机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要基于摄像测量学原理，利用安装于不稳定平台之上的相机及固连于地 面的外置基准标志物，实时、高精度的测量不稳定平台姿态变化量。
【背景技术】
[0002] 光学测量是实验固体力学中的基本测量方法，具有高精度、非接触、显示直观等优 势。移动光学测量设备大大提高了光学测量方法的灵活性，在国防试验领域，尤其是飞机、 导弹等运动目标外弹道参数测量方面发挥着其它测量手段不可替代的作用。
[0003] 移动光学测量设备对其基座平台的稳定性要求很高，但是在很多应用条件下，受 环境因素或其自身硬件影响，基座平台会发生小幅晃动，成为不稳定平台，使得安装于其上 的仪器设备测量基准发生变化，进而降低仪器设备测量精度。测量与修正由于不稳定平台 晃动引入的仪器设备测量误差是提高移动光学测量设备测量精度的关键。
[0004] 机动经缔仪和车载雷达是祀场应用最为广泛的移动测量设备，但由于基座平台不 稳定性的存在，使得在试验任务中，载车只是作为运输工具，到达点位后，将仪器设备落于 稳定的地基之上工作，并未实现真正的"不落地测量"，很大程度上限制了移动测量设备的 灵活性。
[0005] 移动测量设备基座平台的晃动修正问题的核屯、是基座平台姿态变化的高精度测 量。
[0006] 国外类似仪器常采用的方式为：利用多个接触式姿态传感器对基座平台的姿态变 化进行实时测量，根据反馈数据修正姿态晃动误差，提高安装于基座平台上的仪器设备测 量精度。如美国生产的超级数字式自动跟踪记录仪能探测和跟踪斜距为一千公里的再入目 标，测角精度为一角秒；其生产的地面电光深空监视系统能探测到四千公里高的足球大小 目标，测角精度为十角秒。
[0007] 国内长春光学精密机械与物理研究所对机动经缔仪基座平台晃动动态测量问题 作了一些理论研究和实验分析：高云国等人基于光电经缔仪基座平台上垂直安装的两个水 平传感器，提出了机动经缔仪基准平面测角误差修正方法，利用水平传感器反馈基座平台 姿态变化数据；乔彦峰等人将液浮平面作为大地水平基准，固连于机动经缔仪基座平台的 激光发射器发射的激光经液浮平面反射后在CCD祀面上成像，根据像点的变化计算基座平 台的姿态变化量。此外，长春理工大学、北京航空航天大学等科研单位也在基座平台晃动测 量与修正方面进行了一些探索性研究：吴非等利用GI^S对激光巧螺捷联惯导系统初始动基 座对准问题作了研究，华中科技大学朱利娜等利用GI^S对船体姿态变形问题进行了研究， 牛忠文等提出了一种测量雷达天线座的水平误差的方法。但是，运些针对移动测量设备基 座平台晃动测量与修正的方法成本高、动态响应性能差，在实际应用中还存在很大局限性。
[0008] 与专利"不稳定平台静态基准转换方法"相比，本发明具有W下几点优势： (1)将机动经缔仪的调平过程转移到外部水平基准上，避免了经缔仪工作前高精度水 平调校的难题； (2) 通过水平状态经缔仪与外部水平基准的初始对准，降低了安装关系的标定精度要 求； (3) 将补偿量的计算与经缔仪基座平台的晃动量测量独立进行，提高了晃动量测量的 精度与效率。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是：利用摄像测量原理，实时、高精度测量机动经缔仪基 座平台的晃动量，包括位置和姿态，并修正由其造成的观测误差。
[0010] 本发明的技术方案是：将高分辨率相机安装于机动经缔仪基座平台上，并在其外 部设置小型的、易于调平的水平基准，采用"两次传递"，即根据机动经缔仪水平状态与晃动 状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经缔仪基座平台相对水平状态的晃动 量，并在此基础上修正经缔仪观测结果。
