本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定平臺的高精度穩(wěn)定控制方法，在穩(wěn)定控制的基礎上，可以實現(xiàn)平臺絕對指向角、平臺位置的高精度測量，將高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)與穩(wěn)控平臺系統(tǒng)進行融合一體化設計；系統(tǒng)涉及高精度位置姿態(tài)測量領域，慣性穩(wěn)定控制領域，遙感測繪等相關領域。

背景技術：

遙感是當前地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要核心技術，按照遙感設備的載體來分類，當前遙感系統(tǒng)主要包括陸基、空基、?；b感系統(tǒng)，其中應用最廣泛的便是城市街景測量系統(tǒng)，航空攝影測量系統(tǒng)和海洋三維地貌測量系統(tǒng)。遙感系統(tǒng)的任務載荷，如攝像機，由于載體自身運動等因素影響，使得任務載荷的探測器不能穩(wěn)定精確指向，遙感載荷平臺劇烈的姿態(tài)變化最后會造成采集圖像的扭曲變形，嚴重情況下，可能會導致圖像可視性極大降低甚至無法判讀，為保證遙感探測圖像質量，遙感系統(tǒng)必備載荷穩(wěn)定平臺，通過穩(wěn)定平臺來確保探測圖像的質量；在穩(wěn)定平臺的基礎上，遙感系統(tǒng)需要確定任務載荷探測的每一張圖像的準確地理位置，這就需要精確地知道任務載荷的精確位置坐標和穩(wěn)定平臺的精確姿態(tài)指向。一般情況下，由于探測目標與穩(wěn)定平臺的距離較遠，為了確保準確的坐標位置，對穩(wěn)定平臺的姿態(tài)角有特別高的要求，如假設2000米的距離，為了確保1米的位置精度，對穩(wěn)定平臺姿態(tài)角的精度要求為0.028°，因此，在穩(wěn)定平臺的基礎上需要增加一套高精度的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，即POS系統(tǒng)；因此，在當前應用的大部分遙感系統(tǒng)中，高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺為兩個必要的設備。

當前的遙感設備中，POS系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺系統(tǒng)往往都是獨立配置的，POS系統(tǒng)中包含有3個陀螺儀和3個加速度計，穩(wěn)定平臺中也包含3個陀螺儀，陀螺儀重復配置造成系統(tǒng)體積重量較大，成本較高；此外，POS系統(tǒng)解算的姿態(tài)和穩(wěn)定平臺的姿態(tài)角之間由于時間系統(tǒng)參考不一致，容易引入時間不同步誤差；第三，POS系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺采用獨立的CPU，利用POS系統(tǒng)輸出的姿態(tài)角再控制穩(wěn)定平臺的指向，容易引入時間延遲造成的穩(wěn)定誤差；第四，POS系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺都作為分立的系統(tǒng)獨立安裝，兩者的空間安裝誤差較難標定且每次安裝后都需要重新標定。

本發(fā)明主要針對上述POS系統(tǒng)與穩(wěn)定平臺系統(tǒng)獨立配置的方案中存在的上述4點問題，提出一種POS系統(tǒng)與穩(wěn)定平臺一體化設計方案，從而實現(xiàn)一種高精度絕對位置測量及絕對姿態(tài)指向的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)；該系統(tǒng)可以簡化掉分立系統(tǒng)集成時至少1/3以上的誤差源，同時，還將有效減小平臺體積、降低平臺成本；此外，一體化穩(wěn)控方案的設計關鍵在于將POS系統(tǒng)所提供的高精度的載體運動和姿態(tài)信息融入到穩(wěn)定平臺的控制回路當中，在不增加成本和重量的基礎上，提高穩(wěn)定平臺的精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有POS系統(tǒng)與穩(wěn)定平臺獨立配置的技術方案中的不足點，提供一種一體化配置方案，從而實現(xiàn)一種高精度絕對位置測量及絕對姿態(tài)指向的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，具體如下：

