一种双天线接收机位置姿态精度测试平台及测试方法与流程

本发明涉及农业机械双天线(GNSS)接收机定位测姿的技术领域，特别涉及一种双天线接收机位置姿态精度测试平台及测试方法。

背景技术：

农业机械自动导航是精准农业技术体系中的一项核心关键技术，广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。位置和姿态信息是农业机械自动导航控制中的重要参数，研究定位和测姿精度对于农业机械导航控制具有重要意义。

目前，常见的农机定位方法有2种，一是相对位置测量，即测量农机与导航基线的相对位置测量，典型的相对位置测量方法是基于机器视觉的位置测量方法。另一种是绝对位置测量，即测量农机在地理空间中的绝对位置，代表性的是基于全球导航卫星系统(GNSS)的位置测量方法。GNSS定位技术因其具有精度高、速度快、操作简便、全球布网、全天候作业、三维坐标定位、精确授时等优点，在车辆导航、精细农业、大地测量、资源调查等技术领域获得广泛应用。随着载波相位查分技术的发展，GNSS定位精度不断提高。不同的GNSS技术应用领域，对GNSS定位精度有不同的要求。GNSS定位精度成为各相关应用领域和行业关注的焦点。

传统的农机高精度测姿是利用惯性导航来实现的，其设备复杂、价格昂贵、启动速度慢、维修困难，同时还具有在动态测量中因陀螺仪漂移而导致累积误差越来越大这一致命弱点。GNSS最早是为精确授时和定位服务设计，随着对它的深入研究和应用挖掘，其潜在的高精度姿态测量能力得到了广泛的关注。目前，基于多天线的卫星导航系统姿态测量技术已经成为其应用研究领域的一个重要分支。基于卫星导航系统的姿态测量技术可以完美的克服惯性导航的缺点，它具有稳定性好、成本低廉、精度高、实时性好、无需初始校正和无时间累积误差等优点。姿态精度是衡量测姿方法的最重要指标，采用合理的方法测试双天线接收机测姿精度对于评估接收机是否可以直接或间接(经信息处理)用于农业机械导航或其他相关应用领域具有重要的指导意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双天线接收机位置姿态精度测试平台及测试方法，可测试不同基线长度不同速度下双天线接收机的位置和姿态的动静态精度，解决双天线接收机定位测姿精度评价难的问题。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种双天线接收机位置姿态精度测试平台，包括支撑装置、直线导轨和牵引系统，所述直线导轨固定在支撑装置的上端，所述牵引系统牵引设置在直线导轨上的平面滑台进行移动，所述支撑装置固定在护栏钢管上；

所述支撑装置包括升降支架和旋转支架，所述升降支架用于调节支撑装置的高度，所述旋转支架用于调节支撑装置的水平倾角；所述升降支架设置在护栏钢管上，所述旋转支架设置在升降支架上；

所述直线导轨采用内置双轴芯滚轮直线导轨，包括开口朝上的U型槽导轨、设于U型槽导轨上方的滑块以及平面滑台

所述牵引系统包括调速电机、传动轮、齿轮皮带、限位开关以及固连装置，所述固连装置将调速电机和传动轮分别固定在直线导轨两端的护栏钢管上，齿轮皮带与调速电机、传动轮相连，齿轮皮带的一侧和平面滑台固定在一起，限位开关设置在U型槽导轨的两端。

作为优选的技术方案，所述升降支架由内层钢管和外层钢管组成，所述内层钢管一侧开有升降螺纹，外层钢管对应侧设有波轮旋钮，所述波轮旋钮与所述升降螺纹相匹配；所述外层钢管的对面一侧设有两个旋紧蝴蝶螺丝。

作为优选的技术方案，所述内层钢管高出外层钢管，螺纹侧相邻的两侧上端开有螺纹通孔，所述旋转支架是套接在内层钢管上端的弧形结构，该弧形结构下端开有通孔，用蝴蝶螺丝和内层钢管上端的通孔固连，所述弧形结构的上端平面中间有平行于弦长的长腰孔，用于固定U型槽导轨。

作为优选的技术方案，在U形槽导轨开口端内的两侧壁上对称设有弧面滑轨槽，在弧面滑轨槽内嵌装有钢筋轴，滑块的中部吊装有若干个凹面滚轮，凹面滚轮垂直向下延伸至U形槽导轨的开口端之间并与两侧的钢筋轴互配后保持直线滑动连接。