[0011] 其中，外置水平基准为由数量一定的、空间位置相对固定的十字标志灯组成，数量 及空间分布可根据相机性能、应用环境而定，其水平调校由倾角传感器或水平仪等调校工 具完成。
[0012] 有益效果 采用本发明可W达到W下技术效果：实时、高精度地修正由经缔仪基座平台晃动引起 的仪器观测误差，实验结果表明：机动经缔仪基座平台晃动量越小，经缔仪观测结果修正精 度越高，且当机动经缔仪基座平台姿态晃动量为20角分时，修正后经缔仪观测误差不大于 19角秒。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明硬件布置示意图； 图2是本发明测量原理水平对准示意图； 图3是本发明测量原理晃动测量示意图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明提出的机动经缔仪基座平台晃动量测量方法按W下步骤进行： 1、 相机和外置基准标志物的安装，初始标定相机内参数、像差系数及外置基准标志点 坐标； 2、 标定相机与机动经缔仪的安装关系； 3、 计算系统补偿量； 4、 机动经缔仪工作状态下，测量机动经缔仪晃动状态与外置水平基准的关系，结合系 统补偿量，计算机动经缔仪基座平台晃动量； 5、 根据机动经缔仪晃动状态相对水平状态的晃动量，修正经缔仪观测误差。
[0015] 下面对实施方式中的每个步骤进行详细的阐述。
[0016] 1、相机和外置基准标志物的安装： 相机与机动经缔仪基座平台固连；在距离相机3-4米、相机视场内，放置与地面相对静 止的外置水平基准，调整相机参数，使之成像清晰。
[0017] 相机内参数及像差系数标定： 采用基于平面祀板的相机内参数及像差标定方法，通过相机对不同姿态的棋盘格平面 祀板成像、提取像点后，利用基于共面控制点的标定方法计算相机内参数和像差系数。
[0018] 2、相机与机动经缔仪的安装关系标定： 在相机视场内放置6个W上的控制点，首先计算运些控制点在经缔仪坐标系中的坐 标，然后利用基于异面控制点的相机标定方法计算相机与机动经缔仪的安装关系。
[0019] 3、计算系统补偿量： 首先，将机动经缔仪高精度调至水平状态，基于摄像测量学原理计算机动经缔仪到外 置水平基准的转换矩阵巧；、:T'e，将矩阵A进行欧拉角分解，得到碼、舟、，分别表征了绕 尤、TV昏轴旋转的角度大小，由于机动经缔仪处于水平状态，不存在晃动量，因此吗、斯 可W看作为水平系统误差，即巧^0 ;然后，在机动经缔仪工作初始时刻稳定状 态，基于摄像测量学原理计算机动经缔仪到外置水平基准的转换矩阵A、了1，将矩阵&进 行欧拉角分解，得到吗i、A、？i，分别表征了绕X、r、玄轴旋转的角度大小，由于机动经缔 仪处于稳定状态，不存在方位晃动量，因此:满可看作为方位系统误差，即巧^0 ;最后， '吗、，司、&、2^1即为系统补偿量。
[0020] 4、测量机动经缔仪晃动状态与外置水平基准的关系： 去咐刻，机动经缔仪处于晃动状态，基于摄像测量学原理计算机动经缔仪到外置水平基 准的转换矩阵襄、马。将矩阵％进行欧拉角分解，得到马、^、};，分别表征了绕还、;F、爱 轴旋转的角度大小，结合上一步得到的系统补偿量，机动经缔仪晃动状态相对水平状态的 晃动量为：
5、修正经缔仪观测误差： 1时刻，机动经缔仪对目标的观测角为弯（高低角X確（方位角>，晃动量为§、湯、葉:、 1，机动经缔仪晃动状态到水平状态的转换矩昨巧、:
其中，1、;議为修正后经缔仪观测结果~为矩阵鬚的九个元素，即：