一種可實現(xiàn)高精度絕對位置測量及絕對姿態(tài)指向的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，系統(tǒng)包括高精度GPS基準站，GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺，平臺任務載荷，數(shù)據(jù)存儲單元1，綜合處理計算機，數(shù)據(jù)存儲單元2，數(shù)據(jù)后處理模塊組成；GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺均通過通信接口與綜合處理計算機相連；綜合處理計算機內含同步時鐘1發(fā)生器，組合導航解算模塊，穩(wěn)定控制模塊，導航誤差估計模塊；同步時鐘1發(fā)生器發(fā)出高精度的同步時鐘脈沖1，數(shù)據(jù)存儲單元1基于同步時鐘脈沖1的信號，同步鎖存GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺，平臺任務載荷的所有原始數(shù)據(jù)信息；綜合處理計算機內含組合導航解算模塊，該模塊采集GPS移動站和慣性測量單元的原始數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高精度的位置及姿態(tài)解算，并將解算信息送給穩(wěn)定控制模塊，穩(wěn)定控制模塊輸出控制指令，實現(xiàn)三軸穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定控制，同時利用導航誤差估計模塊估計出組合導航系統(tǒng)的相關誤差，并進行補償；GPS基準站將原始數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)存儲單元2上，數(shù)據(jù)后處理模塊將數(shù)據(jù)存儲單元1和數(shù)據(jù)存儲單元2的信息進行融合，并輸出高精度的位置、速度、姿態(tài)等運載體信息和與之匹配的任務載荷測量信息。

上述系統(tǒng)中，GPS基準站一般安裝在地面某一固定位置處，GPS移動站安裝在車輛、艦船、飛機等移動載體上，當兩者之間存在實時數(shù)據(jù)鏈連接時，GPS基準站將相關的信息實時發(fā)送給GPS移動站進行實時差分，移動站可以實現(xiàn)2cm左右的定位精度；當兩者之間沒有實時數(shù)據(jù)鏈連接時，后處理軟件可以將基準站和移動站存儲的信息進行后處理差分，其事后處理精度也可以達到2cm左右；當然，上述系統(tǒng)中不僅限于使用GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也可以使用北斗、GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)或者是三者任意組合的多模、多頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

上述系統(tǒng)中，GPS移動站輸出的秒脈沖、位置、速度等信息均輸入至綜合處理計算機；慣性測量單元包含3個陀螺儀和3個加速度計，可以輸出三維的角速度和加速度信息；綜合處理計算機內部包含一個組合導航解算模塊，該模塊主要實現(xiàn)兩大功能：(1)利用捷聯(lián)慣性解算算法，利用三軸陀螺儀和三軸加速度計的信息，實時解算運載體的姿態(tài)、位置、速度等信息；(2)將捷聯(lián)解算的結果與GPS移動站輸出的信息進行融合，利用卡爾曼濾波技術進行組合導航解算，從而輸出更高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。

上述系統(tǒng)中，三軸穩(wěn)定平臺的三個電機控制信號和三個對應的編碼器角度反饋信號都與綜合處理計算機相連；綜合處理計算機內包含穩(wěn)定控制模塊，其主要功能是實現(xiàn)對三軸穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定控制，其具體工作原理和流程是：(1)直接利用慣性測量單元輸出的角速度信息作為穩(wěn)定平臺的輸入角速度，以編碼器的差分信息作為角速率反饋，實現(xiàn)對三軸穩(wěn)定平臺的第一級穩(wěn)定控制；(2)利用綜合處理計算機內部的組合導航解算模塊輸出的方位角、橫滾角、俯仰角等信息作為輸入，計算三軸穩(wěn)定平臺的指令指向角信息，并以碼盤轉角作為反饋，控制穩(wěn)定平臺實現(xiàn)預定的指向角；(3)利用目標位置信息作為反饋，控制穩(wěn)定平臺實時跟蹤目標，從而實現(xiàn)目標的鎖定跟蹤，目標的跟蹤偏移信息反饋主要包括圖像中心偏移量，雷達信號強度偏移量反饋等，這些反饋量可以指示目標偏離中心的位置，從而可以計算出鎖定跟蹤的控制率；此外，這些反饋量信息實際上也是代表了組合導航解算模塊輸出的姿態(tài)角誤差，因此，可以利用上述跟蹤偏移信息反饋推算出組合導航系統(tǒng)輸出的方位角、橫滾角、俯仰角誤差，并進一步推算慣性測量單元中的陀螺儀、加速度計誤差信息，并進行補償，這就是組合處理計算機中導航誤差估計模塊的功能。