作为优选的技术方案，所述U形槽导轨底部每隔10cm有一个通孔，用于将导轨安装固定在支撑装置的上面。

作为优选的技术方案，所述平面滑台将三个滑块固连，平面滑台上面每隔20cm设有一个安装GNSS天线的天线安装孔，平面滑台的一侧留有第一螺孔，用于和齿轮皮带固连。

作为优选的技术方案，所述调速电机配有控制器，控制器面板上设有电源开关、正反转按钮、调速旋钮和转速显示表；所述控制器可对电机转动控制和速度监控。

本发明的一种双天线接收机位置姿态精度测试平台的测试方法，包括测试平台安装调整和数据获取处理两个过程：

(1)测试平台的安装调整过程包括步骤：

(1-1)用金属抱箍将支撑装置安装在楼顶护栏钢管上，每隔L距离安装一个，旋紧金属抱箍，将支撑装置安装牢固；

(1-2)将水平仪放置在支撑平台的上方，调节旋转支架，直到水平仪倾角显示为0，旋紧旋转螺丝，使旋转支架紧固；

(1-3)利用游标卡尺测量支撑装置上端平面距护栏钢管的高度，使所有支撑平台上端平面距护栏钢管高度一致；

(1-4)将多段U型槽导轨安装在支撑平台上，沿U型槽导轨拉一条辅助直线，微调多段U型槽导轨衔接处，使导轨对齐直线以保证整段导轨的直线度，将U型槽导轨紧固在支撑平台旋转支架上端平面的长腰孔上；

(1-5)平面滑台固连在滑块上端，将水平仪横向放置在平面滑台上，滑动平面滑台观察水平仪在整段导轨上的倾角，如水平仪在某段导轨上倾角不为0，则调整附近支撑装置的旋转支架使滑台倾角为0，以校正滑台在整段导轨上水平；将水平仪纵向放置在平面滑台上，滑动平面滑台观察水平仪在整段导轨上的倾角，如水平仪在某段导轨上的倾角不为0，则调整附近支撑装置的升降支架使水平仪倾角为0，以校正滑台在整段导轨上等高；

(1-6)将传动轮和调速电机安装在直线导轨两端的护栏钢管上，齿轮皮带与传动轮、调速电机相连，齿轮皮带的一侧和滑台固定在一起；

(1-7)试启动电机，进行正反转操作，逐渐由低速到高速，查看平台稳定性及限位可靠性(2)数据获取及处理过程包括步骤：

(2-1)静态定位数据获取：将主天线安装在平面滑台的天线安装孔上，在平面滑台静止状态下采集M组定位数据；

(2-2)动态定位数据获取：将主天线安装在平面滑台的天线安装孔上，调节调速电机的速度，获取不同速度下双天线接收机动态定位数据，每次平面滑台从左端移动到右端为一组实验数据，每个速度水平采集N组数据；

(2-3)静态姿态数据获取：将主天线固定在平面滑台第一个天线安装孔上，从天线安装在第2个天线安装孔，在平面滑台静止状态下采集M组静态航向角、倾斜角数据，再依次将从天线安装在第3至最后一个天线安装孔，每种基线长度采集M组静态航向角、倾斜角数据；

(2-4)动态姿态精度测试方法：将主天线固定在平面滑台上第一个天线安装孔，从天线安装在第2个天线安装孔，调节调速电机的速度，获取不同速度下双天线接收机动态航向角、倾斜角数据，每次平面滑台从左端移动到右端为一组实验数据，每个速度水平采集N组数据，再依次将从天线安装在第3至最后一个天线安装孔，获取不同基线长度不同速度下双天线接收机动态航向角、倾斜角数据；

(2-5)静态定位数据处理方法：将获取的WGS-84大地导航坐标通过高斯投影转为平面坐标系，统计定位数据转换为平面坐标系后x轴方向和y轴方向定位极差，均方根误差，作为评价双天线接收机静态定位精度的评价指标；

(2-6)动态定位数据处理方法：在导轨上每隔Lm采集一个点的位置信息，每个点采集约P组数据作平均做为该点的定位估计值，利用导轨上多个点的定位估计值通过最小二乘法回归一条直线，计算动态情况下采集的定位数据距这条直线距离的平均值，作为动态定位精度的评价指标；

(2-7)静态姿态数据处理方法：统计不同基线长度下获取的航向角和倾斜角数据极差，均方根误差，作为评价双天线接收机静态测姿精度的评价指标；

(2-8)动态姿态精度评价方法：根据步骤(2-6)中回归直线的斜率求取该直线的航向，以该航向为基准统计动态过程中获取的航向角数据与此基准的极差和均方根误差，作为动态航向角精度的评价指标，由于在直线导轨安装过程中，使用水平仪标定了直线导轨水平方向为0°，以0°为基准，统计动态过程中获取的倾斜角数据与此基准的极差和均方根误差，作为动态倾斜角精度的评价指标。

作为优选的技术方案，L为1m。

作为优选的技术方案，M为1500组，N为3组，P为1200组。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明双天线接收机位置姿态精度测试平台可方便的安装在楼顶，避免GNSS信号遮挡对接收机定位定向精度产生的影响。

