專利名稱：航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(pos)動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，屬于航空遙感領(lǐng)域，應(yīng)用于采用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的航空遙感，提高了 POS和航空遙感成像載荷的精度。
背景技術(shù)：
航空遙感是一種以飛機(jī)為載體，利用遙感載荷獲取地球表面各種空間地理信息的高技術(shù)。航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行高分辨率成像時(shí)要求載荷在空間做勻速直線的理想運(yùn)動(dòng)，但飛機(jī)不可避免會(huì)受到陣風(fēng)、湍流等外部擾動(dòng)的影響，使載荷偏離理想運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致載荷成像質(zhì)量下降。因此，要實(shí)現(xiàn)航空遙感系統(tǒng)的高精度成像，必須對(duì)飛行擾動(dòng)進(jìn)行隔離和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)由三個(gè)框架組成，通過(guò)伺服控制三個(gè)框架保持成像載荷水平并指向飛機(jī)飛行方向，從而在一定程度上隔離飛行過(guò)程中的外部擾動(dòng)。由于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)負(fù)載大，自重小，響應(yīng)速度有限，不可能將飛行擾動(dòng)完全隔離，因此，必須使用POS精確測(cè)量未能隔離的飛行擾動(dòng)，得到成像載荷相位中心的位置、速度和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并在成像過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。POS則由IMU、GPS接收機(jī)、POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)(PCS)和后處理軟件等組成。其中IMU用于測(cè)量與其固聯(lián)載體的三維角速度和三維線加速度，經(jīng)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航解算，可得到載體的位置、速度和姿態(tài)信息，具有短時(shí)精度高，輸出連續(xù)和完全自主等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累。GPS則可長(zhǎng)時(shí)間提供高精度的位置和速度信息，但輸出不連續(xù)，不能提供姿態(tài)信息，且GPS信號(hào)受到遮擋時(shí)不能實(shí)現(xiàn)定位。POS利用慣性導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航天然的互補(bǔ)性，應(yīng)用信息融合技術(shù)，將慣性量測(cè)信息同GPS量測(cè)信息進(jìn)行融合，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地獲取載體的位置、速度和姿態(tài)等全面的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，且誤差不隨時(shí)間積累。GPS量測(cè)信息同慣性量測(cè)信息進(jìn)行融合時(shí)，必須進(jìn)行桿臂補(bǔ)償。因?yàn)镚PS天線不可能同IMU安裝在一起，為了接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，GPS天線一般安裝在飛機(jī)頂部，而IMU則安裝在機(jī)艙內(nèi)部，兩者之間的距離一般都在1米以上，但GPS的位置精度和速度精度可分別達(dá)到0. 05m和0. 005m/s,因此必須將GPS得到的位置和速度信息通過(guò)IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂補(bǔ)償?shù)絀MU量測(cè)中心。但在飛行過(guò)程中，慣性穩(wěn)定平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)框架以保持成像載荷水平并指向飛機(jī)飛行方向，從而導(dǎo)致IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的相對(duì)方位不斷發(fā)生變化，使得MU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實(shí)時(shí)變化。傳統(tǒng)的桿臂補(bǔ)償方法假設(shè)IMU和GPS天線之間沒(méi)有相對(duì)方位變化，即IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂恒定不變，利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法解算得到的Ql車、^fe和桿臂測(cè)量值Ib進(jìn)行桿臂補(bǔ)償。因此，傳統(tǒng)的桿臂補(bǔ)償方法應(yīng)用于采用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的航空遙感會(huì)產(chǎn)生很大的誤差甚至不能使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種航空遙感用POS動(dòng)態(tài)
5桿臂補(bǔ)償方法。該方法針對(duì)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與IMU量測(cè)中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂，得到IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的實(shí)際桿臂，并實(shí)時(shí)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系相對(duì)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下的角速度， 進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償。本發(fā)明具有精度高、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)時(shí)POS桿臂難以精確補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，提高了 POS和航空遙感成像載荷的精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種航空遙感用POS動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，具體步驟如下(1)在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下，分別測(cè)量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與 GPS天線相位中心之間的桿臂《和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與慣性測(cè)量單元(MU)量測(cè)中心之間的桿臂ξ2·,(2)計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的方向余弦陣；(3)利用步驟⑴得到的桿臂和步驟(2)得到的方向余弦陣，計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻 IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂；(4)利用步驟(2)得到的方向余弦陣，計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系相對(duì)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下的角速度；(5)基于步驟(2)得到的方向余弦陣、步驟(3)得到的動(dòng)態(tài)桿臂和步驟⑷得到的角速度，對(duì)GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；(6)重復(fù)步驟(2)至步驟(5)，直至POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)束。本發(fā)明的原理針對(duì)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，本發(fā)明在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下，將IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂1分解為兩個(gè)桿臂的差，如說(shuō)明書附圖2所示， 計(jì)算桿臂I1與桿臂I2的差，即可得到動(dòng)態(tài)桿臂1。其中桿臂I1為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與 GPS天線相位中心之間的桿臂，桿臂I2為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與IMU量測(cè)中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂。通過(guò)對(duì)比說(shuō)明書附圖加和說(shuō)明書附圖2b可知，I1為固定桿臂，不隨著慣性穩(wěn)定平臺(tái)的框架轉(zhuǎn)動(dòng)而變化；12為動(dòng)態(tài)桿臂，隨著慣性穩(wěn)定平臺(tái)的框架轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。通過(guò)測(cè)量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與GPS天線相位中心之間的固定桿臂I1，并實(shí)時(shí)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與IMU量測(cè)中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂I2，從而可準(zhǔn)確獲得由于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間實(shí)時(shí)變化的桿臂1，再利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航
算法和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系解算出的 "陣、和桿臂計(jì)算值Ib'進(jìn)行實(shí)時(shí)
動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂Ib'和，進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有精度高的特點(diǎn)，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)時(shí)POS桿臂難以精確補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，提高了 POS和航空遙感成像載荷的精度。


圖1為本發(fā)明的POS動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法流程圖；圖2為本發(fā)明的航空遙感各子系統(tǒng)相對(duì)方位示意圖，圖中，oxb, yb, zb,坐標(biāo)系為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系，標(biāo)系為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系，Op為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心，O1為IMU量測(cè)中心，Og為GPS天線相位中心。其中，圖2a為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系oXby#b和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,重合時(shí)的相對(duì)方位示意圖；圖2b為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系0Xby#b和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系Oxiy yb, zb,不重合時(shí)的相對(duì)方位示意圖。
