基于卫星信号的车体方位角测量方法及系统与流程

1.本发明涉及导航的技术领域，具体地，涉及基于卫星信号的车体方位角测量方法及系统，尤其涉及一种冗余的基于卫星信号的车体方位角测量方法。


背景技术：

2.在某些领域，例如防空导弹装备、地质工程、火箭卫星工程等，需要准确获得车体(一种载体平台的统称)在大地坐标系下的方位角值，通过该方位角值可以进一步计算出各物体之间的角度关系。
3.常用的车体方位角获取方法是在车体中安装惯性测量单元，该设备能够进行自动寻北过程，获取设备本身的方位角，然后再转换到车体平台。大部分情况下，惯性测量单元在寻北过程中，需要载体平台保持准绝对静止，且寻北过程至少需要几分钟以获得较高精度的值。同时，惯性测量单元的方位角值还有时间偏移率的指标，也即随着时间的增长方位角误差会越来越大，需要断电复位重新寻北后才能恢复原有的精度指标。
4.常用的惯导方位角测量方法能够适用于一部分应用场景，而对于开机初时段、动平台、长时间不断电复位工作的场景却难以保证精度。因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于卫星信号的车体方位角测量方法及系统。
6.根据本发明提供的一种基于卫星信号的车体方位角测量方法，所述方法包括如下步骤：
7.步骤s1：将测量设备安装在测量平台上；测量设备包括惯性测量单元、双卫星天线、测试界面，测量平台为载车平台；
8.步骤s2：对测量设备测量出的数据进行校准，得到的数据与真实值的差异在能够接受的范围内；
9.步骤s3：使用测量设备测量载车平台的方位角。
10.优选地，所述步骤s1中：
11.惯性测量单元：测量物体三轴姿态角以及加速度的装置，并通过姿态变换矩阵获得物体的方位角；一个惯性测量单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。
12.优选地，所述步骤s1中：
13.双卫星天线：包含主天线、从天线，两个天线安装在测量平台上，两者之间安装距离不小于1.8m，顶部无遮挡；两个天线接收多颗北斗和/或gps卫星信号后解码得到天线的位置信息，通过一定的内部计算得到天线连线的方位角，再转换为车体方位角；
14.测试界面：用于显示和观察测量数据是否正确的界面，同时还用于修正测试误差。
15.优选地，所述步骤s2包括如下步骤：
16.步骤s2.1：利用陀螺经纬仪对载车平台的基准面进行标定，得到载车平台的真实方位角；
17.步骤s2.2：双卫星天线接收卫星信号，解算出双卫星天线连线的方位角；
18.步骤s2.3：根据载车平台的真实方位角和双卫星天线输出的方位角，计算并记录两者的差值；
19.步骤s2.4：惯性测量单元进行寻北，测量惯性测量单元自身的方位角；
20.步骤s2.5：根据载车平台的真实方位角和惯性测量单元输出的方位角，计算并记录两者的差值；
21.步骤s2.6：调整载车平台的方向，重复步骤s2.1-步骤s2.5至少4次；
22.步骤s2.7：得到多次的差值的平均值，对双卫星天线和惯性测量单元的输出进行修正。
23.优选地，所述步骤s3中：
24.利用惯性测量单元作为主要测量设备，双卫星天线作为冗余测量设备，两套设备互为备份；在设备刚开机时段，由于双卫星天线能获取位置信息，计算后得到方位角信息，因此设备刚开机时段由双卫星天线提供车体方位角信息；当惯性测量单元完成寻北后，由于惯性测量单元测得的方位角信息稳定，不受卫星质量影响，因此使用惯性测量单元输出的数据；当惯性测量单元输出的数据存在较大误差时，转换到使用双卫星天线数据。
25.本发明还提供一种基于卫星信号的车体方位角测量系统，所述系统包括如下模块：
26.模块m1：将测量设备安装在测量平台上；测量设备包括惯性测量单元、双卫星天线、测试界面，测量平台为载车平台；
27.模块m2：对测量设备测量出的数据进行校准，得到的数据与真实值的差异在能够接受的范围内；
28.模块m3：使用测量设备测量载车平台的方位角。
29.优选地，所述模块m1中：
30.惯性测量单元：测量物体三轴姿态角以及加速度的装置，并通过姿态变换矩阵获得物体的方位角；一个惯性测量单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。
31.优选地，所述模块m1中：