【主权项】
1.机动经炜仪基座平台晃动测量与修正方法，将相机安装于机动经炜仪基座平台上， 并在其外部设置水平基准，其特征在于，采用"两次传递"，即根据机动经炜仪水平状态与晃 动状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经炜仪基座平台相对水平状态的晃 动量，并在此基础上修正经炜仪观测结果，具体步骤如下： 步骤1、相机和外置基准标志物的安装： 相机与机动经炜仪基座平台固连；在距离相机3-4米、相机视场内，放置与地面相对静 止的外置水平基准，调整相机参数，使之成像清晰； 相机内参数及像差系数标定： 采用基于平面靶板的相机内参数及像差标定方法，通过相机对不同姿态的棋盘格平面 靶板成像、提取像点后，利用基于共面控制点的标定方法计算相机内参数和像差系数； 步骤2、相机与机动经炜仪的安装关系标定： 在相机视场内放置6个以上的控制点，首先计算这些控制点在经炜仪坐标系中的坐 标，然后利用基于异面控制点的相机标定方法计算相机与机动经炜仪的安装关系； 步骤3、计算系统补偿量： 首先，将机动经炜仪高精度调至水平状态，基于摄像测量学原理计算机动经炜仪到外 置水平基准的转换矩阵萬、而，将矩阵寫进行欧拉角分解，得到碼、4、》。，分别表征了绕 、:r、r轴旋转的角度大小，由于机动经炜仪处于水平状态，不存在晃动量，因此％、办 可以看作为水平系统误差，即、:&_>〇;然后，在机动经炜仪工作初始时刻稳定状 态，基于摄像测量学原理计算机动经炜仪到外置水平基准的转换矩阵A、S，将矩阵A进 行欧拉角分解，得到，分别表征了绕泼、浐、黑轴旋转的角度大小，由于机动经炜 仪处于稳定状态，不存在方位晃动量，因此A可以看作为方位系统误差，即#;最后， 珥、邊、:办、Ti即为系统补偿量； 步骤4、测量机动经炜仪晃动状态与外置水平基准的关系： 时刻，机动经炜仪处于晃动状态，基于摄像测量学原理计算机动经炜仪到外置水平基 准的转换矩阵為、Z，将矩阵胃进行欧拉角分解，得到A、爲、？；，分别表征了绕:旗、F、J轴旋转的角度大小，结合上一步得到的系统补偿量，机动经炜仪晃动状态相对水平状态的 晃动量为： 步骤5、修正经炜仪观测误差：时刻，机动经炜仪对目标的观测角为高低角考、方位角，，晃动量为噚、:|、_、_， 机动经炜仪晃动状态到水平状态的转换矩阵戽、笱： 修正公式如下： 其中，_、丨1为修正后经炜仪观测结果，变~苹为矩阵:i的九个元素，即：2.根据权利要求1所述的机动经炜仪基座平台晃动测量与修正方法，其特征在于，所 述水平基准为十字标志灯，十字标志灯数量及空间分布根据相机性能、应用环境而定，其水 平调校由倾角传感器或水平仪调校工具完成。
【专利摘要】本发明涉及机动经纬仪基座平台晃动测量与修正方法，用于测量与修正由机动经纬仪基座平台晃动导致的仪器观测误差。将相机安装于机动经纬仪基座平台上，并在其外部设置水平基准，采用“两次传递”，即根据机动经纬仪水平状态与晃动状态分别与外部水平基准之间的姿态关系，计算机动经纬仪基座平台相对水平状态的晃动量，并在此基础上修正经纬仪观测结果。本发明可实时、高精度地修正由经纬仪基座平台晃动引起的仪器观测误差，机动经纬仪基座平台晃动量越小，经纬仪观测结果修正精度越高，且当机动经纬仪基座平台姿态晃动量为20角分时，修正后经纬仪观测误差不大于19角秒。
【IPC分类】G01C11/00
【公开号】CN105115478
【申请号】CN201510542154
【发明人】张小虎, 刘进博, 刘海波
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月31日