天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，属于标定技术。天文定位所使用的倾角传感器在安装过程中存在输入轴不对准误差，以输入轴不对准角

【技术实现步骤摘要】
天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法
本专利技术涉及一种标定技术，特别涉及一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，是一种用于天文定位系统水平测量的倾角传感器的高精度安装标定技术。
技术介绍
天文定位是利用天体敏感器(如星敏感器、天文望远镜等)对已知准确空间位置自然天体进行光电测量，并通过对天体位置信息解算，从而确定被测平台所在的地理位置信息。天文定位以自主导航、定位精度高、抗干扰能力强等优点被广泛应用于航海、航空等领域。天文定位过程所需的已知量除天体位置信息外，还需要时间信息以及平台在地平坐标系中的水平测量信息，这些信息的精度将直接影响天文定位结果的准确性。时间信息通常可以利用GPS的标准秒信号或原子钟提供的时间信号，而水平测量信息则可以利用倾角传感器获取。倾角传感器的水平测量精度主要受两方面因素影响：倾角传感器自身的测量精度以及倾角传感器的安装标定精度，其中倾角传感器自身的测量精度是其本质特性，在出厂时已经确定，而安装标定精度则可以通过一定的方法进行提高。倾角传感器的安装误差主要分为横轴误差和输入轴不对准误差。其中横轴误差主要是指当传感器在垂直于其敏感轴方向倾斜一定角度时耦合到传感器输出信号上所产生的误差。此误差通常可以通过将传感器的安装面与被测面紧密、平整、稳定的固定，或者通过设置相对零点的方式减小或消除。输入轴不对准误差是指在实际安装过程中，传感器的水平方向安装偏差。一般地，倾角传感器在安装时要求被测轴的倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合，当倾角传感器自身的敏感轴与实际被测轴方向不重合时，随倾斜的角度增大，产生的额外误差将呈正弦变化。仿真实验表明当被测倾角为10°，输入轴不对准角为1′时，水平倾角测量误差为0.003°，而此误差将导致天文定位系统的定位误差达到240米，此误差为天文定位系统中最主要的误差源，因此对于倾角传感器的安装标定对于提高天文定位系统的定位精度具有关键作用。由于天文定位设备为光电设备，被测的倾斜轴通常以光学系统的光轴在载体坐标系中的投影为基准，而光轴是看不见摸不到的非实体轴，因此倾角传感器的指定边沿很难与被测倾斜方向重合，因此输入轴不重合问题无法通过精确的安装过程解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术通过一种对倾角传感器输入轴不对准参数进行标定的方法，以减小甚至消除输入轴不对准误差，提高倾角传感器的测量精度，从而间接提高天文定位系统的性能。天文定位所使用的倾角传感器在安装过程中的输入轴不对准参数，以输入轴不对准角ω来表示，本专利技术将对天文定位系统进行改造，完成这此角度的标定工作。所述的天文定位系统由光学子系统、时间子系统、倾角传感器以及数据处理部分组成。自然天体所发出的光信号通过光学镜头，成像在图像传感器中，图像传感器将光信号转换成电信号，形成星图图像；通过对星图图像进行处理，可以提取天体在图像坐标系中的星象坐标；根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过相关的坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。为了标定倾角传感器安装过程中造成的输入轴不对准角，需要已知天文定位系统的自身姿态。而天文姿态测量系统与天文定位系统的不同之处在于姿态测量系统中不需要倾角传感器提供水平测量信息，而是利用GPS设备提供精确的经纬度信息即可完成高精度的姿态测量工作。通过在天文定位系统中增加GPS设备，完成其自身的姿态测量，将测量结果与倾角传感器的测量值建立联系，即可对倾角传感器的输入轴不对准角参数进行标定。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，步骤如下：步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面，使倾角传感器的轴线方向与天文定位系统载体坐标系的被测轴，即光学子系统的光轴在载体坐标系中的投影保持一致；步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量；步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围在倾角传感器的量程范围内；步骤四：通过天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系B中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置；步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)获得星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；其中，λ，分别表示使用GPS定位模块获取的测者所在位置的经度和纬度，表示星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置，表示星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；步骤六：利用步骤四、步骤五获取3颗以上星观测量在载体坐标系B中的矢量位置及其对应的星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置，利用四元数估计方法(QUEST)，可以得到载体坐标系B与测者本地地平坐标系ENU之间的过渡矩阵为了便于表述，在此设过渡矩阵如式(2)：其中，a11～a33均为已知常数。