具體實(shí)施例方式如說(shuō)明書附圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施包括以下步驟1、將三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)置為調(diào)平模式，三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)控制三軸框架，使慣性穩(wěn)定平臺(tái)三軸的電編碼器輸出為零，設(shè)此時(shí)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,，以b'表示；設(shè)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)時(shí)的內(nèi)框架坐標(biāo)系OXbYbZb以b表示；設(shè)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系0Xnyn\以η表示。在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,下，使用經(jīng)緯儀測(cè)量三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心Op與GPS天線相位中心 之間的桿臂和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心Op與IMU量測(cè)中心之間O1的桿臂，得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心Op與GPS天線相位中心Oe之間的桿臂為《,三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心Op與IMU量測(cè)中心O1之間的桿臂為Ib02。然后將三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)置為遙控模式，跟蹤POS輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。成像載荷、三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)和IMU間的方位關(guān)系見(jiàn)說(shuō)明書附圖2，其中三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)安裝在飛機(jī)機(jī)體上，成像載荷則安裝在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)上，與三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框架固聯(lián)，IMU則與成像載荷固聯(lián)，測(cè)量成像載荷實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。2、計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的方向余弦陣C:,(1)計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系oxbyb、的方向余弦陣C^由于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)最外框?yàn)闄M滾框，中框?yàn)楦┭隹颍瑑?nèi)框?yàn)楹较蚩?，故可?br> C =
cos(外) sin(外)O-sin(%) Cos(Y1) O
O
10O
O Cos(^1) Sin(^1)
O 1 O -Sin(^1) Cos(^1) SinO1) O CosO1)
Cos(J1) O -Sin(J1)其中，Y1角為GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)外框相對(duì)于慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始外框旋轉(zhuǎn)的角度，θ i角為GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中框相對(duì)于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始中框旋轉(zhuǎn)的角度，V1角為GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框相對(duì)于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始內(nèi)框旋轉(zhuǎn)的角度。由于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)與GPS各自具有獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)輸出的電編碼器數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)難以完全同步，設(shè)在GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻前采樣得到的慣性穩(wěn)定平臺(tái)三軸的電編碼器數(shù)據(jù)分別為P徹、和Α—ζ，在GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻后采樣得到的慣性穩(wěn)定平臺(tái)
7軸的電編碼器數(shù)據(jù)分別為《、^；和Α+ζ。由于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)各框架慣量都較大，可
假設(shè)在每個(gè)采樣間隔下三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架角速度不變，可得
權(quán)利要求
1. 一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(P0Q動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于包括以下步驟(1)在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下，分別測(cè)量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂<和三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與慣性測(cè)量單元(IMU)量測(cè)中心之間的桿臂4(2)計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的方向余弦陣；(3)利用步驟⑴得到的桿臂和步驟(2)得到的方向余弦陣，計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂；(4)利用步驟( 得到的方向余弦陣，計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系相對(duì)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下的角速度；(5)基于步驟(2)得到的方向余弦陣、步驟(3)得到的動(dòng)態(tài)桿臂和步驟⑷得到的角速度，對(duì)GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；(6)重復(fù)步驟(2)至步驟(5)，直至POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(P0Q動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(1)中的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,為三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的電編碼器輸出為零時(shí)的內(nèi)框架坐標(biāo)系，oxb, yb, zb,坐標(biāo)系以b'表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(P0Q動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟O)中的GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的方向余弦陣的計(jì)算過(guò)程為1)計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系oxb, yb, zb,到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系0、y#b的方向余弦陣￠,
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POQ動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(3)中GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂的計(jì)算過(guò)程為1)計(jì)算GPS數(shù)據(jù)時(shí)刻三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心Op與IMU量測(cè)中心O1之間的桿臂/26’
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(P0Q動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(4)中計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系相對(duì)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下的角速度的計(jì)算過(guò)程為1)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系0Xby#b相對(duì)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系 oxb, yb, zb,在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架坐標(biāo)系oxbyb、下的角速度叫
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POQ動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟( 中對(duì)GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償?shù)挠?jì)算過(guò)程為1)對(duì)GPS位置數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償
全文摘要
一種航空遙感用位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償方法。該方法針對(duì)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致慣性測(cè)量單元(IMU)量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中心與IMU量測(cè)中心之間的動(dòng)態(tài)桿臂，得到IMU量測(cè)中心與GPS天線相位中心之間的實(shí)際桿臂，并實(shí)時(shí)計(jì)算三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系相對(duì)當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)初始坐標(biāo)系下的角速度，進(jìn)行動(dòng)態(tài)桿臂補(bǔ)償。本發(fā)明具有精度高、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)時(shí)POS桿臂難以精確補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，提高了POS和航空遙感成像載荷的精度。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102393201SQ201110220018
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者宮曉琳, 房建成, 曹全, 鐘麥英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)