CN117824712A

CN117824712A - 一种机动平台惯导标定方法

Info

Publication number: CN117824712A
Application number: CN202410233866.0A
Authority: CN
Inventors: 曾彭; 习靖; 王鹏毅; 成亚勇; 朱明明; 邵文波; 田佳雨; 李迎春; 张同彤; 张帆; 廖小虎
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2024-03-01
Filing date: 2024-03-01
Publication date: 2024-04-05

Abstract

本发明提供了一种机动平台惯导标定方法，属于测控、雷达技术领域；其具体步骤首先完成测控天线的光电轴一致性标定，再构建机动测控平台的光学校准环境，使微光电视对准远场光学靶标，测量光学靶标和测控天线的高精度位置信息，通过电轴指向与惯导初始标定的误差，修正惯导输出姿态，使惯导输出姿态信息与载车姿态一致，输出位置信息与测控天线相心重合，完成惯导姿态和位置的高精度标定。本发明仅用一个光学靶标即可完成载车机动测控平台的高精度惯导标定，且降低了对标定基准目标数量和环境要求，可全天候执行，具有普适性。

Description

一种机动平台惯导标定方法

技术领域

本发明涉及到测控、雷达领域，特别涉及一种机动平台惯导标定方法。

背景技术

在机动测控领域中，要求***机动过程中完成目标测控任务，一方面要求天线伺服控制和目标跟踪***具有车船摇隔离能力，能够在平台机动情况下实现目标稳定跟踪，另一方面需要具备高精度测姿测位能力，实时获取载车/船***置和姿态，修正载车/船体机动引起的目标指向偏差。机动平台一般通过高精度惯导实时获取平台位置和姿态信息，惯导安装后通过标定消除安装误差，使惯导输出的位置、姿态信息与测控天线保持一致。载车机动的测控技术为近年开始发展的新技术，目前关于载车机动平台标定的方法研究较少。载车机动平台的惯导标定方法可借鉴船载平台的标校方法，常规方案为采用多星定位确定惯导坐标系与船体坐标系的转移矩阵，并对惯导输出数据进行修正。该方法存在的主要问题是：

1）标定受时间和天气限制，由于需要对星标校，一般只能在天气晴朗的晚上工作；

2）需要目标数量较多，一般需要3颗以上星以获得准确的转移矩阵；

3）对星标校受大气环境影响，容易产生较大误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机动平台惯导标定方法。该设计可用于载车机动测控平台的惯导标定，且对标定环境要求较低，可全天候执行，仅需一个光学靶标即可完成惯导标定。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种机动平台惯导标定方法，具体包括以下方法：

步骤1，安装微光电视，并使其镜头朝向天线来波方向，完成光电轴一致性标校；

步骤2，将载车置于硬地路面，车辆熄火并处于静止状态，首先对大盘水平进行粗调平；之后，通过载车的调节调平机构，使载车底盘处于水平，即载车坐标系水平面与导航坐标系水平面/>平行，调整后大盘水平精度要优于预设精度/>；

步骤3，通过大地测量及载车结构参数计算，得到载车上的测控天线相心在ENU坐标系下的坐标；

步骤4，通过合象水平仪对大盘水平进行细调平，使大盘水平精度满足预设精度；

步骤5，惯导开机进行粗对准和精对准，获得惯导坐标系与导航坐标系的姿态矩阵，即惯导航向角、纵摇角/>和横摇角/>，并使纵摇角与横摇角数据近似为/>，即；

步骤6，将光学靶标置于天线远场位置，通过微光电视将测控天线对准光学靶标方向，测量光学靶标中心在ENU坐标系下的坐标；读出天线水平编码器的数值/>，即测控天线指向方位与载车坐标系方位0°的夹角；

步骤7，修正惯导输出的姿态矩阵，使惯导坐标系与载车坐标系重合；

步骤8，测量测控天线相位中心与惯导中心的三维坐标，修正惯导位置信息，使惯导输出位置中心与测控天线相位中心重合。

进一步的，应用的机动平台包括载车、方舱、测控天线、测控设备、惯导、微光电视和光学靶标；所述载车包括牵引车和半挂车，半挂车通过牵引车牵引，半挂车底盘四周安装调平机构；方舱安装于半挂车上，包含设备舱和天线舱；其中，测控天线安装于天线舱，与半挂车底盘固连；惯导安装于测控天线套筒侧面的惯导安装平台；微光电视安装于测控天线后方，镜头朝向天线来波方向；测控设备安装于设备舱；光学靶标位于载车外远场区域。