32.双卫星天线：包含主天线、从天线，两个天线安装在测量平台上，两者之间安装距离不小于1.8m，顶部无遮挡；两个天线接收多颗北斗和/或gps卫星信号后解码得到天线的位置信息，通过一定的内部计算得到天线连线的方位角，再转换为车体方位角；
33.测试界面：用于显示和观察测量数据是否正确的界面，同时还用于修正测试误差。
34.优选地，所述模块m2包括如下模块：
35.模块m2.1：利用陀螺经纬仪对载车平台的基准面进行标定，得到载车平台的真实方位角；
36.模块m2.2：双卫星天线接收卫星信号，解算出双卫星天线连线的方位角；
37.模块m2.3：根据载车平台的真实方位角和双卫星天线输出的方位角，计算并记录两者的差值；
38.模块m2.4：惯性测量单元进行寻北，测量惯性测量单元自身的方位角；
39.模块m2.5：根据载车平台的真实方位角和惯性测量单元输出的方位角，计算并记录两者的差值；
40.模块m2.6：调整载车平台的方向，重复调用模块m2.1-模块m2.5至少4次；
41.模块m2.7：得到多次的差值的平均值，对双卫星天线和惯性测量单元的输出进行修正。
42.优选地，所述模块m3中：
43.利用惯性测量单元作为主要测量设备，双卫星天线作为冗余测量设备，两套设备互为备份；在设备刚开机时段，由于双卫星天线能获取位置信息，计算后得到方位角信息，因此设备刚开机时段由双卫星天线提供车体方位角信息；当惯性测量单元完成寻北后，由于惯性测量单元测得的方位角信息稳定，不受卫星质量影响，因此使用惯性测量单元输出的数据；当惯性测量单元输出的数据存在较大误差时，转换到使用双卫星天线数据。
44.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
45.1、在整车上电或设备上电初始时段，现有常用技术使用的惯性测量单元需要寻北3-7分钟，本发明可以快速输出车体方位角，满足上级系统对快速准备的要求；
46.2、在运动平台时，现有常用技术使用的惯性测量单元不适用于动平台的方位角测量，本发明可以实时输出最新的车体方位角数据；
47.3、当设备长时间工作时，惯性测量单元的测试数据会随着时间的增大具有一定量的漂移误差，当误差增大到一定量级时，影响上级系统的使用；本发明实时获取卫星信号，不存在随时间漂移问题；利用本发明冗余测量的方位角与惯性测量单元测量的方位角作对比，能够及时剔除大误差的方位角数据，保持较好的数据连续性，同时提醒用户及时断电复位惯性测量单元。
附图说明
48.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
49.图1为本发明测量设备安装在载车平台上的示例图；
50.图2为本发明设备校准的流程图；
51.图3为本发明使用陀螺经纬仪标定的方法示意图；
52.图4为本发明的流程图。
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
54.实施例1：
55.根据本发明提供的一种基于卫星信号的车体方位角测量方法，所述方法包括如下步骤：
56.步骤s1：将测量设备安装在测量平台上；测量设备包括惯性测量单元、双卫星天线、测试界面，测量平台为载车平台；
57.惯性测量单元：测量物体三轴姿态角以及加速度的装置，并通过姿态变换矩阵获得物体的方位角；一个惯性测量单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。
58.双卫星天线：包含主天线、从天线，两个天线安装在测量平台上，两者之间安装距离不小于1.8m，顶部无遮挡；两个天线接收多颗北斗和/或gps卫星信号后解码得到天线的位置信息，通过一定的内部计算得到天线连线的方位角，再转换为车体方位角；
59.测试界面：用于显示和观察测量数据是否正确的界面，同时还用于修正测试误差。
60.步骤s2：对测量设备测量出的数据进行校准，得到的数据与真实值的差异在能够接受的范围内；
61.步骤s2.1：利用陀螺经纬仪对载车平台的基准面进行标定，得到载车平台的真实方位角；
62.步骤s2.2：双卫星天线接收卫星信号，解算出双卫星天线连线的方位角；
63.步骤s2.3：根据载车平台的真实方位角和双卫星天线输出的方位角，计算并记录两者的差值；
64.步骤s2.4：惯性测量单元进行寻北，测量惯性测量单元自身的方位角；
