车载光电经纬仪不落地测量的实时误差修正方法

车载光电经纬仪不落地测量的实时误差修正方法
高策;乔彦峰
【摘要】车载光电经纬仪是广泛应用于军事和航天领域的高机动性光学精密测量仪器,为保证精度,在使用过程中往往需要与地基环连接,将经纬仪固定到指定的地基上;为充分发挥车载光电经纬仪机动灵活的特点,摆脱地域的限制,文章对车载光电经纬仪不落地测量的误差修正方法进行了系统的研究;借助一种基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量扭转角的高精度光学测角方法,通过对某型号车载光电经纬仪在不接地基环情况下的测量实验与数据分析,建立起一套完善的实时误差修正方法,并通过恒星标定验证了该方法的正确性与有效性,并对修正前后的测量精度进行比较;实验结果表明,该方法将某型号车载光电经纬仪在不落地情况下的测量精度从原来的70 arc sec左右提高到10 arc sec以内,在保证精度的前提下,实现了车载光电经纬仪的不落地测量.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2010(018)012
【总页数】3页(P2738-2740)
【关键词】车载光电经纬仪;测量误差;测量精度;摩尔条纹;光栅
【作者】高策;乔彦峰
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春,130022;中国科学院研究生院,吉林长春,130022;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春,130022
【正文语种】中文
【中图分类】V557.4
0 引言
传统的车载光学测量设备需要配套的场坪设施, 包括作为地基使用的平整钢筋水泥地面以及固定用的地基环。

把车载光学设备落在地基上, 并与地基环进行固定连接, 这个过程称为落地。

落地对于车载光学设备来说虽然保证了设备的测量精度, 但同时也将移动的设备束缚在指定的地点工作, 这大大限制了车载光测设备的机动性。

想要真正实现车载光测设备灵活、高效及机动的特点, 做到不受时间和地域的限制, 关键在于实现车载设备的不落地测量, 消除地面不平整, 设备工作过程中的带动力, 甚至风力等外部因素对设备测量数据精度造成的影响。

本文借助一种基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量扭转角的高精度光学测角方法[1] , 通过对某型号车载地平式光电经纬仪姿态角度的测量与分析, 建立了姿态角度与测量数据之间的关系模型, 并用数据处理的手段对车载光电经纬仪测量误差进行实时修正, 同时通过星体目标的观测数据验证了这一方法的正确性和有效性。

1 姿态角度测量
车载光电经纬仪在不落地的情况下, 由于载车上的经纬仪并没有固定到地基上, 必然会有一定的倾斜角度, 而且这个角度会受到外力以及设备运行过程中的带动力影响而发生相应的变化, 我们将这个角度定义为车载经纬仪的姿态角度。

分析空间目标的姿态角度, 我们首先需要建立坐标系。

将载车上的光电经纬仪看作一个整体, 建立垂线测量坐标系ov - xvy vz v ,如图1 所示, 具体定义如下:
ov 为经纬仪视轴回转中心(三轴交点);ovy v 与大地铅垂线重合, 指向地球外为
正;ov x v 为过ov 的天文子午面与水平面的交线, 指向大地北为正, 经纬仪的方位
零度与ov x v 轴重合;ovz v 依据右手定则确定。

在垂线坐标系ov -xvy vz v 中, 绕x v 轴的角度变化定义为垂直轴横向倾斜, 横向倾斜角θ;面向正北顺时针方向为正,绕zv 轴的角度变化定义为垂直轴纵向倾斜, 纵向倾斜角ψ;绕y v 轴的角度变化定义为偏向角K 。

图1 垂线测量坐标系下车载光电经纬仪姿态角度定义
车载光电经纬仪姿态角度可以采用CCD 激光自准直法及电子测角仪等多种方法测量。

图2 是一种光学自准直测量方法的部分原理图, 通过固定在垂直轴上的两个测量光管测量莫尔条纹宽度变化来测量发射光栅与接收光栅的夹角, 本文中使用的姿态角度数据就是通过这种非接触式光电结合的方法测量得到的。

