專利名稱：一種pos方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用精密轉(zhuǎn)臺精確測量位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)的方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法。
背景技術(shù)：
航空遙感系統(tǒng)是以飛機(jī)為載體，利用航空遙感載荷獲取地球表面及表層的大范圍、高精度、多層次空間信息的戰(zhàn)略高技術(shù)，對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全具有重大作用，是當(dāng)今世界高速發(fā)展和激烈競爭的技術(shù)領(lǐng)域。航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行高分辨率成像時(shí)要求載荷在空間做勻速直線、姿態(tài)平穩(wěn)的理想運(yùn)動(dòng)，但飛機(jī)受到陣風(fēng)、湍流等外部擾動(dòng)的影響，使得載荷必然偏離理想運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致成像分辨率嚴(yán)重降質(zhì)。因此，為實(shí)現(xiàn)航空遙感系統(tǒng)的高精度成像，必須精確測量出載荷相位中心的位置、速度和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并在成像過程中進(jìn)行補(bǔ)償。位置姿態(tài)系統(tǒng)(Position and Orientation System，P0S)是一種精確測量航空遙感載荷相位中心位置、速度和姿態(tài)的精密儀器，它由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、POS計(jì)算機(jī)(PCS)和后處理軟件等組成，已成為制約我國高分辨遙感系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。POS的精度包含位置精度、速度精度、方位精度和水平姿態(tài)精度，對于位置精度和速度精度的測試相對簡單，可用厘米級載波相位差分GNSS系統(tǒng)作為測試基準(zhǔn)，計(jì)算POS的位置精度和速度精度。但是，由于在航空遙感飛機(jī)飛行過程中無法獲取載荷準(zhǔn)確的方位角和水平姿態(tài)角，POS的方位精度和姿態(tài)精度測試成為了 POS測試中的一個(gè)難題。目前，測試POS方位精度和姿態(tài)精度的方法是通過航空遙感成像與地面控制點(diǎn)結(jié)合的方法。航空攝影測量飛機(jī)的典型作業(yè)航跡為飛機(jī)進(jìn)入第1條航攝帶，直線飛行時(shí)間 tl并連續(xù)成像，然后做正向旋轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)彎進(jìn)入第2條航攝帶，再直線飛行時(shí)間t2，然后做逆向旋轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)彎進(jìn)入第3條航攝帶，重復(fù)以上步驟直至完成整個(gè)航攝區(qū)域的作業(yè)。利用各個(gè)航攝帶成的遙感圖像和地面控制點(diǎn)，計(jì)算出遙感載荷相位中心的方位角和水平姿態(tài)角，并將之作為基準(zhǔn)測試POS的方位精度和姿態(tài)精度。這種測試方法必須和遙感載荷聯(lián)合進(jìn)行飛行試驗(yàn)才能測試出POS的方位精度和姿態(tài)精度，試驗(yàn)復(fù)雜、成本高、周期長，而且此測試方法的置信度受遙感載荷精度的影響。

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，提供一種POS方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法，該方法減小了 POS精度測試的成本和實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，測試過程簡單且精度高，后處理過程計(jì)算量小且能精確給出POS的方位精度和姿態(tài)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種POS方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法，將POS 中的IMU安裝在三軸精密轉(zhuǎn)臺上，在三軸精密轉(zhuǎn)臺調(diào)平并指北的情況下，通過轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)六次IMU的方位軸180°旋轉(zhuǎn)和橫滾軸0° —士20° —0°旋轉(zhuǎn)，模擬航空攝影測量時(shí)飛機(jī)的典型航跡，再以轉(zhuǎn)臺提供的高精度姿態(tài)信息為基準(zhǔn)計(jì)算POS系統(tǒng)的方位角和水平姿態(tài)角的 RMS誤差及STD誤差。具體步驟如下(1)將POS中IMU安裝在轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)面上，使IMU的兩個(gè)水平軸與轉(zhuǎn)臺的兩個(gè)水平軸平行，調(diào)整轉(zhuǎn)臺使橫滾框和俯仰框水平并使方位框指北；(2)啟動(dòng)P0S，預(yù)熱1800秒后開始持續(xù)記錄IMU原始數(shù)據(jù)和GNSS數(shù)據(jù)，其中IMU 原始數(shù)據(jù)包括角增量、比力和時(shí)間，GNSS數(shù)據(jù)包括位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間；；(3)靜態(tài)測試300 900秒，作為第1個(gè)測試位置；(4)轉(zhuǎn)臺方位框作180°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)臺橫滾框作0° -20° 0°旋轉(zhuǎn)， 即轉(zhuǎn)臺橫滾框從0°旋轉(zhuǎn)到-20°，再從-20°旋轉(zhuǎn)到0° ；(5)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定5 30s并記錄穩(wěn)定時(shí)間，然后靜態(tài)300 900秒作為第2個(gè)測試位置；(6)轉(zhuǎn)臺方位框作180°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)臺橫滾框作0° 