65.步骤s2.5：根据载车平台的真实方位角和惯性测量单元输出的方位角，计算并记录两者的差值；
66.步骤s2.6：调整载车平台的方向，重复步骤s2.1-步骤s2.5至少4次；
67.步骤s2.7：得到多次的差值的平均值，对双卫星天线和惯性测量单元的输出进行修正。
68.步骤s3：使用测量设备测量载车平台的方位角。
69.利用惯性测量单元作为主要测量设备，双卫星天线作为冗余测量设备，两套设备互为备份；在设备刚开机时段，由于双卫星天线能获取位置信息，计算后得到方位角信息，因此设备刚开机时段由双卫星天线提供车体方位角信息；当惯性测量单元完成寻北后，由于惯性测量单元测得的方位角信息稳定，不受卫星质量影响，因此使用惯性测量单元输出的数据；当惯性测量单元输出的数据存在较大误差时，转换到使用双卫星天线数据。
70.本发明还提供一种基于卫星信号的车体方位角测量系统，所述基于卫星信号的车体方位角测量系统可以通过执行所述基于卫星信号的车体方位角测量方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于卫星信号的车体方位角测量方法理解为所述基于卫星信号的车体方位角测量系统的优选实施方式。
71.实施例2：
72.本发明还提供一种基于卫星信号的车体方位角测量系统，所述系统包括如下模块：
73.模块m1：将测量设备安装在测量平台上；测量设备包括惯性测量单元、双卫星天线、测试界面，测量平台为载车平台；
74.惯性测量单元：测量物体三轴姿态角以及加速度的装置，并通过姿态变换矩阵获得物体的方位角；一个惯性测量单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。
75.双卫星天线：包含主天线、从天线，两个天线安装在测量平台上，两者之间安装距离不小于1.8m，顶部无遮挡；两个天线接收多颗北斗和/或gps卫星信号后解码得到天线的位置信息，通过一定的内部计算得到天线连线的方位角，再转换为车体方位角；
76.测试界面：用于显示和观察测量数据是否正确的界面，同时还用于修正测试误差。
77.模块m2：对测量设备测量出的数据进行校准，得到的数据与真实值的差异在能够接受的范围内；
78.模块m2.1：利用陀螺经纬仪对载车平台的基准面进行标定，得到载车平台的真实方位角；
79.模块m2.2：双卫星天线接收卫星信号，解算出双卫星天线连线的方位角；
80.模块m2.3：根据载车平台的真实方位角和双卫星天线输出的方位角，计算并记录两者的差值；
81.模块m2.4：惯性测量单元进行寻北，测量惯性测量单元自身的方位角；
82.模块m2.5：根据载车平台的真实方位角和惯性测量单元输出的方位角，计算并记录两者的差值；
83.模块m2.6：调整载车平台的方向，重复调用模块m2.1-模块m2.5至少4次；
84.模块m2.7：得到多次的差值的平均值，对双卫星天线和惯性测量单元的输出进行修正。
85.模块m3：使用测量设备测量载车平台的方位角。
86.利用惯性测量单元作为主要测量设备，双卫星天线作为冗余测量设备，两套设备互为备份；在设备刚开机时段，由于双卫星天线能获取位置信息，计算后得到方位角信息，因此设备刚开机时段由双卫星天线提供车体方位角信息；当惯性测量单元完成寻北后，由于惯性测量单元测得的方位角信息稳定，不受卫星质量影响，因此使用惯性测量单元输出的数据；当惯性测量单元输出的数据存在较大误差时，转换到使用双卫星天线数据。
87.实施例3：
88.本发明公开了一种冗余的基于卫星信号的车体方位角测量方法。通常情况下，车体方位角的获取方法是在车体中安装惯性测量单元，该设备能够进行自动寻北过程，获取设备本身的方位角，然后再转换到载车平台。大部分情况下，惯性测量单元在寻北过程中，需要载体平台保持准绝对静止，且寻北过程至少需要几分钟时间以获得正确的值。本发明提供的车体方位角测量方法是在车体上安装两个卫星天线，该卫星天线能够在无遮挡情况下实时接收gps/北斗信号以得到绝对位置，利用两点的位置信息计算连线的方位角，再转换到车体方位角。大部分情况下，车体采用惯性测量单元获取车体方位角，本发明的测量方位角方法作为车体方位角的一种冗余备份，可以很好地解决惯性测量单元测量时间长、长时间不断电复位导致的误差漂移大的问题。系统刚上电时，车体采用本发明获取车体方位