图2 车载变形测量光学自准直测量法
2 误差修正方法
得到车载光电经纬仪的横向倾斜角θ、纵向倾斜角ψ以及偏向角K 后, 根据坐标转换的方法对角量影响进行分析。

空间目标直角坐标系(O-X YZ)与极坐标系(O-R AE)的转换公式为:
横向倾斜角θ的几何关系如图3 所示。

图3 横向倾斜角θ的几何关系
从图3 中的几何关系可以推导出公式(2)
建立矩阵方程(3)
对矩阵求逆得公式(4)
同理纵向倾斜角ψ, 对矩阵求逆得公式(5)
偏向角K , 对矩阵求逆得公式(6)
综合式(4), (5), (6)得
建立经纬仪轴系坐标系中测量数据与垂线测量坐标系转化公式
由式(7)、式(8)可得:
表1 实验中使用的恒星星表images/BZ_65_1158_2687_2116_2953.png
表2 修正前后精度比较
式(9)、式(10)为垂线测量坐标系下角度信息(Av ,Ev)与车载经纬仪轴系角度信息(AcE c)之间的转化关系。

得到转化关系后, 在光电经纬仪的数据处理系统进行实时的修正, 将横向倾斜角θ、纵向倾斜角ψ、偏向角K 作为实时的输入数据, 将转化后的角度信息(Av , Ev )作为实时输出, 将轴系下的测量数据转化到垂线坐标系下数据, 就可以排除外部作用力对不落地的车载经纬仪造成的姿态变化影响, 得到精度较高的测量数据。

3 实验数据
为了验证模型的正确性, 针对某型号车载光电经纬仪,采用恒星标定的方法进行了如下实验。

首先根据表1 中的星表, 计算出恒星位置, 转化为引导信息(Al, El), 在车载光电经纬仪不落地的情况下, 分别对这4 颗指定恒星进行测量。

图4 某型号车载光电经纬仪恒星标定(修正前)
在不进行数据修正的情况下, 视场中恒星的成像情况如图3 所示, 该型号光电经纬仪视场为30′×30′, 图3 为截取的4次拍摄恒星情况, 从图中可以看出恒星的位置
明显分散、不规律。

证明该型号车载经纬仪在不落地的情况下, 设备运转到不同角度的情况下, 存在着较大的测量误差。

使用姿态角度修正方法后, 重新对这4 颗星进行拍摄, 得到的图像如图4 所示, 可以看出修正后的恒星出现在视场中的相同位置, 大大降低了经纬仪在不落地情况下姿态角度对测量造成的影响。

图5 某型号车载光电经纬仪恒星标定(修正后)
通过图像信息我们可以对修正效果有一个直观的印象, 表2 中通过对实验数据的比对, 定量地显示出了修正的效果。

其中星体的理论值近似认为是真值, 这样通过修正前后的测量值进行精度计算得出, 修正前车载光电经纬仪在不落地的情况下对目标的测量精度为70.656 sec, 修正后的测量精度为8.885 sec.虽然将星体理论值近似为真值还存在一定的误差,但仍然可以看到修正效果明显, 验证了该方法提高车载光电经纬仪测量精度的可行性与有效性。

4 结论
通过对恒星的标定验证了本文所论述的实时修正方法是行之有效的, 这种方法实现了某型号车载光电经纬仪的不落地测量, 从而使车载光电经纬仪摆脱了时间和地域的限制, 随时随地可以进行测量, 最大可能地发挥了其灵活机动的特性, 提高了使用效率, 也为其他车载光学设备的不落地测量提供了理论支持。

采用实时获取姿态角度信息, 实时修正的模式, 缩短了事后数据处理的时间, 使测量数据能够尽快地投入使用。

为完成更高的光电经纬仪的测量精度指标提供了可能。

参考文献:
【相关文献】
[1]乔彦峰, 王成龙, 李向荣, 等.莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究[J].光学精密工程, 2008, 16 (11):2132-2139.
[2]刘丹平, 段钦义, 李云伟, 等.适用于光电跟踪的初始目标区域估计法[J].光学精密工程, 2008, 16 (11):2286-2289.
[3]张涛, 乔彦峰.基于ASPI 和SCSI 的高速视频存储系统[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (6):1380-1382.
[4]刘溪, 陈凌峰, 周敏, 等.基于数字图像处理技术的球压测试压痕自动测量[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (6):1262-1265.。