一种可实现高精度绝对位置及姿态测量的稳定平台系统技术方案

一种可实现高精度绝对位置及姿态测量的稳定平台系统，采用信号同步锁存、解算、控制原理，数据存储单元1基于同步脉冲锁存GPS移动站，惯性测量单元，三轴稳定平台，平台任务载荷的原始数据；综合处理计算机采集GPS移动站和惯性测量单元的原始数据，实现高精度位置及姿态解算，并将解算信息送给稳定控制模块，实现三轴稳定平台的稳定控制，同时利用导航误差估计模块估计出组合导航系统的相关误差，并进行补偿；GPS基准站将原始数据存储至数据存储单元2上，数据后处理模块将数据存储单元1和数据存储单元2上的信息进行融合，并输出高精度的位置、速度、姿态等运载体信息和与之匹配的任务载荷测量信息。

A stable platform system for high accuracy absolute position and attitude measurement

A stable platform system can realize high precision absolute position and attitude measurement, using signal synchronous latches, calculation and control principle, the data storage unit 1 synchronous pulse latch GPS mobile station based on inertial measurement unit, three axis stabilized platform, the original data platform task load; the original data processing computer acquisition GPS the mobile station and the inertial measurement unit, high precision position and attitude solution, and the solution to information stability control module, realize stable control of three axis stabilized platform, at the same time using the navigation error estimation to estimate the relative error of the integrated navigation system module, and compensation; GPS base station of the original data to the data store the storage unit 2, data postprocessing modules will be the integration of information data storage unit 1 and the data storage unit 2, and the output of high precision position, Speed, attitude and other carrier information and corresponding task load measurement information.

