一种多传感器系统测角相对误差校正方法与流程

1.本发明属于信息技术领域，涉及一种多传感器系统测角相对误差校正方法。


背景技术：

2.大型舰船平台载综合传感器系统由多个传感器组成，各传感器可独立或协同进行工作。影响综合传感器系统误差的因素主要包括：a.传感器原始测量系统误差；b.安装角误差；c.舰船平台姿态误差。在存在未补偿的传感器相对系统误差时，多传感器系统的融合输出精度很差，甚至会出现还不如单个传感器的数据精度甚至导致数据结果混乱无法融合。为了便于多传感器间数据融合、提高综合传感器系统的探测精度，充分发挥多传感器协同探测效能，必须对各传感器系统误差进行测量和修正，消除系统误差。
3.以往各传感器系统差标定主要通过分别对不同传感器的目标的测量值与真值比较得到，需要进行多次测量，存在真值难以获取(需协调飞机/舰船平台船)、成本高、周期长等缺点。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的难题，本发明提供了一种多传感器系统测角相对误差校正方法，包括以下步骤：
5.机械安装参数标校：通过电子水平仪和陀螺经纬仪对所有传感器的天线阵面安装的水平度、方位角和俯仰角以及不同传感器天线间的相对位置关系进行测量；根据上述测量得到的水平度、方位角、俯仰角、不同传感器天线间的相对位置关系实现安装误差修正及相对位置误差修正；所有传感器包括主传感器和待配准传感器；安装误差的修正根据传感器的天线阵面安装的水平度、方位角和俯仰角以及不同传感器天线间的相对位置关系进行；
6.传感器相对系统误差静态标定：
7.在外界远场架设信号源后，主传感器逐波位地扫描方位和仰角得到一系列采样数据，最后由和差波束得到信号源的测角结果；待配准传感器对同一信号源进行测角，将待配准传感器的测角结果与主传感器做差比较，得到各待配准传感器相对主传感器的相对测角偏差，
8.多次改变信号源架设的位置或者改变舰船平台方向，对传感器相对法线不同方向的相对测角偏差进行测量，通过统计所有的相对测角偏差取反得到最终的相对误差；
9.多传感器相对误差动态检查：
10.在靶船上架设角发射体、架设全频段信号源和喇叭，靶船绕舰船平台匀速运动，主传感器加激励跟踪靶船、待配准传感器被动侦收靶船信号源方位，分别记录各传感器测量值；若各传感器测量值中的目标探测时间的数据率不一致，对各传感器测量值中的目标探测时间进行时间匹配，将时间配准过后的各传感器测量值进行比对，根据动态检查过程进行相对误差的调整。
11.进一步地，天线阵面安装的水平度通过电子水平仪直接读数测量；天线阵面的倾斜角通过陀螺经纬仪直接测量；天线阵面的方位角通过陀螺经纬仪测量出天线阵面相对于正北方向的方位角后，将其与舰船平台基准线相对于正北方向的夹角进行计算得到。
12.进一步地，天线阵面安装的水平度的测量具体包括以下步骤：
13.将电子水平仪平行置于各待配准传感器的天线阵面的测量平面上，待电子水平仪显示数据稳定后，读取电子屏上的水平度读数；
14.按照0
°
、30
°
、45
°
、60
°
、90
°
、120
°
、135
°
、150
°
、180
°
、210
°
、225
°
、240
°
、270
°
、300
°
、315
°
、330
°
依次调整电子水平仪方向，读出电子水平仪的水平度读数；
15.求出待配准传感器各自的水平度读数的平均值，得到待配准传感器各自的最终的水平度。
16.进一步地，天线阵面的倾斜角的测量具体包括以下步骤：
17.用陀螺经纬仪直接测量设备各天线阵面平面镜法线的仰角；测得的各天线阵面平面镜法线的仰角即为天线阵面的倾斜角。
18.进一步地，天线阵面的方位角的测量具体包括以下步骤：
19.将陀螺经纬仪架设在舰船平台艏艉线后标志板上方，按照后标志板中心精确对中整平，接通电源启动陀螺，进行精确定向测量，然后瞄准前艏艉线基准标志板的中心点，测量出舰船平台艏艉线与正北方向的夹角α，以顺时针为正；
20.将陀螺经纬仪架设在天线阵面后部方位镜附近正对位置，保证照准轴处于传感器的天线阵面平面镜的法线上，打开陀螺经纬仪经纬仪自准值功能，使经纬仪光轴与天线阵面方位镜法线重合，测得传感器方位镜法线与正北方向夹角α
′
，以顺时针为正；
21.计算得出传感器的天线阵面方位镜法线与舰船平台艏艉线间的夹角，即|α-α
