一种基于卫星定位的引导仪器的标定方法及其装置与流程

1.本发明涉及引导仪器标定技术领域，具体涉及一种基于卫星定位的引导仪器的标定方法及其装置。


背景技术：

2.现有的技术通常是在待标定的引导仪器安装并固定完毕后，在待标定的方向上进行标定实验。通过仪器固定位置处的经纬高信息与标定点的经纬高信息(利用无人机卫星定位回传位置信息、或利用标校塔的gps位置信息等方式)，计算出对准标定点的理论方位角与理论俯仰角，通过操纵引导仪器对准标定点，测出实际方位角与实际俯仰角，求出差值，以此作为修正量，以使得引导仪器在标定方向附近取得较为准确的引导效果。
3.现有方案的修正方法只是对标定方向上进行简单的角度修正，并未从造成误差的根本原因上进行修正，因此，通常只能在标定点附近获得较为准确的引导效果。若目标远离标定方向则误差会越来越大，最终逃逸出有效引导的范围。因此，若需要引导其他方向上的目标，则需在该方向上重新进行标定试验。同时，在标定完成后，引导仪器将不可进行移动或姿态改变。若仪器姿态或位置发生改变，则必须重新进行标定试验。因此传统的标定方法准确度低、引导角度小，同时灵活度低，不可移动，且经常需要进行标定试验，工作量大，效率低。
4.综上所述，现有的引导仪器的标定方法存在准确性低、可靠性差的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种基于卫星定位的引导仪器的标定方法及其装置，通过改进标定方法及数据处理方法，解决了传统的引导仪器的标定方法存在的准确性低、可靠性差的问题。
6.为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种基于卫星定位的引导仪器的标定方法，包括：在静置的条件下，对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测，获取多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰角值；将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点，定位姿态单元生成刚性系统的位姿数据，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值，其中，所述定位姿态单元被配置为与所述引导仪器固定连接并构成所述刚性系统；基于所述理论方位角与俯仰角值、所述实测方位角与俯仰角值和所述位姿数据生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息；在所述引导仪器进行引导时，数据处理单元能够基于所述机械误差及零位方向信息生成修正后的目标方位角和俯仰角。
7.可选地，对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测的方法，包括：将无人机悬停于多个所述标定点处，所述无人机将所述标定点处的卫星定位数据回传至所述数据处理单元，所述数据处理单元基于多个所述标定点处的卫星定位数据和待标定的引导仪器处的卫星定位数据计算多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰
角值。
8.可选地，在所述定位姿态单元与所述引导仪器固定连接的情况下，将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点时，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值的同时，所述定位姿态单元能够生成包含所述定位姿态单元与所述引导仪器的刚性系统的位姿数据。
9.可选地，基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息的方法为三点标定法或四点标定法。
10.相应地，本发明提供，一种基于卫星定位的引导仪器的标定装置，包括定位姿态单元、引导仪器、第一天线和第二天线，其中，所述定位姿态单元、所述引导仪器、所述第一天线和所述第二天线共同固定于同一刚性底座上，所述第一天线和所述第二天线均通过天线馈线与所述定位姿态单元电连接。
11.可选地，所述标定装置还包括后端的数据处理单元，所述数据处理单元分别与所述定位姿态单元、所述引导仪器通信连接。
12.可选地，在静置的条件下，通过对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测，所述数据处理单元获取多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰角值，将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点时，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值并传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息。