2、本发明双天线接收机位置姿态精度测试平台可通过支撑装置的升降支架和旋转支架方便的调整直线导轨的高度、水平度和直线度，通过蝴蝶螺母可以方便的紧固。

3、本发明双天线接收机位置姿态精度测试装置通过游标卡尺、水平仪和拉线校正平面滑台在整段导轨上的直线度和水平度，保障了导轨的直线度和水平度。

4、本发明牵引系统中的电机可通过控制面板无级调速，并有速度反馈表。方便测试不同速度下双天线接收机的定位测姿精度。

5、本发明中，平面滑台上每隔20cm有一个天线安装孔，双天线安装在不同的定位孔上，可以测试不同基线长度下双天线接收机定位测姿精度。

6、本发明中，齿轮皮带传动避免传动打滑，保障了准确的测试速度。

7、本发明中，限位开关保障滑台在U型槽导轨上运动，避免滑台脱轨。

8、本发明中，采用导轨上多点位置的平均值回归基准直线的方法，从统计学意义上寻找基准直线，解决了动态定位测姿性能评价中基准寻找难的问题。

附图说明

图1是双天线接收机位置姿态精度测试平台整体结构示意图；

图2是支撑装置正视图；

图3是支撑装置侧试图；

图4是旋转支架俯视图；

图5是直线导轨剖面结构示意图；

图6是牵引系统俯视图；

图7是电机控制器面板示意图。

附图标号说明：1、支撑装置；1-1、升降支架；1-1-1、拨轮旋钮；1-1-2、第一蝴蝶螺丝；1-1-3、升降螺纹；1-2、旋转支架；1-2-1、第二蝴蝶螺丝；1-2-2、长腰孔；

2、直线导轨；2-1、U型槽导轨；2-1-1、第一通孔；2-1-2、钢筋轴；2-2、滑块；2-2-1、凹面滚轮；2-3、平面滑台；2-3-1、天线安装孔；2-3-2、第一螺孔；2-4第二螺孔；

3、牵引系统；3-1、电机；3-2、传动轮；3-3、齿轮皮带；3-4、限位开关；3-5、固连装置。。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，是双天线接收机位置姿态精度测试平台整体结构示意图，包括支撑装置1，直线导轨2和牵引系统3，所述直线导轨固定在支撑装置的上端，所述牵引系统牵引设置在直线导轨上的平面滑台进行移动，所述支撑装置固定在护栏钢管上。

如图2、3所示，分别是支撑装置的正视图和侧视图，包括升降支架1-1和旋转支架1-2，所述升降支架用于调节支撑装置的高度，所述旋转支架用于调节支撑装置的水平倾角；所述升降支架设置在护栏钢管上，所述旋转支架设置在升降支架上。在本实施例中，所述升降支架由内层方形钢管和外层方形钢管组成。内层钢管的一侧开有升降螺纹1-1-3，外层钢管对应侧设有拨轮旋钮1-1-1，外层钢管的对面一侧设有两个旋紧蝴蝶螺丝1-1-2。内层钢管高出外层钢管，倒拱桥型旋转支架1-2套接在内层钢管的上端，通过蝴蝶螺丝1-2-1的松紧旋转或紧固。

图4是旋转支架的俯视图，旋转支架上端平面开有固定及调节U型槽导轨的长腰孔1-2-2。

如图5所示是直线导轨剖面结构示意图，直线导轨采用内置双轴芯滚轮直线导轨，包括开口朝上的U型槽导轨2-1、设于U型槽导轨上方的滑块2-2以及平面滑台2-3。U形导轨开口端内的两侧壁上对称设有弧面槽，钢筋轴2-1-2嵌装在弧面槽内，滑块的中部吊装有若干个凹面滚轮2-2-1，凹面滚轮向下延伸至与两侧的钢筋轴2-1-2互配后保持直线滑动连接。U形导轨1底部每隔10cm有一个第一通孔2-1-1，用于将U型槽导轨安装固定在支撑装置旋转支架的长腰孔1-2-2上。平面滑台2-3通过第二螺孔2-4与U型槽导轨上的两个滑块2-2固连后可随滑块在导轨上移动，平面滑台上面每隔20cm设有一个安装GNSS天线的天线安装孔2-3-1。平面滑台的一侧留有第一螺孔2-3-2，用于和齿轮皮带3-3固连。

如图6是牵引系统俯视图，包括调速电机3-1、传动轮3-2、齿轮皮带3-3、限位开关3-4以及固连装置3-5。固连装置将调速电机3-1和传动轮3-2分别固定在直线导轨2两端的护栏钢管上，齿轮皮带3-3与调速电机3-1、传动轮3-2相连，齿轮皮带的一侧和平面滑台2-3通过螺母3-6固定在一起。限位开关3-4设置在U型槽导轨的两端。