角，待惯性测量单元寻北完成后，车体采用惯性测量单元的方位角数据，当惯性测量单元长时间不断电复位发生方位角漂移误差大时，可切换到本发明的方位角数据。
89.本文提供了一种基于卫星信号的车体方位角测量方法，既能满足传统的使用场景，又适用于开机初时段、动平台、长时间不断电复位工作的场景。
90.本发明的一种冗余的基于卫星信号的车体方位角测量方法，包括如下步骤：
91.s1、设备的安装：将测量设备安装在测量平台上。测量设备主要包括惯性测量单元、双卫星天线、测试界面，测量平台主要是载车平台。
92.如附图1所示，在载车平台的顶部安装两个卫星天线，间距不小于1.8m，天线顶部无遮挡。在载车平台上安装惯性测量单元。两个设备通过电缆连接测试界面，用于实时将数据发送给测试界面。
93.进一步，步骤s1中所述“惯性测量单元”是指：
94.测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，并通过姿态变换矩阵可以获得物体的方位角。一般的，一个惯性测量单元包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。
95.进一步，步骤s1中所述的“双卫星天线”是指：
96.双卫星天线包含主天线、从天线，两个天线安装在测量平台上，两者之间安装距离不小于1.8m，顶部无遮挡。两个天线接收多颗北斗和(或)gps卫星信号后解码得到天线的位置信息，通过一定的内部计算得到天线连线的方位角，再转换为车体方位角。
97.进一步，步骤s1中所述的“测试界面”是指：
98.测试界面是用于显示和观察测量数据是否正确的界面，同时还用于修正测试误差。
99.进一步，步骤s1中所述的“测试平台”是指：
100.一般测试平台为载车平台，顶部有两个相对固定的安装位置，距离不变且不小于1.8m，用于安装两个卫星天线。
101.s2、设备的校准：对测量设备测量出的数据进行校准，使得数据与真实值的差异在可接受范围内。
102.如附图2所示，“设备的校准”主要包含以下七个步骤：
103.s2.1、利用陀螺经纬仪对载车平台的基准面进行标定(如附图3)，得到载车平台的真实方位角；
104.假设陀螺经纬仪测量载车平台的基准面得到的方位角为a
°
，则载车平台的真实方位角为a
°
90
°
。
105.s2.2、双卫星天线接收卫星信号，解算出双卫星天线连线的方位角；
106.s2.3、根据载车平台的真实方位角和双卫星天线输出的方位角，计算并记录两者的差值；
107.假设双卫星天线连线的方位为b
°
，则两者的差值为α＝a
°
90
°‑b°
。
108.s2.4、惯性测量单元进行寻北，测量惯性测量单元自身的方位角；
109.s2.5、根据载车平台的真实方位角和惯性测量单元输出的方位角，计算并记录两者的差值；
110.假设惯性测量单元测量的自身方位角为c
°
，则两者的差值为β＝a
°
90
°‑c°
。
111.s2.6、调整载车平台的方向，重复s2.1～s2.5至少4次；
112.s2.7、得到多次的差值的平均值，对双卫星天线和惯性测量单元的输出进行修正。
113.重复测量4次后，求得双卫星天线测量差值的平均值：
114.α＝(α1 α2 α3 α4)/4，修正双卫星天线测量输出值。
115.重复测量4次后，求得惯性测量单元测量差值的平均值：
116.β＝(β1 β2 β3 β4)/4，修正惯性测量单元测量输出值。
117.s3、数据的测量：使用测量设备测量载车平台的方位角。
118.如附图4所示，利用惯性测量单元作为主要测量设备，双卫星天线作为冗余测量设备，两套设备互为备份。在设备刚开机时段，由于双卫星天线能较快地获取位置信息，计算后得到方位角信息，因此设备刚开机时段由双卫星天线提供车体方位角信息。当惯性测量单元完成寻北后，由于惯性测量单元测得的方位角信息稳定，不受卫星信号质量影响，因此优先使用惯性测量单元输出的数据。当惯性测量单元输出的数据存在较大误差时，转换到使用双卫星天线数据。
119.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
120.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
121.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。