′
|；所述天线阵面的方位镜法线与舰船平台艏艉线间的夹角即为天线阵面安装后的方位角。
22.进一步地，不同传感器天线间的相对位置关系的测量具体包括以下步骤：
23.在舰船平台艏艉线后标志板上方架设全站仪，按照标志板中心精确对中整平，将全站仪瞄准同舷前艏艉线标志板中心点后，水平角置零；
24.在舰船周围岸上适当位置架设另一部全站仪，通过两部全站仪互瞄，将舰船平台艏艉线传递至岸上全站仪；所述适当位置的适当表示该位置与舰船平台上全站仪架设点、两个天线阵面参考点之间通视；
25.使用全站仪分别测量出主传感器的天线阵面和待配准传感器的天线阵面相对岸上全站仪架设点的相对数据，所述相对数据包括距离、水平角和垂直角；
26.根据测得的相对数据、天线阵面的尺寸、天线阵面的参考点以及天线阵面的参考点相对天线阵面中心的位置关系，计算得出两个传感器天线中心相对位置关系数据。
27.进一步地，使用内插外推或最小二乘法对各传感器测量值中的目标探测时间进行时间匹配。
28.进一步地，所述主传感器为有源传感器，待配准传感器为无源传感器。
29.与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
30.(1)本发明针对各传感器不同的工作原理，选择有源高精度传感器作为综合传感器系统的主传感器，待配准传感器向主传感器进行配准，通过获取待配准传感器与主传感器的相对系统差，进行相对误差修正，实现了系统内部各传感器的误差校正和全系统测角
一致性对准。
31.(2)本发明通过选择一个传感器作为主传感器，采用多传感器天线阵面进行机械轴标校、电性能标校以及动态标校方法，可以在目标真值未知的情况下，将不同传感器进行相对对准，消除多传感器的相对误差，便于后续各传感器进行数据融合，进而提高多传感器系统的测角精度。
附图说明
32.图1为本发明实施例的天线阵面安装的水平度示意图。
33.图2为本发明实施例的水平度测量方位示意图。
34.图3为本发明实施例的天线阵面的法线与舰船平台艏艉线夹角示意图。
35.图4为本发明实施例的天线阵面的法线与舰船平台水平基准平面示意图。
36.图5为本发明实施例的传感器相对系统误差静态标定场景示意图。
37.图6为本发明实施例的多传感器配准动态检查示意图。
38.图7为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
39.本发明提供了一种多传感器系统测角相对误差校正方法，该方法无需知晓真值，即可实现多传感器系统内部误差修正，便于多传感器数据融合、提高系统的探测精度；同时也可用于日常对系统各传感器探测精度的检查分析，确保各传感器测角保持一致性。
40.具体方法如下：
41.1、机械安装参数标定：通过全站仪、电子水平仪和陀螺经纬仪，标定各天线孔径的安装位置、水平度、倾斜角和方位角，装订安装参数，根据天线平面相互位置关系，将各传感器的测量数据转换到统一坐标系，如某传感器的天线阵面的中心位置，修正安装角误差；
42.2、传感器相对系统误差静态标定：架设信号源和全频段喇叭，利用主传感器电扫描测量的天线指向作为真值，待配准传感器被动侦察信号作为测量值，对待配准传感器的方位俯仰测角误差进行修正；所述主传感器为有源传感器，待配准传感器为无源传感器。
43.3、多传感器相对误差动态检查：通过在靶船上架设角发射体、架设全频段信号源和喇叭，靶船绕舰船平台匀速运动，主传感器加激励跟踪靶船、待配准传感器被动侦收靶船信号源方位，分别记录各传感器测量值。若各传感器数据率不一致，可采用内插外推、最小二乘法等方法进行时间匹配，将时间配准过后的各传感器测量值进行比对，检查多传感器相对误差是否得以修正，并可根据动态检查过程进行相对误差微调。
44.为了便于理解本发明的技术方案，下面对其原理进行说明：
45.相对误差修正是通过对两个传感器之间的量测值的系统偏差的相对值进行建模和估计，选择其中一个传感器为主传感器，而待配准传感器作为待配准传感器向主传感器进行对准。
46.假设有两个传感器s1和s2，目标的空间测量值为(r,θ,ε)，分别是目标距离、方位和俯仰角，转换后的目标的直角坐标系的测量值为(x,y,z)。空间极坐标参考系与直角坐标参考系之间的变化关系见下公式。
[0047][0048]
