專利名稱：航空遙感用位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(pos)動態(tài)桿臂補償方法
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)測量系統(tǒng)(POS)動態(tài)桿臂補償方法，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)進行高分辨率成像時要求載荷在空間做勻速直線的理想運動，但飛機不可避免會受到陣風、湍流等外部擾動的影響，使載荷偏離理想運動軌跡，導(dǎo)致載荷成像質(zhì)量下降。因此，要實現(xiàn)航空遙感系統(tǒng)的高精度成像，必須對飛行擾動進行隔離和運動補償。三軸慣性穩(wěn)定平臺由三個框架組成，通過伺服控制三個框架保持成像載荷水平并指向飛機飛行方向，從而在一定程度上隔離飛行過程中的外部擾動。由于三軸慣性穩(wěn)定平臺負載大，自重小，響應(yīng)速度有限，不可能將飛行擾動完全隔離，因此，必須使用POS精確測量未能隔離的飛行擾動，得到成像載荷相位中心的位置、速度和姿態(tài)等運動參數(shù)，并在成像過程中進行運動補償。POS則由IMU、GPS接收機、POS導(dǎo)航計算機(PCS)和后處理軟件等組成。其中IMU用于測量與其固聯(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，具有短時精度高，輸出連續(xù)和完全自主等優(yōu)點，但其導(dǎo)航誤差隨時間積累。GPS則可長時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信號受到遮擋時不能實現(xiàn)定位。POS利用慣性導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航天然的互補性，應(yīng)用信息融合技術(shù)，將慣性量測信息同GPS量測信息進行融合，能夠連續(xù)、實時地獲取載體的位置、速度和姿態(tài)等全面的運動參數(shù)，且誤差不隨時間積累。GPS量測信息同慣性量測信息進行融合時，必須進行桿臂補償。因為GPS天線不可能同IMU安裝在一起，為了接收GPS衛(wèi)星信號，GPS天線一般安裝在飛機頂部，而IMU則安裝在機艙內(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IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的桿臂補償?shù)絀MU量測中心。但在飛行過程中，慣性穩(wěn)定平臺會實時轉(zhuǎn)動三個框架以保持成像載荷水平并指向飛機飛行方向，從而導(dǎo)致IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的相對方位不斷發(fā)生變化，使得MU量測中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實時變化。傳統(tǒng)的桿臂補償方法假設(shè)IMU和GPS天線之間沒有相對方位變化，即IMU量測中心與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和桿臂測量值Ib進行桿臂補償。因此，傳統(tǒng)的桿臂補償方法應(yīng)用于采用三軸慣性穩(wěn)定平臺的航空遙感會產(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)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種航空遙感用POS動態(tài)
5桿臂補償方法。該方法針對三軸慣性穩(wěn)定平臺框架轉(zhuǎn)動導(dǎo)致IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實時變化的問題，通過實時計算三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與IMU量測中心之間的動態(tài)桿臂，得到IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的實際桿臂，并實時計算三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系相對當?shù)氐乩碜鴺讼翟谌S慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下的角速度， 進行動態(tài)桿臂補償。本發(fā)明具有精度高、操作簡單、易于實現(xiàn)的特點，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺時POS桿臂難以精確補償?shù)膯栴}，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動態(tài)桿臂補償方法，具體步驟如下(1)在三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下，分別測量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與 GPS天線相位中心之間的桿臂《和三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與慣性測量單元(MU)量測中心之間的桿臂ξ2·,(2)計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼档姆较蛴嘞谊嚕?3)利用步驟⑴得到的桿臂和步驟(2)得到的方向余弦陣，計算GPS數(shù)據(jù)時刻 IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的動態(tài)桿臂；(4)利用步驟(2)得到的方向余弦陣，計算三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系相對當?shù)氐乩碜鴺讼翟谌S慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下的角速度；(5)基于步驟(2)得到的方向余弦陣、步驟(3)得到的動態(tài)桿臂和步驟⑷得到的角速度，對GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進行動態(tài)桿臂補償，并將補償后的GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)進行融合，得到最優(yōu)的運動參數(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)明的原理針對三軸慣性穩(wěn)定平臺框架轉(zhuǎn)動導(dǎo)致IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實時變化的問題，本發(fā)明在三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下，將IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的動態(tài)桿臂1分解為兩個桿臂的差，如說明書附圖2所示， 計算桿臂I1與桿臂I2的差，即可得到動態(tài)桿臂1。