进一步的，所述步骤3中的ENU坐标系与导航坐标系重合。

进一步的，所述步骤4的具体过程为：

步骤401，在测控天线方位转盘平台上放置合象水平仪，合象水平仪旋钮端朝向方位旋转中心，固定天线仰角；

步骤402，从0°开始，转动天线方位，每隔15°读取合象水平仪读数和方位编码器读数/>一次，直到345°；整理数据，从中找出大盘最大倾斜方位/>和最大倾斜量/>；

步骤403，通过调整调平机构校正大盘水平度，然后重复步骤402，直到大盘水平度最大值满足预设精度。

进一步的，所述步骤7的具体过程如下：

首先，修正惯导输出纵摇角和横摇角为，即/>，其次，修正惯导输出航向角为/>；其中，/>为测控天线相位中心与光学靶标连线矢量在导航坐标系水平面的投影与导航坐标系方位0°的夹角，

，

其中，，abs表示绝对值，atan表示取反正切。

进一步的，步骤1中的光电轴一致性标校的具体过程如下：

步骤101，将标校天线与光学靶标置于远场区域；

步骤102，光学靶标与标校天线相对位置，与微光电视与测控天线中心相对位置呈镜像对称；

步骤103，标校天线发射标校信号，使测控天线电轴中心对准标校天线；

步骤104，调整微光电视使光轴对准光学靶标，此时电轴与光轴两条直线呈平行状态；

上述光电轴一致性的误差为：，单位为角秒，其中/>表示光学靶标读数误差，为刻度盘的最小刻度单位，/>表示微光电视与光学靶标之间的距离；

选择合适的距离，使光电轴一致性误差/>＜/>，/>为惯导导航精度，单位角秒；标校天线应满足远场条件，即标校天线与测控天线距离/>，其中，/>为测控天线直径，/>为标校信号载波波长。

进一步的，所述大盘水平粗调预设精度等于调平机构的调平精度，细调精度/>小于惯导导航精度/>；大盘水平粗调过程通过调平机构自动调平或手动调平。

进一步的，所述载车的测控天线和光学靶标位置测量采用差分GPS或全站仪等高精度测量方法，使定位误差引起的方位误差低于惯导航向精度，即位置误差，其中，/>为光学靶标与测控天线在导航坐标系水平面/>的投影距离。

本发明具有的有益效果主要如下：

1.本发明提供了一种机动平台的惯导标定方法，解决了载车机动条件下的惯导标定难题，为实现机动测控打下基础。

2.本发明可全天候执行，不受气候环境影响。

3.本发明仅需要1个光学靶标作为基准，降低了对基准目标条件的约束。该方法也可用于对星标校，仅需一颗星即可完成标校。

4.本发明通过高精度位置测量，获取目标高精度指向信息，因而可以获得更高的惯导标定精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是机动平台的惯导标定流程原理示意。

图2是光电轴一致性标校原理示意。

图3是机动测控平台结构收藏外观示意图。

图4是机动测控平台结构展开外观示意图

图5是标校天线置于标校杆的示意图。

图6是对星标校的示意图。

图7是导航坐标系O_nX_nY_nZ_n和地理坐标系ENU 的示意图。

图8是载车坐标系O_bX_bY_bZ_b的示意图。

图9是惯导标定俯视角度示意。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

机动平台的惯导标定流程如图1所示，其中在惯导7标定前首先完成光电轴一致性标定，如图2所示，其中，P为天线中心与微光电视10的距离，也等于标校天线13与光学靶标10的距离。

标定方法的具体过程如下为：①将标校天线13与光学靶标10位于远场区域；②光学靶标10与标校天线13相对位置，与微光电视8与测控天线6中心相对位置呈镜像对称；③标校天线13发射标校信号，使测控天线6电轴中心对准标校天线13；④调整微光电视8使光轴对准光学靶标10，此时电轴与光轴两条直线呈平行状态。光电轴一致性误差约为：，单位为角秒，其中/>表示光学靶标10读数误差，一般为光标最小刻度长度，/>表示微光电视8与光学靶标10之间的距离。选择合适的距离/>，使光电轴一致性误差/>＜/>，/>为惯导导航精度，单位角秒。同时标校天线13也满足远场条件，即标校天线13与测控天线6距离/>，其中，/>为测控天线直径，/>为标校信号载波波长。微光电视10和标校天线13的安放位置应同时满足/>和/>的距离要求。