【技术实现步骤摘要】
一种可实现高精度绝对位置及姿态测量的稳定平台系统
本专利技术涉及一种稳定平台的高精度稳定控制方法，在稳定控制的基础上，可以实现平台绝对指向角、平台位置的高精度测量，将高精度位置姿态测量系统与稳控平台系统进行融合一体化设计；系统涉及高精度位置姿态测量领域，惯性稳定控制领域，遥感测绘等相关领域。
技术介绍
遥感是当前地理信息产业发展的重要核心技术，按照遥感设备的载体来分类，当前遥感系统主要包括陆基、空基、海基遥感系统，其中应用最广泛的便是城市街景测量系统，航空摄影测量系统和海洋三维地貌测量系统。遥感系统的任务载荷，如摄像机，由于载体自身运动等因素影响，使得任务载荷的探测器不能稳定精确指向，遥感载荷平台剧烈的姿态变化最后会造成采集图像的扭曲变形，严重情况下，可能会导致图像可视性极大降低甚至无法判读，为保证遥感探测图像质量，遥感系统必备载荷稳定平台，通过稳定平台来确保探测图像的质量；在稳定平台的基础上，遥感系统需要确定任务载荷探测的每一张图像的准确地理位置，这就需要精确地知道任务载荷的精确位置坐标和稳定平台的精确姿态指向。一般情况下，由于探测目标与稳定平台的距离较远，为了确保准确的坐标位置，对稳定平台的姿态角有特别高的要求，如假设2000米的距离，为了确保1米的位置精度，对稳定平台姿态角的精度要求为0.028°，因此，在稳定平台的基础上需要增加一套高精度的位置姿态测量系统，即POS系统；因此，在当前应用的大部分遥感系统中，高精度位置姿态测量系统和稳定平台为两个必要的设备。当前的遥感设备中，POS系统和稳定平台系统往往都是独立配置的，POS系统中包含有3个陀螺仪和3个加速度计，稳定平台中也包含3个陀螺仪，陀螺仪重复配置造成系统体积重量较大，成本较高；此外，POS系统解算的姿态和稳定平台的姿态角之间由于时间系统参考不一致，容易引入时间不同步误差；第三，POS系统和稳定平台采用独立的CPU，利用POS系统输出的姿态角再控制稳定平台的指向，容易引入时间延迟造成的稳定误差；第四，POS系统和稳定平台都作为分立的系统独立安装，两者的空间安装误差较难标定且每次安装后都需要重新标定。本专利技术主要针对上述POS系统与稳定平台系统独立配置的方案中存在的上述4点问题，提出一种POS系统与稳定平台一体化设计方案，从而实现一种高精度绝对位置测量及绝对姿态指向的稳定平台系统；该系统可以简化掉分立系统集成时至少1/3以上的误差源，同时，还将有效减小平台体积、降低平台成本；此外，一体化稳控方案的设计关键在于将POS系统所提供的高精度的载体运动和姿态信息融入到稳定平台的控制回路当中，在不增加成本和重量的基础上，提高稳定平台的精度。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有POS系统与稳定平台独立配置的技术方案中的不足点，提供一种一体化配置方案，从而实现一种高精度绝对位置测量及绝对姿态指向的稳定平台系统，具体如下：一种可实现高精度绝对位置测量及绝对姿态指向的稳定平台系统，系统包括高精度GPS基准站，GPS移动站，惯性测量单元，三轴稳定平台，平台任务载荷，数据存储单元1，综合处理计算机，数据存储单元2，数据后处理模块组成；GPS移动站，惯性测量单元，三轴稳定平台均通过通信接口与综合处理计算机相连；综合处理计算机内含同步时钟1发生器，组合导航解算模块，稳定控制模块，导航误差估计模块；同步时钟1发生器发出高精度的同步时钟脉冲1，数据存储单元1基于同步时钟脉冲1的信号，同步锁存GPS移动站，惯性测量单元，三轴稳定平台，平台任务载荷的所有原始数据信息；综合处理计算机内含组合导航解算模块，该模块采集GPS移动站和惯性测量单元的原始数据信息，实现高精度的位置及姿态解算，并将解算信息送给稳定控制模块，稳定控制模块输出控制指令，实现三轴稳定平台的稳定控制，同时利用导航误差估计模块估计出组合导航系统的相关误差，并进行补偿；GPS基准站将原始数据存储至数据存储单元2上，数据后处理模块将数据存储单元1和数据存储单元2的信息进行融合，并输出高精度的位置、速度、姿态等运载体信息和与之匹配的任务载荷测量信息。上述系统中，GPS基准站一般安装在地面某一固定位置处，GPS移动站安装在车辆、舰船、飞机等移动载体上，当两者之间存在实时数据链连接时，GPS基准站将相关的信息实时发送给GPS移动站进行实时差分，移动站可以实现2cm左右的定位精度；当两者之间没有实时数据链连接时，后处理软件可以将基准站和移动站存储的信息进行后处理差分，其事后处理精度也可以达到2cm左右；当然，上述系统中不仅限于使用GPS卫星导航系统，也可以使用北斗、GLONASS卫星导航系统或者是三者任意组合的多模、多频卫星导航系统。上述系统中，GPS移动站输出的秒脉冲、位置、速度等信息均输入至综合处理计算机；惯性测量单元包含3个陀螺仪和3个加速度计，可以输出三维的角速度和加速度信息；综合处理计算机内部包含一个组合导航解算模块，该模块主要实现两大功能：(1)利用捷联惯性解算算法，利用三轴陀螺仪和三轴加速度计的信息，实时解算运载体的姿态、位置、速度等信息；(2)将捷联解算的结果与GPS移动站输出的信息进行融合，利用卡尔曼滤波技术进行组合导航解算，从而输出更高精度的位置、速度、姿态等信息。上述系统中，三轴稳定平台的三个电机控制信号和三个对应的编码器角度反馈信号都与综合处理计算机相连；综合处理计算机内包含稳定控制模块，其主要功能是实现对三轴稳定平台的稳定控制，其具体工作原理和流程是：(1)直接利用惯性测量单元输出的角速度信息作为稳定平台的输入角速度，以编码器的差分信息作为角速率反馈，实现对三轴稳定平台的第一级稳定控制；(2)利用综合处理计算机内部的组合导航解算模块输出的方位角、横滚角、俯仰角等信息作为输入，计算三轴稳定平台的指令指向角信息，并以码盘转角作为反馈，控制稳定平台实现预定的指向角；(3)利用目标位置信息作为反馈，控制稳定平台实时跟踪目标，从而实现目标的锁定跟踪，目标的跟踪偏移信息反馈主要包括图像中心偏移量，雷达信号强度偏移量反馈等，这些反馈量可以指示目标偏离中心的位置，从而可以计算出锁定跟踪的控制率；此外，这些反馈量信息实际上也是代表了组合导航解算模块输出的姿态角误差，因此，可以利用上述跟踪偏移信息反馈推算出组合导航系统输出的方位角、横滚角、俯仰角误差，并进一步推算惯性测量单元中的陀螺仪、加速度计误差信息，并进行补偿，这就是组合处理计算机中导航误差估计模块的功能。上述系统中，平台任务载荷安装在三轴稳定平台的内框架上，任务载荷的类型包括但不限于可见光摄像机、红外热像仪、高光谱相机、多光谱相机、激光雷达等，系统可以根据不同的任务目标选择不同的任务载荷。上述系统中，同步时钟1发生器的工作原理如下：利用GPS的秒脉冲pps信号作为基准时钟信号和整秒时刻的时钟信号，系统以pps时钟信号作为参考对综合处理计算机的晶振时钟系统进行误差修正，确保晶振系统在一秒时间内的误差可以忽略不计，系统以pps时钟作为整秒时间基准，并将修正后的晶振计时系统插值到两个pps脉冲之间，从而实现无积累误差的高频时钟信号。上述系统中，综合处理计算机可以利用单CPU多线程并行处理导航解算和稳定控制模块，实现稳定控制的最小时间延迟，确保稳控控制的精本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现高精度绝对位置及姿态测量的稳定平台系统，其特征在于，系统包括高精度GPS基准站(1)，GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)，平台任务载荷(5)，数据存储单元1(6)，综合处理计算机(7)，数据存储单元2(8)，数据后处理模块(9)组成；GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)均通过通信接口与综合处理计算机(7)相连；综合处理计算机(7)内含同步时钟1发生器(10)，组合导航解算模块(11)，稳定控制模块(12)，导航误差估计模块(13)；同步时钟1发生器(10)发出高精度的同步时钟脉冲1(14)，数据存储单元1(6)基于同步时钟脉冲1(14)的信号，同步锁存GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)，平台任务载荷(5)的所有原始数据信息；综合处理计算机(7)内含组合导航解算模块(11)，该模块采集GPS移动站(2)和惯性测量单元(3)的原始数据信息，实现高精度的位置及姿态解算，并将解算信息送给稳定控制模块(12)，稳定控制模块(12)输出控制指令，实现三轴稳定平台(4)的稳定控制，同时利用导航误差估计模块(13)估计出组合导航系统的相关误差，并进行补偿；GPS基准站(1)将原始数据存储至数据存储单元2(8)上，数据后处理模块(9)将数据存储单元1(6)和数据存储单元2(8)上的信息进行融合，并输出高精度的位置、速度、姿态等运载体信息和与之匹配的任务载荷测量信息。...