13.可选地，所述定位姿态单元的零位方向，与所述第一天线和所述第二天线的指向方向相同。
14.本发明的首要改进之处为提供的基于卫星定位的引导仪器的标定方法，通过基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息，从而实现引导仪器在所有方位上的精确引导。同时，由于定位姿态单元与引导仪器的相对位置恒定不变，因此，无论后续过程中无论引导仪器的位置和姿态如何改变，无需重复进行标定实验，均能够利用定位姿态单元给出的位置和角度信息，通过固定的算法转化计算出新位置、新姿态下引导仪器的零位方向，实现在移动后依然准确引导的目的，解决了传统的引导仪器的标定方法存在的准确性低、可靠性差的问题。
附图说明
15.图1是本发明的基于卫星定位的引导仪器的标定方法的简化流程图；
16.图2是本发明的基于卫星定位的引导仪器的标定装置的简化装置连接图。
具体实施方式
17.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
18.如图1所示，一种基于卫星定位的引导仪器的标定方法，包括：在静置的条件下，对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测，获取多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰角值；将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点，定位姿态
单元生成刚性系统的位姿数据，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值，其中，所述定位姿态单元被配置为与所述引导仪器固定连接并构成所述刚性系统；基于所述理论方位角与俯仰角值、所述实测方位角与俯仰角值和所述位姿数据生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息；在所述引导仪器进行引导时，数据处理单元能够基于所述机械误差及零位方向信息生成修正后的目标方位角和俯仰角。其中，基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息的方法为三点标定法或四点标定法。具体的，若标定场景存在一定的限制，例如：某一方向上存在山峰遮挡，只能在较小的角度范围内进行标定的情况下，可使用三点标定法；若标定场景中不存在较大的环境干扰，则可以使用精度更高的四点标定法。
19.进一步的，三点标定法被定义为：对待标定的引导仪器的三个方位处的标定点进行标定检测时(例如：仪器的0
°
、45
°
和90
°
三个方向上的标定点)，由vincenty公式，在已知一个标定点的经纬高和待标定仪器的经纬高时，就可以非常精确的计算出待标定仪器所处位置的大地平面坐标系下，目标的方位角与俯仰角。因此，若我们可以求得待标定仪器的零位平面在大地平面坐标系下的平面方程，则可以实现全方位的精确引导。具体的，先取0
°
方向的标定点，可以通过vincenty公式计算出理论方位角α
t0
，理论俯仰角θ
t0
，通过操纵待标定仪器对准标定点，可以测得实际对准的方位角α
r0
，实际对准的俯仰角θ
r0
。假设在大地坐标系下，待标定仪器的零位平面方程为ax by z＝0。则，0
°
方向的标定点的坐标值可以表示为
20.假设在仪器的0
°
方向与90
°
方向上各取一个标定点，取得标定点的经度、纬度和高度，再测量出待标定仪器所处位置的经度、纬度和高度，通过vincenty公式，可以非常精确的算出在大地地面坐标系下，目标的方位角和俯仰角。将其记为α
理论0
、θ
理论0
、α
理论90
、θ
理论90
，操作待标定仪器对准标定点，可以测出仪器对准时的仪器方位角、俯仰角，记为α
实际0
、θ
实际0
、α
实际90
、θ
实际90
，共8组数据。以待标定仪器地点为原点建立大地地面坐标系，则对于0
°
方向上的标定点而言，其坐标值为(x0，y0，z0)。其中，假设待标定仪器的零位平面方程为ax by z＝0，则该点在零位面的投影为
21.因此，该标定点距离零位面的距离应为理论俯仰角为此为一个仅有未知数a和b的方程，因此，只需要在90
°
方向上做同样的计算，可以构成一个二元方程组，即可求得零位面。然而实际上，以上的计算基于的是理想零位面的情况，实际上我们是以仪器俯仰角进行计算，因此，计算得出的是平移轴在0