上述系統(tǒng)中，平臺任務載荷安裝在三軸穩(wěn)定平臺的內框架上，任務載荷的類型包括但不限于可見光攝像機、紅外熱像儀、高光譜相機、多光譜相機、激光雷達等，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的任務目標選擇不同的任務載荷。

上述系統(tǒng)中，同步時鐘1發(fā)生器的工作原理如下：利用GPS的秒脈沖pps信號作為基準時鐘信號和整秒時刻的時鐘信號，系統(tǒng)以pps時鐘信號作為參考對綜合處理計算機的晶振時鐘系統(tǒng)進行誤差修正，確保晶振系統(tǒng)在一秒時間內的誤差可以忽略不計，系統(tǒng)以pps時鐘作為整秒時間基準，并將修正后的晶振計時系統(tǒng)插值到兩個pps脈沖之間，從而實現(xiàn)無積累誤差的高頻時鐘信號。

上述系統(tǒng)中，綜合處理計算機可以利用單CPU多線程并行處理導航解算和穩(wěn)定控制模塊，實現(xiàn)穩(wěn)定控制的最小時間延遲，確保穩(wěn)控控制的精度。

上述系統(tǒng)中，綜合數(shù)據(jù)存儲單元1用于鎖存GPS移動站的原始星歷信息，慣性測量單元的三軸陀螺的原始角速率信息，三軸加速度計的原始加速度信息，三軸穩(wěn)定平臺的三個框架的轉角信息和平臺任務載荷的目標探測信息；為了確保上述存儲數(shù)據(jù)可用于后處理解算，必須確保所有采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)時間同步，因此，數(shù)據(jù)存儲單元1利用同步時鐘1作為鎖存脈沖，當同步時鐘1發(fā)出脈沖時，分別將GPS的原始數(shù)據(jù)信息、慣性測量單元的信息、三軸穩(wěn)定平臺的信息、平臺任務載荷的信息鎖存到一個臨時的寄存器，在下一個同步時鐘脈沖到來之前，完成數(shù)據(jù)的打包和存儲工作。

上述系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲單元2用于存儲GPS基準站的原始星歷信息，該存儲單元也使用GPS秒脈沖信號作為同步脈沖，與數(shù)據(jù)存儲單元1具有同樣的時鐘基準。

上述系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)后處理模塊將數(shù)據(jù)存儲單元1和數(shù)據(jù)存儲單元2的數(shù)據(jù)信息進行綜合，并通過相應的解算算法，實現(xiàn)GPS的差分解算，正逆向融合的組合導航后處理解算，任務載荷數(shù)據(jù)與位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)的匹配等功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖

具體實施方式

一種可實現(xiàn)高精度絕對位置及姿態(tài)測量的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，包括高精度GPS基準站，GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺，平臺任務載荷，數(shù)據(jù)存儲單元1，綜合處理計算機，數(shù)據(jù)存儲單元2，數(shù)據(jù)后處理模塊組成；GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺均通過通信接口與綜合處理計算機相連；綜合處理計算機內含同步時鐘1發(fā)生器，組合導航解算模塊，穩(wěn)定控制模塊，導航誤差估計模塊；同步時鐘1發(fā)生器發(fā)出高精度的同步時鐘脈沖1，數(shù)據(jù)存儲單元1基于同步時鐘脈沖1的信號，同步鎖存GPS移動站，慣性測量單元，三軸穩(wěn)定平臺，平臺任務載荷的所有原始數(shù)據(jù)信息；綜合處理計算機內含組合導航解算模塊，該模塊采集GPS移動站和慣性測量單元的原始數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高精度的位置及姿態(tài)解算，并將解算信息送給穩(wěn)定控制模塊，穩(wěn)定控制模塊輸出控制指令，實現(xiàn)三軸穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定控制，同時利用導航誤差估計模塊估計出組合導航系統(tǒng)的相關誤差，并進行補償；GPS基準站將原始數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)存儲單元2上，數(shù)據(jù)后處理模塊將數(shù)據(jù)存儲單元1和數(shù)據(jù)存儲單元2的信息進行融合，并輸出高精度的位置、速度、姿態(tài)等運載體信息和與之匹配的任務載荷測量信息。