20° 0°旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)臺橫滾框從0°旋轉(zhuǎn)到20°，再從20°旋轉(zhuǎn)到0° ；(7)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定5 30s并記錄穩(wěn)定時(shí)間，然后靜態(tài)測試300 900秒作為第3個(gè)測試位置；(8)重復(fù)第(4)步至第(7)步操作兩次，完成第4 7位置測試；(9)下載測試數(shù)據(jù)，結(jié)束測試；(10)利用POS后處理軟件計(jì)算出整個(gè)測試過程中POS的方位角和水平姿態(tài)角，扣除第1 2位置、步驟(4)和(6)中的轉(zhuǎn)動(dòng)過程及步驟( 和(7)中轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定過程的數(shù)據(jù)， 僅保留第3 7測試位置的方位角和水平姿態(tài)角信息；(11)利用POS第3 7位置的方位角和水平姿態(tài)角，以轉(zhuǎn)臺提供的方位角和水平姿態(tài)角作為基準(zhǔn)，通過分別通過RMS誤差公式和STD誤差公式計(jì)算出POS方位角和水平姿態(tài)角的RMS誤差和STD誤差，所述的RMS誤差公式和STD誤差公式如下
權(quán)利要求
1.一種位置姿態(tài)測量系統(tǒng)方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)將位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS)中慣性測量單元(IMU)安裝在轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)面上，使IMU的兩個(gè)水平軸與轉(zhuǎn)臺的兩個(gè)水平軸平行，調(diào)整轉(zhuǎn)臺使橫滾框和俯仰框水平并使方位框指北；(2)啟動(dòng)P0S，預(yù)熱1800秒后開始持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，所述的數(shù)據(jù)包括IMU原始數(shù)據(jù)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其中IMU原始數(shù)據(jù)包括角增量、比力和時(shí)間，GNSS數(shù)據(jù)包括位置、速度、 姿態(tài)和時(shí)間；(3)靜態(tài)測試300 900秒，作為第1個(gè)測試位置；(4)轉(zhuǎn)臺方位框作180°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)臺橫滾框作0° -20° 0°旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)臺橫滾框從0°旋轉(zhuǎn)到-20°，再從-20°旋轉(zhuǎn)到0° ；(5)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定5 30s并記錄穩(wěn)定時(shí)間，然后靜態(tài)測試300 900秒作為第2個(gè)測試位置；(6)轉(zhuǎn)臺方位框作180°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)臺橫滾框作0° 20° 0°旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)臺橫滾框從0°旋轉(zhuǎn)到20°，再從20°旋轉(zhuǎn)到0° ；(7)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定5 30s并記錄穩(wěn)定時(shí)間，然后靜態(tài)測試300 900秒作為第3個(gè)測試位置；(8)重復(fù)第(4)步至第(7)步操作兩次，完成第4 7位置測試；(9)下載測試數(shù)據(jù)，結(jié)束測試；(10)利用POS后處理軟件計(jì)算出整個(gè)測試過程中POS的方位角和水平姿態(tài)角，扣除第 1 2位置、步驟(4)和(6)中的轉(zhuǎn)動(dòng)過程及步驟(5)和(7)中轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定過程的數(shù)據(jù)，僅保留第3 7測試位置的方位角和水平姿態(tài)角；(11)利用POS第3 7位置的方位角和水平姿態(tài)角，以轉(zhuǎn)臺提供的方位角和水平姿態(tài)角作為基準(zhǔn)，分別通過RMS誤差公式和STD誤差公式計(jì)算出POS方位角和水平姿態(tài)角的RMS 誤差和STD誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法，其特征在于所述的RMS誤差公式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法，其特征在于所述的STD誤差公式如下
全文摘要
一種位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)方位精度和姿態(tài)精度的地面測試方法。本發(fā)明涉及一種利用三軸精密轉(zhuǎn)臺進(jìn)行POS的方位精度和姿態(tài)精度測試的方法，該方法將POS中的慣性測量單元IMU安裝在三軸精密轉(zhuǎn)臺上，在三軸精密轉(zhuǎn)臺調(diào)平并指北的情況下，通過轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)六次IMU的方位軸180°旋轉(zhuǎn)和橫滾軸0°～±20°～0°旋轉(zhuǎn)，模擬航空攝影測量時(shí)飛機(jī)典型航跡，再以轉(zhuǎn)臺提供的高精度方位角和水平姿態(tài)角姿態(tài)信息為基準(zhǔn)計(jì)算POS輸出的方位角和水平姿態(tài)角的RMS誤差及STD誤差。本發(fā)明具有精度高、簡單實(shí)用、成本低的特點(diǎn)，可用于在地面測試各類POS的方位精度和姿態(tài)精度。
文檔編號G01C25/00GK102168989SQ20101061332
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者劉百奇, 宮曉琳, 房建成, 李向東, 李建利, 鐘麥英 申請人:北京航空航天大學(xué)