°
和90
°
方向上处于仪器.俯仰0
°
时所构成的平面。那么显而易见的以此平面代替锥面进行引导操纵时,只有0
°
方向和90
°
方向两个位置符合引导需求，而其余位置均会出现俯仰偏差。因此，需要第三个标定点即可确定此偏差，例如,在45
°
方向取得第三个标定点，就可以计算出此标定点在计算平面上的投影，得到计算出的俯仰角,此角与实际俯仰角存在一定的偏差值，差值就是此方向上平面与锥面之间的夹角。假设零位锥面与理想平面的夹角为δθ，则在45
°
方向上，标定平面与理想平面的夹角为因此，通过此标定平面计算得出的俯仰角将与真实俯仰角差由于可以计算得出第三个标定点投影到标定平面上的俯仰角，而实际俯仰角也通过标定已经测得，因此，可以直接计算出δθ。
22.进一步的，四点标定法被定义为：最简单的四点标定法为，在待标定仪器的四个方位进行标定，两两各成90
°
，例如0
°
，90
°
，180
°
，270
°
四个方向进行标定，事实上，这四个方向无需特别精准，近似即可，例如取0.5
°
，88.5
°
，181
°
，269
°
这样的标定点，对δθ的计算结果误差不会大于0.01
°
。此方法有更加简便的计算方法，每相邻的2个点进行标定可以计算出一个标定平面，这四个标定平面会构成一个四棱锥，每两个面的法向量夹角即为δθ。同样由三点标定法中的公式，可以一共计算出四组平面方程的解，a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4，则可以计算出前两个平面的法向量(a，b1，1)与(a2，b2，1)的夹角，即为δθ，但由于标定过程中标定点不是严格的互成90
°
关系，因此仅利用两个平面来计算出的δθ将不会特别准确。因此，可以将每4组δθ进行求平均值，结果将非常趋近于δθ。在已知δθ的情况下，就可以非常方便的进行标定修正了。
23.更进一步的，δθ在不改变机械内部环境的情况下是恒定不变的，因此可以跟随一台引导仪器绑定。今后在任意时刻只需要进行2次标定即可，标定方法如下：由于测出的俯
仰角与δθ平面差了δθ角度，因此，在计算平面方程时，需要将两组标定点的俯仰角减去δθ来计算平面，计算出平面方程之后，将其中一组标定点投影到此平面上，并将其逆时针旋转角度δα，δα为此组标定点测出的实际方位角，即可以计算出待标定仪器的零方位矢量，即仪器坐标系的x轴。将x轴矢量旋转90
°
方向，即可得到y轴矢量。将x轴矢量与y轴矢量进行叉乘，即可得到z轴矢量。由于仪器三轴坐标系已经确定，记为：那么，新坐标系下的坐标值为(x，y，z)
仪
＝t-1
(x，y，z)
地
。即可计算出新坐标系下的方位角与俯仰角，但此时的俯仰角基于δθ平面，因此在引导时需要加上δθ。但是，由于我们确定x轴方向时仅用到了一组标定点，即，理论上引导结果只会严格的贴近这一个标定点，y轴方向是通过我们旋转x坐标得到的，没有用到第二组标定数据，如果第二组标定数据存在方位角误差，那么在这个方向上，俯仰角不会存在误差，但方位角会存在一定的偏差。因此，我们可以计算出新标定点在新坐标系下的投影方位角，与实际方位角进行拟合修正，例如，新坐标系下第二组90
°
标定点计算出的方位角为89.9
°
，那么，在引导时，我们可以将引导方位角设置为进行线性修正，这样在0
°
，90
°
两个方位上，都会严格的与标定点符合，若我们第一次标定时使用的标定点越多，拟合插值做的越多，那么引导效果就会越精确，即使仪器方位角刻盘存在一定的误差也不会.影响最后真实的引导结果。一般情况而言，四点标定法将在仪器的0
°
、90
°
、180
°
、270
°
四个方向上进行方位拟合修正，基本上可以对360
°
范围内的方位角进行修正，以满足全方位引导的要求。
24.同样的，这个拟合差值误差原因也是由于机械方位刻盘导致的，随仪器固定，因此，对于同一套仪器的方位拟合算法也可以绑定一台仪器，永远不会改变。如果在标定时，在引导仪器同一底座上固定一个定位姿态单元，定位姿态单元可以测出自身的方位矢量，并且根据其测得的俯仰角和横滚角可以确定自身所处的平面位置，那么，将仪器坐标系的x轴方位矢量投影到这个平面上，设投影俯仰角为γ，再在这个平面上旋转角度，可以得到位姿仪的方位矢量。那么，在今后的移动过程中，将位姿仪矢量在自身平面上旋转
‑‑
角度，再在平面垂直的方向旋转γ，就可以得到此状态下的待标定仪器的x轴矢量，即可以随时计算出待标定仪器的坐标系，那么，也就可以随时确定新状态下的待标定仪器的引导方位角和俯仰角。
25.因此，引导仪器能够在挪动位置或改变姿态后无需重新进行标定操作，可以直接上电使用，甚至可以在仪器移动过程中实现准确的引导。