其中桿臂I1為三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與 GPS天線相位中心之間的桿臂，桿臂I2為三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與IMU量測中心之間的動態(tài)桿臂。通過對比說明書附圖加和說明書附圖2b可知，I1為固定桿臂，不隨著慣性穩(wěn)定平臺的框架轉(zhuǎn)動而變化；12為動態(tài)桿臂，隨著慣性穩(wěn)定平臺的框架轉(zhuǎn)動而改變。通過測量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與GPS天線相位中心之間的固定桿臂I1，并實時計算三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與IMU量測中心之間的動態(tài)桿臂I2，從而可準確獲得由于三軸慣性穩(wěn)定平臺框架轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的IMU量測中心與GPS天線相位中心之間實時變化的桿臂1，再利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航
算法和三軸慣性穩(wěn)定平臺三軸轉(zhuǎn)動關(guān)系解算出的 "陣、和桿臂計算值Ib'進行實時
動態(tài)桿臂補償。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明通過實時計算IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的動態(tài)桿臂Ib'和，進行精確的動態(tài)桿臂補償，相對現(xiàn)有技術(shù)具有精度高的特點，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺時POS桿臂難以精確補償?shù)膯栴}，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動態(tài)桿臂補償方法流程圖；圖2為本發(fā)明的航空遙感各子系統(tǒng)相對方位示意圖，圖中，oxb, yb, zb,坐標系為三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系，標系為三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系，Op為三軸慣性穩(wěn)定平臺中心，O1為IMU量測中心，Og為GPS天線相位中心。其中，圖2a為三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系oXby#b和三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,重合時的相對方位示意圖；圖2b為三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系0Xby#b和三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系Oxiy yb, zb,不重合時的相對方位示意圖。
具體實施例方式如說明書附圖1所示，本發(fā)明的具體實施包括以下步驟1、將三軸慣性穩(wěn)定平臺設(shè)置為調(diào)平模式，三軸慣性穩(wěn)定平臺控制三軸框架，使慣性穩(wěn)定平臺三軸的電編碼器輸出為零，設(shè)此時三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系為三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,，以b'表示；設(shè)三軸慣性穩(wěn)定平臺實時的內(nèi)框架坐標系OXbYbZb以b表示；設(shè)當?shù)氐乩碜鴺讼?Xnyn\以η表示。在三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,下，使用經(jīng)緯儀測量三軸慣性穩(wěn)定平臺中心Op與GPS天線相位中心 之間的桿臂和三軸慣性穩(wěn)定平臺中心Op與IMU量測中心之間O1的桿臂，得到三軸慣性穩(wěn)定平臺中心Op與GPS天線相位中心Oe之間的桿臂為《,三軸慣性穩(wěn)定平臺中心Op與IMU量測中心O1之間的桿臂為Ib02。然后將三軸慣性穩(wěn)定平臺設(shè)置為遙控模式，跟蹤POS輸出，進行實時控制。成像載荷、三軸慣性穩(wěn)定平臺和IMU間的方位關(guān)系見說明書附圖2，其中三軸慣性穩(wěn)定平臺安裝在飛機機體上，成像載荷則安裝在三軸慣性穩(wěn)定平臺上，與三軸慣性穩(wěn)定平臺的內(nèi)框架固聯(lián)，IMU則與成像載荷固聯(lián)，測量成像載荷實時的運動參數(shù)。2、計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼档姆较蛴嘞谊嘋:,(1)計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,到三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系oxbyb、的方向余弦陣C^由于三軸慣性穩(wěn)定平臺最外框為橫滾框，中框為俯仰框，內(nèi)框為航向框，故可得
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)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺外框相對于慣性穩(wěn)定平臺初始外框旋轉(zhuǎn)的角度，θ i角為GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺中框相對于三軸慣性穩(wěn)定平臺初始中框旋轉(zhuǎn)的角度，V1角為GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框相對于三軸慣性穩(wěn)定平臺初始內(nèi)框旋轉(zhuǎn)的角度。由于三軸慣性穩(wěn)定平臺與GPS各自具有獨立的時鐘系統(tǒng)，三軸慣性穩(wěn)定平臺輸出的電編碼器數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)難以完全同步，設(shè)在GPS數(shù)據(jù)時刻前采樣得到的慣性穩(wěn)定平臺三軸的電編碼器數(shù)據(jù)分別為P徹、和Α—ζ，在GPS數(shù)據(jù)時刻后采樣得到的慣性穩(wěn)定平臺