本實施例中，GPS基準站一般安裝在地面某一固定基準位置處，通過多次高精度測量取平均值的手段，將基準站的坐標位置測量至1-2cm的精度；GPS移動站安裝在飛機上，由于飛機的飛行距離較遠，兩者無法實現(xiàn)基于通信鏈路的實時差分，GPS移動站和GPS基準站分別存儲原始的星歷數(shù)據(jù)信息，用于實現(xiàn)后處理差分解算。

本實施例中，GPS移動站輸出的秒脈沖、經(jīng)度、緯度、高度、東向速度、北向速度、天線速度等信息通過RS232接口輸入至綜合處理計算機；慣性測量單元采用高精度方案，內部包含3個漂移為0.01°/h的激光陀螺儀和3個零偏為20ug的石英撓性加速度計，可以輸出三維的角速度和加速度信息；綜合處理計算機內部包含一個組合導航解算模塊，該模塊主要實現(xiàn)兩大功能：(1)利用捷聯(lián)慣性解算算法，利用三軸陀螺儀和三軸加速度計的信息，實時解算運載體的姿態(tài)、位置、速度等信息；(2)將捷聯(lián)解算的結果與GPS移動站輸出的信息進行融合，利用卡爾曼濾波技術進行組合導航解算，從而輸出更高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息，通過組合導航解算后，該系統(tǒng)的俯仰角、橫滾角實時解算精度可以達到0.01°，航向角實時解算精度可以達到0.06°。

本實施例中，三軸穩(wěn)定平臺的三個框架上分別安裝3個力矩電機和3個角度編碼器，三個電機控制信號通過PWM脈沖實現(xiàn)控制，通過常用的IO接口與組合處理計算機連接，三個角度編碼器用于測量穩(wěn)定平臺三軸框架的轉角信息，通過QEP正交脈沖測量原理進行測量，并通過6路IO接口與組合導航計算機連接，任務載荷為可見光攝像機，可以實現(xiàn)對探測區(qū)域進行拍照、攝像等功能，也可以實現(xiàn)對運動目標的穩(wěn)定和跟蹤。

本實施例中，穩(wěn)定平臺采用三級反饋穩(wěn)定控制原理，內環(huán)控制系統(tǒng)直接利用慣性測量單元中激光陀螺輸出的角速度信息作為穩(wěn)定平臺的輸入角速度，以編碼器的差分信息作為角速率反饋，實現(xiàn)對三軸穩(wěn)定平臺的第一級穩(wěn)定控制；中環(huán)控制系統(tǒng)利用綜合處理計算機內部的組合導航解算模塊輸出的方位角、橫滾角、俯仰角等信息作為輸出，計算三軸穩(wěn)定平臺的指令指向角信息，并以碼盤轉角作為反饋，控制穩(wěn)定平臺實現(xiàn)預定的指向角；外環(huán)控制系統(tǒng)利用圖像跟蹤處理系統(tǒng)給出的目標偏移量作為反饋，控制穩(wěn)定平臺實時跟蹤目標，從而實現(xiàn)目標的鎖定跟蹤。