对于传感器本身来说，其量测参考系不一定是稳定的，稳定参考系三个坐标轴与舰船平台南北水平线、舰船平台东西水平线以及舰船平台水平面的垂直线相对应，(φk,ηk,ψk)分别是量测参考系在稳定参考系中的偏航角、俯仰角和横滚角，在量测参考系下传感器k的笛卡尔量测值为rk＝[x
k y
k zk]
t
，相应的稳定参考系坐标为rk'＝[xk'yk'zk']
t
，从量测参考系变换到稳定参考系：rk'＝r
krk
，其中，
[0049][0050]
传感器s2在传感器s1的稳定参考系中的位置坐标为t＝[t
x t
y tz]
t
，r2为传感器s2在其量测系中的目标量测值，则r2变换到传感器s1的量测参考系计算表示为：
[0051]r12
＝rr2 r
1t
t
[0052]
其中r
12
表示在s1量测系中相应的目标位置矢量，且r＝r
1t
r2。变换矩阵r，r1，r2的计算依赖于两个传感器的姿态角参数，也即机械轴标定参数，如果这些姿态角量测值不存在偏差误差，那么可以假设在传感器量测值中没有偏差和随机误差，则可以得到r
12
＝r1。然而，由于机械轴标定参数存在因测量仪表、人为解算等因素，且机电轴之间也存在偏差，导致r
12
≠r1，r
12
不能正确表示s1的量测系的目标位置，所以在机械参数标校完成后，还需通过电性能标校，对传感器之间的系统误差进行估计。
[0053]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0054]
如附图7所示，本技术实施例中的一种多传感器系统测角相对误差校正方法，具体包括以下步骤：
[0055]
1、机械安装参数标校
[0056]
机械标校是通过电子水平仪和陀螺经纬仪对所有传感器的天线阵面安装的水平度、方位角和俯仰角进行测量，从而使得传感器在使用中能够以正确的波束指向进行发射和接收，并在测量目标时正确地进行坐标转换。
[0057]
主要测量方法为：天线阵面安装的水平度通过电子水平仪直接读数测量；天线阵面的倾斜角通过陀螺经纬仪直接测量；天线阵面的方位角是通过陀螺经纬仪测量出天线阵面相对于正北方向的方位角后，将其与舰船平台基准线相对于正北方向的夹角进行计算得到。
[0058]
安装的水平度、倾斜角、方位角的详细测量方法如下所示：
[0059]
1.1天线阵面安装的水平度测量
[0060]
天线阵面安装的水平度即为天线阵面下沿与船体主基准平面之间的夹角关系，如图1所示，其偏差将对探测目标在大角度下的测量精度产生影响。
[0061]
具体测量步骤如下：
[0062]
将电子水平仪根据平行置于各待配准传感器的天线阵面的测量平面上；
[0063]
待电子水平仪显示数据稳定后，读取电子屏上的水平度读数；
[0064]
按照图2所示的方向依次调整电子水平仪方向，读出电子水平仪的水平度读数；
[0065]
求出待配准传感器各自的水平度读数的平均值，得到待配准传感器各自的最终的水平度。
[0066]
1.2测量天线阵面的法线与舰船平台艏艉线之间的夹角
[0067]
天线阵面的法线与舰船平台艏艉线间的夹角即为天线阵面安装后的方位角，如图3所示，其偏差将对探测目标的方位角产生影响。
[0068]
具体测量步骤如下：
[0069]
将陀螺经纬仪架设在舰船平台艏艉线后标志板上方，按照后标志板中心精确对中整平，接通电源启动陀螺，进行精确定向测量，然后瞄准前艏艉线基准标志板的中心点，测量出舰船平台艏艉线与正北方向的夹角α，以顺时针为正；
[0070]
将陀螺经纬仪架设在天线阵面后部方位镜附近正对位置(保证照准轴处于传感器的天线阵面平面镜的法线上)，打开陀螺经纬仪经纬仪自准值功能，使经纬仪光轴与天线阵面方位镜法线重合，测得传感器方位镜法线与正北方向夹角α
′
，以顺时针为正；
[0071]
通过计算得出传感器的天线阵面方位镜法线与舰船平台艏艉线间的夹角，即|α-α
′
|；
[0072]
1.3测量天线阵面的法线与舰船平台水平基准平面间的夹角
[0073]
天线阵面的法线与舰船平台水平基准平面间的夹角即为天线阵面安装后的倾斜角，如图4所示，其偏差将对探测目标的俯仰角产生影响。
[0074]
具体测量步骤如下：
[0075]
在完成测量天线阵面的法线与舰船平台艏艉线之间的夹角之后，关闭陀螺经纬仪电源；用陀螺经纬仪直接测量设备各天线阵面平面镜法线的仰角。
