设定的距离处；

步骤4：步骤1和步骤3完成后，根据无人机方位，利用瞄准与跟踪相机6对无人机上特殊目标15进行瞄准和跟踪，如图1和图2所示；在对无人机上的特殊目标进行瞄准跟踪时采用两种方式：一自动方式；二手动方式；自动方式是指结合车载捷联惯性组合中棱镜输出的粗略方位和卫星定向输出的方位及俯仰信息，初步确定瞄准光轴与无人机之间的大致夹角，观瞄设备利用此夹角对无人机上特殊目标15进行自动瞄准；手动方式则是在准直结束后，手动调整观瞄设备的光轴方向使其对准无人机；

步骤5：地面观瞄设备根据跟踪无人机上特殊目标时光电码盘读数b_跟踪与卫星定向结果α之间的一一对应关系，并结合准直码盘读数b_准直以及图5所示的具体角度关系，计算车载捷联惯性组合中棱镜光轴的方位角α_棱镜＝α-(b_跟踪-b_准直)。

Claims (2)

1.一种车载捷联惯性组合野外快速标校装置，其特征在于：具有地面观瞄设备和多旋翼无人机设备；所述的地面观瞄设备包括：卫星主接收机及主天线、瞄准与跟踪相机、准直光管、稳瞄平台、光电码盘以及三角支架；所述的多旋翼无人机设备包括：无人机、高精度稳定云台、卫星从接收机、从天线及特殊目标；所述地面观瞄设备中的卫星主接收机用于处理观瞄设备中卫星主天线和无人机卫星从天线接收到的数据，内置有无线通信模块，与无人机中卫星从接收机进行无线通信，接收无人机设备发出的观测信息及状态信息；所述地面观瞄设备中的主天线接收卫星信号，其几何中心在准直光管竖轴上；所述地面观瞄设备中的瞄准与跟踪相机的光轴和准直光管的光轴平行，且准直光管与跟踪相机竖轴同轴刚性连接；所述高精度稳定云台上安装有从天线；所述光电码盘通过光电设置读取数字并显示准直光管转动的角度，与准直光管竖轴同轴；所述地面观瞄设备的支撑及调平依靠三角支架；所述高精度稳定云台安装有从天线；所述特殊目标与从天线刚性连接；所述卫星从接收机内置无线通信模块，用于将从天线接收的数据及其他相关信息发送至地面主接收机，并接收地面发来的相关数据。

2.一种根据权利要求1所述的车载捷联惯性组合野外快速标校装置的野外快速标校方法，包括以下步骤：

步骤1：架设地面观瞄设备，并用地面观瞄设备中的准直光管对车载惯性组合的棱镜进行准直，记录准直后光电码盘的读数b_准直＝b₀；

步骤2：放飞多旋翼无人机，使其开始向悬停点飞行，并将无人机上天线所观测的卫星数据实时回传至地面观瞄设备的主接收机中，从而进行定向过程的相关解算，得到方位角α及基线长度信息l，用于确定无人机目前的位置；

步骤3：根据步骤2解算的实时基线信息l，将多旋翼无人机悬停于所设定的距离处；

步骤4：地面观瞄设备中的瞄准相机在步骤1和步骤3完成后，根据无人机方位，利用瞄准与跟踪相机对无人机上的特殊目标进行瞄准和跟踪；

步骤5：在瞄准与跟踪相机对特殊目标完成瞄准后，记录光电码盘读数b_跟踪＝b₁，并根据时间信息将其与卫星定向结果α＝α₁进行对应，最后结合准直码盘读数b₀，计算可得到车载惯性组合的棱镜光轴内法线的方位角α_棱镜＝α₁-(b₁-b₀)。

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