对于某测控***，导航精度要求＜20″，/>=0.01m，则/>≥103.2m；同时计算测控天线6远场区域/>≥2000m，因此微光电视10和标校天线13的安放位置应≥2000m。

机动测控平台结构组成和外观示意图如图3和图4所示，参照图3，将载车置于硬地路面，车辆熄火处于静止状态，对大盘水平进行粗调平。通过调节调平机构4，使载车底盘处于水平，即载车坐标系水平面与导航坐标系水平面/>平行，调整后大盘水平精度优于预设精度/>；/>一般为大盘调平精度，在某测控***中大盘调平精度约为0.05°（即180″），具体参照图4；

参照图5至图8，通过大地测量，并根据载车结构参数计算，得到测控天线6相心的在ENU坐标系下的坐标，一般来说，ENU坐标系与导航坐标系/>重合；

参照图6，需要对准的星星14，使用合象水平仪对大盘水平进行细调平，使大盘水平精度满足预设精度。具体方法为：在测控天线6方位转盘平台上放置合象水平仪，合象水平仪旋钮端朝向方位旋转中心，固定天线仰角；从0°开始，转动天线方位，每隔15°读取合象水平仪读数/>和方位编码器读数/>一次，直到345°；整理数据，从中找出大盘不水平最大倾斜方位/>和最大倾斜量/>；通过调整调平机构4可以校正大盘不水平度，然后重复本步骤过程，直到大盘不水平度最大值满足预设精度/>；/>应小于惯导7航向精度/>，在某测控***中航向精度/>＜20″，合象水平仪测量精度/>＜10″，能够满足要求；

惯导开机进行粗对准和精对准，获得惯导坐标系与导航坐标系的姿态矩阵，即惯导航向角、纵摇角/>和横摇角/>，此时纵摇角与横摇角数据近似为0°，即/>；

如图9所示，光学靶标10置于天线远场位置，可置于车头标校杆、标校塔或其他满足标校条件的高地，如山顶、建筑物顶等；使用微光电视8将对准光学靶标10，测量光学靶标10中心在ENU坐标系下的坐标；读出天线水平编码器的数值/>，即测控天线6指向方位与载车坐标系方位0°的夹角；

修正惯导7输出的姿态矩阵，使惯导7坐标系与载车坐标系重合，具体为：修正惯导7输出纵摇角、横摇角为0°，即，修正惯导7输出航向角为/>，其中/>为载车与光学靶标10连线矢量在导航坐标系水平面/>的投影与导航坐标系方位0°（即正北）的夹角，/>，/>；

测量测控天线6相位中心与惯导7中心的三维坐标，修正惯导7位置信息，使惯导7输出位置中心与测控天线6相位中心重合。

载车底盘与测控天线6有稳固的连接，且测控天线6方位旋转平台与载车底盘平行；惯导7安装平台与测控天线6有稳固的连接，测控天线6竖起时，且惯导7安装平台与测控天线6方位旋转平台平行；惯导7安装于惯导安装平台，并且有稳固的连接，保证在载车机动及天线起伏过程中不发生位置移动。

载车测控天线6和光学靶标10位置测量可采用差分GPS、全站仪等方法，定位误差引起的方位误差应低于惯导航向精度，即位置误差，其中，/>为光学靶标10与测控天线6在导航坐标系水平面/>的投影距离，/>为惯导7导航精度，单位角秒。

通过以上方法，可实现载车机动平台下的惯导7高精度标定。

本实施例依托的机动平台包括载车、方舱5、测控天线6、测控设备9、惯导7、微光电视8、光学靶标10等部分；其中载车包括牵引车1和半挂车2，半挂车2底盘四周安装调平机构4；方舱5安装于半挂车2上，包含设备舱11和天线舱12；测控天线6安装于天线舱12，与半挂车2底盘固连；惯导7安装于测控天线6套筒侧面的惯导安装平台；微光电视8安装于测控天线6后方，镜头朝向天线来波方向；测控设备9安装于设备舱11；光学靶标10位于载车外远场区域。

Claims

1.一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，具体包括以下方法：

步骤1，安装微光电视（8），并使其镜头朝向天线来波方向，完成光电轴一致性标校；

步骤2，将载车置于硬地路面，车辆熄火并处于静止状态，首先对大盘水平进行粗调平；之后，通过调节载车的调平机构（4），使载车底盘处于水平，即载车坐标系水平面与导航坐标系水平面/>平行，调整后大盘水平精度要优于预设精度/>；