步骤七：利用几何关系完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，已知倾角传感器敏感轴的测量角为ρ，待标定的输入轴不对准角为ω；令倾角传感器的敏感轴矢量为V，由于倾角传感器紧密贴合于天文定位系统的待测平面安装，其敏感轴矢量方向与天文定位系统载体坐标系的XBOYB平面重合或平行；则倾角传感器的敏感轴在载体坐标系B中的单位矢量VB可用式(3)表示：VB＝[cosω,sinω,0]T(3)根据坐标变换关系可得，倾角传感器的敏感轴在测者本地地平坐标系ENU中的单位矢量VENU如式(4)：由于VENU与测者本地地平坐标系XBOYB平面的夹角理论上与倾角传感器的敏感轴水平测量角ρ一致，因此通过解非线性方程(5)得到倾角传感器敏感轴的输入轴不对准角ω；所述的倾角传感器为单轴倾角传感器或双轴倾角传感器。所述的倾角传感器为两个单轴倾角传感器。即本专利技术方法为倾角传感器单个敏感轴的输入轴不对准角标定方法，此方法亦可用于双轴倾角传感器的两轴或两个单轴倾角传感器在天文定位系统中安装的输入轴不对准角标定。所述的天文定位系统由光学子系统、时间子系统、倾角传感器以及数据处理部分组成，自然天体所发出的光信号通过光学镜头，成像在图像传感器中，图像传感器将光信号转换成电信号，形成星图图像；通过对星图图像进行处理，提取天体在图像坐标系中的星象坐标；根据已知自然天体构成的星表，对拍摄的星象进行星图识别；利用时间子系统提供的精确时间信息以及倾角传感器所提供的姿态信息，通过坐标转换和数据优化实现系统的精确定位。本专利技术的有益效果在于：通过对天文定位系统进行改造，增加GPS设备获取精确的经纬度信息，使其变成姿态测量系统，利用此系统完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，以提高系统的定位精度。标定方法适用于各种基于天文定位原理的天文定位系统，仅需要增加GPS定位设备即可实现，简单方便、标定成本低、通用性强，标定算法可以以程序化形式自动完成，耗时短、自动化程度较高。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面；步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量；步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围在倾角传感器的量程范围内；步骤四：通过天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置；步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)获得星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；

【技术特征摘要】
1.一种天文定位系统水平测量的倾角传感器安装参数标定方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：将倾角传感器安装面紧密、平整、稳定地安装于天文定位系统的被测面；步骤二：为天文定位系统增加GPS定位模块，完成测者经纬度信息的实时测量；步骤三：将天文定位系统的平台随机倾斜，倾斜范围在倾角传感器的量程范围内；步骤四：通过天文定位系统观测自然天体，获取一幅星图，通过星图预处理、质心提取、星图识别过程，分别获取星观测量在载体坐标系中的矢量位置，以及星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置；步骤五：根据GPS定位模块提供的测者经纬度信息，利用公式(1)获得星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；其中，λ，分别表示使用GPS定位模块获取的测者所在位置的经度和纬度，表示星参考量在国际地球参考系ITRS中的矢量位置，表示星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置；步骤六：利用步骤四、步骤五获取3颗以上星观测量在载体坐标系B中的矢量位置及其对应的星参考量在测者本地地平坐标系ENU中的矢量位置，利用四元数估计方法(QUEST)，得到载体坐标系B与测者本地地平坐标系ENU之间的过渡矩阵为了便于表述，在此设过渡矩阵如式(2)：其中，a11～a33均为已知常数；步骤七：利用几何关系完成倾角传感器的输入轴不对准角标定，已知倾角传感器敏感轴的测量角为ρ，待标定的输入轴不对准角为ω；令倾角传感器的敏感轴矢量为V，由于倾角传感器紧密贴合于天文定位系统的待测平面安装，其敏感轴矢量方向与天文定位系统载体坐标系的XBOYB平面重合或平行；则倾角传感器的敏感轴在载体坐标系B中的单位矢量VB可用式(3)表示：VB＝[cosω,sinω,0]T(3)根据坐标变换关系可得，倾角传感器的敏感轴在测者本地地平坐标系ENU中的单位矢量VENU如式(4)：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴量，周明月，吕洪武，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22