26.本发明通过基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息，从而实现引导仪器在所有方位上的精确引导。同时，由于定位姿态单元与引导仪器的相对位置恒定不变，因此，无论后续过程中无论引导仪器的位置和姿态如何改变，无需重复进行标定实验，均能够利用定位姿态单元给出的位置和角度信息，通过固定的算法转化计算出新位置、新姿态下引导仪器的零位方向，实现在移动后依然准确引导的目的，解决了传统的引导仪器的标定方法存在的准确性低、可靠性差的问题。
27.进一步的，对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测的方法，包括：将无人机悬停于多个所述标定点处，所述无人机将所述标定点处的卫星定位数据回传至所述数据处理单元，所述数据处理单元基于多个所述标定点处的卫星定位数据和待标定
的引导仪器处的卫星定位数据计算多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰角值。其中，对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测的方法还可以是其他能够指示标定点坐标的方式，例如：利用建设的标定塔，将仪器对准标定塔，然后利用标定塔所处的经纬高，也可以进行标定计算。
28.更进一步的，在所述定位姿态单元与所述引导仪器固定连接的情况下，将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点时，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值的同时，所述定位姿态单元能够生成包含所述定位姿态单元与所述引导仪器的刚性系统的位姿数据。
29.相应的，如图2所示，本发明提供，一种基于卫星定位的引导仪器的标定装置，其特征在于，包括定位姿态单元1、引导仪器2、第一天线3和第二天线4，其中，所述定位姿态单元1、所述引导仪器2、所述第一天线3和所述第二天线4共同固定于同一刚性底座5上，所述第一天线3和所述第二天线4均通过天线馈线与所述定位姿态单元1电连接。其中，图2中定位姿态单元1与引导仪器2的相对位置关系仅为示例，本发明不对其相对位置关系做具体限定，例如：在刚性底座5为双层刚性底座的情况下，定位姿态单元1可以固定在引导仪器2的下层。
30.进一步的，所述标定装置还包括后端的数据处理单元，所述数据处理单元分别与所述定位姿态单元1、所述引导仪器2通信连接。
31.进一步的，在静置的条件下，通过对待标定的引导仪器的多个方位处的标定点进行标定检测，所述数据处理单元获取多个所述标定点相较于所述引导仪器的理论方位角与俯仰角值，将所述引导仪器逐一对准多个所述标定点时，所述引导仪器生成逐一对准所述标定点时的多个实测方位角与俯仰角值并传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元基于所述理论方位角与俯仰角值和所述实测方位角与俯仰角值生成所述引导仪器的机械误差及零位方向信息。
32.更进一步的，所述定位姿态单元1的零位方向，与所述第一天线3和所述第二天线4的指向方向相同。其中，由于定位姿态单元1具有自检北的功能，但此方位角定位角度通常有一定误差(大部分惯导产品的方位角误差在0.5
°
～1
°
量级)，因此大多会配备双天线搜索卫星信号实时进行方位角矫正，可在卫星信号良好的情况下将方位角误差控制在百分位量级。若所述第一天线3和所述第二天线4的指向方向与定位姿态单元1的本身零位所处的方向不同，则通常定位姿态单元1会在自身角度与天线角度之间来回修正，造成方位角测量的巨大跳动。同时，由于定位姿态单元1测量出的横滚角、俯仰角均是自身零位方向上的俯仰与横滚角，因此，必须测量出位姿仪本身零位的方位，俯仰角与横滚角才有意义，因此所述第一天线3和所述第二天线4的指向方向必须与位姿仪零位方向相同。更进一步的，由于实际安装情况中可能无法保证所述第一天线3和所述第二天线4的指向方向与所述定位姿态单元1的零位方向完全一致，在此情况下，可以通过跑车实验可以测量出所述第一天线3和所述第二天线4与所述定位姿态单元1的零位方向的角度误差，并将此参数输入所述定位姿态单元1中即可完成校正。
33.以上对本发明实施例所提供的基于卫星定位的引导仪器的标定方法及其装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的
装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
34.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
35.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。