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)定平臺各框架慣量都較大，可
假設(shè)在每個采樣間隔下三軸慣性穩(wěn)定平臺框架角速度不變，可得
權(quán)利要求
1. 一種航空遙感用位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(P0Q動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于包括以下步驟(1)在三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下，分別測量得到三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與GPS天線相位中心之間的桿臂<和三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與慣性測量單元(IMU)量測中心之間的桿臂4(2)計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼档姆较蛴嘞谊嚕?3)利用步驟⑴得到的桿臂和步驟(2)得到的方向余弦陣，計算GPS數(shù)據(jù)時刻IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的動態(tài)桿臂；(4)利用步驟( 得到的方向余弦陣，計算三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系相對當?shù)氐乩碜鴺讼翟谌S慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下的角速度；(5)基于步驟(2)得到的方向余弦陣、步驟(3)得到的動態(tài)桿臂和步驟⑷得到的角速度，對GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進行動態(tài)桿臂補償，并將補償后的GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)進行融合，得到最優(yōu)的運動參數(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)測量系統(tǒng)(P0Q動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于所述步驟(1)中的三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,為三軸慣性穩(wěn)定平臺的電編碼器輸出為零時的內(nèi)框架坐標系，oxb, yb, zb,坐標系以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)測量系統(tǒng)(P0Q動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于所述步驟O)中的GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼档姆较蛴嘞谊嚨挠嬎氵^程為1)計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系oxb, yb, zb,到三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系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)測量系統(tǒng)(POQ動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于所述步驟(3)中GPS數(shù)據(jù)時刻IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的動態(tài)桿臂的計算過程為1)計算GPS數(shù)據(jù)時刻三軸慣性穩(wěn)定平臺中心Op與IMU量測中心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)測量系統(tǒng)(P0Q動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于所述步驟(4)中計算三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系相對當?shù)氐乩碜鴺讼翟谌S慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下的角速度的計算過程為1)計算三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系0Xby#b相對三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系 oxb, yb, zb,在三軸慣性穩(wěn)定平臺內(nèi)框架坐標系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)測量系統(tǒng)(POQ動態(tài)桿臂補償方法，其特征在于所述步驟( 中對GPS位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)進行動態(tài)桿臂補償?shù)挠嬎氵^程為1)對GPS位置數(shù)據(jù)進行動態(tài)桿臂補償
全文摘要
一種航空遙感用位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS)動態(tài)桿臂補償方法。該方法針對三軸慣性穩(wěn)定平臺框架轉(zhuǎn)動導(dǎo)致慣性測量單元(IMU)量測中心與GPS天線相位中心之間的桿臂實時變化的問題，通過實時計算三軸慣性穩(wěn)定平臺中心與IMU量測中心之間的動態(tài)桿臂，得到IMU量測中心與GPS天線相位中心之間的實際桿臂，并實時計算三軸慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系相對當?shù)氐乩碜鴺讼翟谌S慣性穩(wěn)定平臺初始坐標系下的角速度，進行動態(tài)桿臂補償。本發(fā)明具有精度高、操作簡單、易于實現(xiàn)的特點，解決了航空遙感使用三軸慣性穩(wěn)定平臺時POS桿臂難以精確補償?shù)膯栴}，提高了POS和航空遙感成像載荷的精度。
文檔編號G01C21/24GK102393201SQ201110220018
公開日2012年3月28日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學(xué)