如图7所示，调速电机控制器面板上设有电源开关、正反转按钮、调速旋钮和转速显示表。调速电机控制器可对电机进行转动控制和速度监控。

测试平台是这样安装调整的：

(1)用金属抱箍将支撑装置安装在楼顶护栏钢管上，每隔1m安装一个，旋紧金属抱箍，将支撑装置安装牢固。

(2)将水平仪放置在支撑平台的上方，调节旋转支架，直到水平仪倾角显示为0，旋紧蝴蝶螺丝，使旋转支架紧固。

(3)利用游标卡尺测量支撑装置上端平面距护栏钢管的高度，使所有支撑装置上端平面距护栏钢管高度一致。

(4)在首尾支撑平台上方拉一条直线，调节中间支撑平台上的升降支架螺丝，使所有支撑平台对齐直线等高，旋紧升降支架螺丝，使所有升降支架紧固。(5)将多段U型槽导轨安装在支撑平台上，沿U型槽导轨拉一条辅助直线，微调多段U型槽导轨衔接处，使导轨对齐直线以保证整段导轨的直线度。将U型槽导轨紧固在支撑平台旋转支架上端平面的长腰孔上。

(6)平面滑台固连在滑块上端，将水平仪横向放置在平面滑台上，滑动平面滑台观察水平仪在整段导轨上的倾角，如水平仪在某段导轨上倾角不为0，则调整附近支撑装置的旋转支架使滑台倾角为0，以校正滑台在整段导轨上水平；将水平仪纵向放置在平面滑台上，滑动平面滑台观察水平仪在整段导轨上的倾角，如水平仪在某段导轨上的倾角不为0，则调整附近支撑装置的升降支架使水平仪倾角为0，以校正滑台在整段导轨上等高。

(7)将传动轮和调速电机安装在直线导轨两端的护栏钢管上，齿轮皮带与传动轮、调速电机相连，齿轮皮带的一侧和滑台固定在一起。

(8)试启动调速电机，进行正反转操作。逐渐由低速到高速，查看平台稳定性及限位可靠性。

测试数据是这样获取和处理的：

(1)静态定位数据获取：将主天线安装在平面滑台的天线安装孔上，在平面滑台静止状态下采集约1500组定位数据。

(2)动态定位数据获取：将主天线安装在平面滑台的天线安装孔上，调节调速电机的速度，获取不同速度下双天线接收机动态定位数据。每次平面滑台从左端移动到右端为一组实验数据，每个速度水平采集3组数据。

(3)静态姿态数据获取：将主天线固定在平面滑台的第一个天线安装孔上，从天线安装在第2个天线安装孔，在平面滑台静止状态下采集约1500组静态航向角、倾斜角数据。再依次将从天线安装在第3至最后一个天线安装孔，每种基线长度采集约1500组静态航向角、倾斜角数据。

(4)动态姿态精度测试方法：将主天线固定在平面滑台上第一个天线安装孔，从天线安装在第2个天线安装孔，调节调速电机的速度，获取不同速度下双天线接收机动态航向角、倾斜角数据。每次平面滑台从左端移动到右端为一组实验数据，每个速度水平采集3组数据。再依次将从天线安装在第3至最后一个天线安装孔，获取不同基线长度不同速度下双天线接收机动态航向角、倾斜角数据。

(5)静态定位数据处理方法：将获取的WGS-84大地导航坐标通过高斯投影转为平面坐标系，统计定位数据转换为平面坐标系后x轴方向和y轴方向定位极差，均方根误差。作为评价双天线接收机静态定位精度的评价指标。

(6)动态定位数据处理方法：在导轨上每隔1m采集一个点的位置信息。每个点采集约1200组数据作平均做为该点的定位估计值。利用导轨上多个点的定位估计值通过最小二乘法回归一条直线。计算动态情况下采集的定位数据距这条直线距离的平均值，作为动态定位精度的评价指标。

(7)静态姿态数据处理方法：统计不同基线长度下获取的航向角和倾斜角数据极差，均方根误差。作为评价双天线接收机静态测姿精度的评价指标。

(8)动态姿态精度评价方法：根据步骤(6)中回归直线的斜率求取该直线的航向，以该航向为基准统计动态过程中获取的航向角数据与此基准的极差和均方根误差。作为动态航向角精度的评价指标。由于在直线导轨安装过程中，使用水平仪标定了直线导轨水平方向为0°。以0°为基准，统计动态过程中获取的倾斜角数据与此基准的极差和均方根误差。作为动态倾斜角精度的评价指标。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。