【技术特征摘要】
1.一种可实现高精度绝对位置及姿态测量的稳定平台系统，其特征在于，系统包括高精度GPS基准站(1)，GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)，平台任务载荷(5)，数据存储单元1(6)，综合处理计算机(7)，数据存储单元2(8)，数据后处理模块(9)组成；GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)均通过通信接口与综合处理计算机(7)相连；综合处理计算机(7)内含同步时钟1发生器(10)，组合导航解算模块(11)，稳定控制模块(12)，导航误差估计模块(13)；同步时钟1发生器(10)发出高精度的同步时钟脉冲1(14)，数据存储单元1(6)基于同步时钟脉冲1(14)的信号，同步锁存GPS移动站(2)，惯性测量单元(3)，三轴稳定平台(4)，平台任务载荷(5)的所有原始数据信息；综合处理计算机(7)内含组合导航解算模块(11)，该模块采集GPS移动站(2)和惯性测量单元(3)的原始数据信息，实现高精度的位置及姿态解算，并将解算信息送给稳定控制模块(12)，稳定控制模块(12)输出控制指令，实现三轴稳定平台(4)的稳定控制，同时利用导航误差估计模块(13)估计出组合导航系统的相关误差，并进行补偿；GPS基准站(1)将原始数据存储至数据存储单元2(8)上，数据后处理模块(9)将数据存储单元1(6)和数据存储单元2(8)上的信息进行融合，并输出高精度的位置、速度、姿态等运载体信息和与之匹配的任务载荷测量信息。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐烨烽，张仲毅，徐韬，
申请(专利权)人：北京星网卫通科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11