本實施例中，假設組合導航系統(tǒng)給出的方位角、俯仰角、橫滾角沒有誤差，那么三軸穩(wěn)定平臺上的攝像機的視場中心點將精確瞄準目標點，但實際情況下，組合導航系統(tǒng)給出的姿態(tài)角往往存在誤差，這就導致攝像機視場中心點偏離目標點，此時，第三級反饋控制中的圖像跟蹤處理系統(tǒng)可以給出攝像機中心點偏離目標點的偏移量，通過這些偏移量，再結合誤差傳遞公式，可以計算出組合導航系統(tǒng)的方位角、橫滾角、俯仰角誤差，并通過捷聯(lián)慣性導航、組合導航的誤差傳遞函數(shù)，進一步推算慣性測量單元中的陀螺儀、加速度計誤差信息，并進行補償，這就是組合處理計算機中導航誤差估計模塊的功能。

本實施例中，同步時鐘1發(fā)生器的工作原理如下：利用GPS的秒脈沖pps信號作為基準時鐘信號和整秒時刻的時鐘信號，系統(tǒng)以pps時鐘信號作為參考對綜合處理計算機的晶振時鐘系統(tǒng)進行誤差修正，確保晶振系統(tǒng)在一秒時間內的誤差可以忽略不計，系統(tǒng)以pps時鐘作為整秒時間基準，并將修正后的晶振計時脈沖插值到兩個pps脈沖之間，從而實現(xiàn)無誤差積累的高頻時鐘信號，比如說系統(tǒng)工作頻率為100Hz，則在兩個pps秒脈沖之間，需要插入99個脈沖信號，這99個脈沖信號由經(jīng)pps修正過的晶振系統(tǒng)提供。

本實施例中，綜合處理計算機的單CPU可以選用雙核高性能CPU，主頻300MHz，支持浮點運算，支持多線程并行處理導航解算和穩(wěn)定控制，實現(xiàn)穩(wěn)定控制的最小時間延遲，確保穩(wěn)控控制的精度。

本實施例中，綜合數(shù)據(jù)存儲單元1用于鎖存GPS移動站的原始星歷信息，慣性測量單元的三軸陀螺輸出的原始角速率信息，三軸加速度計的原始加速度信息，三軸穩(wěn)定平臺的三個框架的轉角信息和攝像機拍攝的照片信息；為了確保上述存儲數(shù)據(jù)可用于后處理解算，必須確保所有采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)時間同步，因此，數(shù)據(jù)存儲單元1利用同步時鐘1作為鎖存脈沖，當同步時鐘1發(fā)出脈沖時，分別將GPS的原始數(shù)據(jù)信息、慣性測量單元的信息、三軸穩(wěn)定平臺的信息鎖存到一個臨時的寄存器，同時觸發(fā)相機快門拍照，并把照片信息鎖存到該寄存器，在下一個同步時鐘脈沖到來之前，完成上述數(shù)據(jù)的打包和存儲工作。

本實施例中，數(shù)據(jù)存儲單元2用于存儲GPS基準站的原始星歷信息，該存儲單元也使用GPS秒脈沖pps信號作為同步脈沖，與數(shù)據(jù)存儲單元1具有同樣的時鐘基準。

本實施例中，數(shù)據(jù)后處理模塊將數(shù)據(jù)存儲單元1和數(shù)據(jù)存儲單元2的數(shù)據(jù)信息進行綜合，并通過相應的差分GPS解算算法，實現(xiàn)GPS的差分解算，可以達到2厘米左右的定位精度；組合導航系統(tǒng)將該高精度的GPS解算信息與激光陀螺、石英加速度計的信息進行融合，并利用捷聯(lián)解算算法和卡爾曼濾波算法進行組合導航正向解算，在此基礎上，再進行組合導航逆向解算，并通過多次正逆向迭代的方式，來進一步提高組合導航系統(tǒng)后處理解算的精度，此外，將后處理得到的位置、姿態(tài)信息與攝像機拍攝到的照片信息進行匹配，便可以計算出照片中的每一個像素點對應的實際在地理坐標系下的坐標位置。

本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。

顯然，對于本領域的普通技術人員來說，參照上文所述的實施例還可能做出其它的實施方式。本發(fā)明中的實施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本發(fā)明的權利要求技術方案的本質之內的修改都屬于其所要求保護的范圍。