步骤3，通过大地测量及载车结构参数计算，得到载车上的测控天线（6）相心在ENU坐标系下的坐标；

步骤5，惯导（7）开机进行粗对准和精对准，获得惯导坐标系与导航坐标系的姿态矩阵，即惯导航向角、纵摇角/>和横摇角/>，并使纵摇角与横摇角数据近似为/>，即；

步骤6，将光学靶标（10）置于天线远场位置，通过微光电视（8）将测控天线对准光学靶标（10）方向，测量光学靶标（10）中心在ENU坐标系下的坐标；读出天线水平编码器的数值/>，即测控天线（6）指向方位与载车坐标系方位0°的夹角；

步骤7，修正惯导（7）输出的姿态矩阵，使惯导坐标系与载车坐标系重合；

步骤8，测量测控天线（6）相位中心与惯导（7）中心的三维坐标，修正惯导（7）位置信息，使惯导（7）输出位置中心与测控天线（6）相位中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，应用的机动平台包括载车、方舱（5）、测控天线（6）、测控设备（9）、惯导（7）、微光电视（8）和光学靶标（10）；所述载车包括牵引车（1）和半挂车（2），半挂车（2）通过牵引车（1）牵引，半挂车底盘四周安装调平机构（4）；方舱（5）安装于半挂车（2）上，包含设备舱（11）和天线舱（12）；其中，测控天线（6）安装于天线舱（12），与半挂车（2）底盘固连；惯导（7）安装于测控天线（6）套筒侧面的惯导安装平台；微光电视（8）安装于测控天线（6）后方，镜头朝向天线来波方向；测控设备（9）安装于设备舱（11）；光学靶标（10）位于载车外远场区域。

3.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，所述步骤3中的ENU坐标系与导航坐标系重合。

4.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：

步骤401，在测控天线（6）方位转盘平台上放置合象水平仪，合象水平仪旋钮端朝向方位旋转中心，固定天线仰角；

步骤402，从0°开始，转动天线方位，每隔15°读取合象水平仪读数和方位编码器读数一次，直到345°；整理数据，从中找出大盘最大倾斜方位/>和最大倾斜量/>；

步骤403，通过调整调平机构（4）校正大盘水平度，然后重复步骤402，直到大盘水平度最大值满足预设精度。

5.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，所述步骤7的具体过程如下：

首先，修正惯导（7）输出纵摇角和横摇角为，即/>，其次，修正惯导（7）输出航向角为/>；其中，/>为测控天线（6）相位中心与光学靶标（10）连线矢量在导航坐标系水平面/>的投影与导航坐标系方位0°的夹角，

，

其中，，abs表示绝对值，atan表示取反正切。

6.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，步骤1中的光电轴一致性标校的具体过程如下：

步骤101，将标校天线（13）与光学靶标（10）置于远场区域；

步骤102，光学靶标（10）和标校天线（13）相对位置，与微光电视（8）和测控天线中心相对位置呈镜像对称；

步骤103，标校天线（13）发射标校信号，使测控天线（6）电轴中心对准标校天线（13）；

步骤104，调整微光电视（8）使光轴对准光学靶标（10），此时电轴与光轴两条直线呈平行状态；

上述光电轴一致性的误差为：，单位为角秒，其中/>表示光学靶标（10）读数误差，为刻度盘的最小刻度单位，/>表示微光电视（8）与光学靶标（10）之间的距离；

选择合适的距离，使光电轴一致性误差/>＜/>，/>为惯导（7）导航精度，单位角秒；标校天线（13）应满足远场条件，即标校天线（13）与测控天线（6）距离/>，其中，/>为测控天线（6）直径，/>为标校信号载波波长。

7.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，所述大盘水平粗调预设精度等于调平机构（4）的调平精度，细调精度/>小于惯导（7）导航精度/>；大盘水平粗调过程通过调平机构（4）自动调平或手动调平。

8.根据权利要求1所述的一种机动平台惯导标定方法，其特征在于，所述载车的测控天线（6）和光学靶标（10）位置测量采用差分GPS或全站仪等高精度测量方法，使定位误差引起的方位误差低于惯导（7）航向精度，即位置误差/>，其中，/>为光学靶标（10）与测控天线（6）在导航坐标系水平面/>的投影距离。