[0076]
1.4多传感器天线之间相对位置关系测量
[0077]
在舰船平台艏艉线后标志板上方架设全站仪，按照标志板中心精确对中整平，将全站仪瞄准同舷前艏艉线标志板中心点后，水平角置零；
[0078]
在舰船周围岸上适当位置(该位置应与舰船平台上全站仪架设点、两个天线阵面参考点之间通视，无遮挡)架设另一部全站仪，通过两部全站仪互瞄，将舰船平台艏艉线传递至岸上全站仪；
[0079]
利用全站仪测角及测距功能，操纵岸上全站仪分别测量出主传感器的天线阵面和待配准传感器的天线阵面相对岸上全站仪架设点的距离、水平角、垂直角等相对数据；
[0080]
根据测得的相对数据、天线阵面的尺寸、天线阵面的参考点以及天线阵面的参考点相对天线阵面中心的位置关系，计算得出两个传感器天线中心相对位置关系数据。
[0081]
将上述测量得到的水平度、方位角、俯仰角、不同传感器天线间的相对位置关系装订到各传感器设备后台软件中，在其进行目标探测时代入运算，实现安装角误差及相对位置误差修正。
[0082]
2、传感器相对系统误差静态标定
[0083]
由于传感器天线的机械轴与实际电性能间存在一定偏差，需对电性能进行标校，
消除机电轴误差及其他系统误差。主要方法如下：
[0084]
在外界远场架设信号源后，主传感器逐波位地扫描方位和仰角得到一系列采样数据，最后由和差波束得到信号源的测角结果；待配准传感器对同一信号源进行测角，将待配准传感器的测角结果与主传感器做差比较，得到各待配准传感器相对主传感器的相对测角偏差。图5为传感器相对系统误差静态标定场景示意图。
[0085]
通过多次改变信号源架设的位置或者舰船平台方向，对传感器相对法线不同方向的测角误差进行测量，通过统计测量结果可以得到更为准确的相对误差，对相对误差进行取反，装订到待配准传感器的后台软件中。
[0086]
3、多传感器相对误差动态检查
[0087]
通过在靶船上架设角发射体、架设全频段信号源和喇叭，靶船绕舰船平台匀速运动，主传感器加激励跟踪靶船、待配准传感器被动侦收靶船信号源方位，分别记录各传感器测量值。若目标探测时间由于数据率不一致，采用内插外推、最小二乘法等方法进行时间匹配，将时间配准过后的各传感器测量值进行比对，检查多传感器相对误差是否得以修正，并可根据动态检查过程进行相对误差微调。多传感器配准动态检查示意图如图6所示。
[0088]
本发明针对各传感器不同的工作原理，选择有源高精度传感器作为综合传感器系统的主传感器，待配准传感器向主传感器进行配准，通过获取待配准传感器与主传感器的相对系统差，进行相对误差修正，实现了系统内部各传感器的误差校正和全系统测角一致性对准。
[0089]
本发明通过选择一个传感器作为主传感器，采用多传感器天线阵面进行机械轴标校、电性能标校以及动态标校方法，可以在目标真值未知的情况下，将不同传感器进行相对对准，消除多传感器的相对误差，便于后续各传感器进行数据融合，进而提高多传感器系统的测角精度。
[0090]
本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0091]
应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0092]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结
合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0093]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0094]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0095]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：random access memory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0096]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。