基于LDV/INS组合的车载高程计及其方法技术

一种基于LDV/INS组合的车载高程计及其方法，所述车载高程计包括惯性导航系统、激光多普勒测速仪、信号解算单元以及高程信息显示单元；所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均安装在车辆上；惯性导航系统惯性导航系统测量车辆行驶过程中的实时俯仰角，并将测量到的实时俯仰角信息传输给信号解算单元；激光多普勒测速仪测量车辆行驶过程中的实时速度，并将测量到的实时速度信息传输给信号解算单元；信号解算单元根据速度信息以及俯仰角信息解算得到设定的单位时间间隔内车辆上升的高度增量，累加从初始点到待测点之间所有的高度增量，最终解算出待测点的高程。本发明专利技术具有不受气象变化的影响、受大气折光的影响小、工作效率高、测量精度高等特点。

【技术实现步骤摘要】
基于LDV/INS组合的车载高程计及其方法
本专利技术涉及激光和精密测量
，特别涉及一种基于惯性导航系统(INS)和激光多普勒测速仪(LDV)的新型车载高程计的实现方法，主要用于对陆地地形高度的测量。
技术介绍
目前，关于地面点高程的测量方法有多种，例如：水准测量，GPS高程测量，三角高程测量以及气压高程测量。水准测量利用一条水平视线，借助于竖立在地面点上的标尺，测定地面上两点之间的高差，根据初始点的高程，推算出待测点的高程。水准测量的精度最高，主要用于建立国家或地区的高程控制网。GPS高程测量的基本原理是通过GPS技术获得测量点的大地高数据，通过水准测量获得测量点的正常高数据，大地高与正常高的差值为高程异常，根据高程异常数据能够对似大地水准面进行拟合，然后得到测量区域内待测点的高程。GPS高程测量的精度可以达到三、四等水准测量的要求。三角高程测量根据由测站点向照准点所观测的垂直角以及两点之间的水平距离，计算测站点与照准点之间的高程差。三角高程测量主要用于代替三、四等水准测量。气压高程测量根据大气压力随高程而变化的规律，利用气压计测量两点的气压差，进而计算高程差，再利用初始点的高程，推算出待测点的高程。水准测量仪器分为光学水准仪和数字水准仪两大类：光学水准仪在测量过程中操作相对较复杂，测量工作量大，观测效率较低，并且由于仪器的停产目前已经无法满足实际需要；近年来数字水准仪因其自动化操作越来越普及，但是数字水准仪受到外界复杂环境的影响，其测量稳定性略显不足，实际测量时有较大几率出现返工重测的现象。水准测量有通视要求，限制了单站水准路线的长度，而且利用水平视线对准时受到大气折光的影响，两点间距离越远，测量误差越大。利用GPS测量地面点的高程，测量点正常高、GPS测量点大地高、对似大地水准面拟合存在的误差都会影响GPS高程测量的精度；还要选取合适的测量点数量，保证其分布均匀，工作量很大；当接收机位于隧道、桥梁、山区、高层建筑物间时，GPS接收的星历信号不足，会导致定位精度下降甚至不能定位。三角高程测量受大气折光的影响，观测的水平距离和垂直角都变大，使得最终测量的高差也变大，而且这种误差随着测站点与照准点的距离增加而增大。而气压式高程计测量大气压时，受气象变化的影响较大，其测量精度最低，主要用于丘陵地和山区的勘探工作。
技术实现思路
针对现有高程测量方法存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于LDV/INS组合的车载高程计及其方法。本专利技术利用LDV测量车式载体的速度，INS测量车式载体的姿态角，从测量原理上与前述四种方法的不同。本专利技术首先利用INS精确测量车辆实时的姿态角同时利用LDV精确测量车辆行驶的速度，进而解算出载体在竖直方向上的速度，通过积分得到载体上升的高度，结合初始点的高程可以得到待测点的高程，从而实现对陆地地形高度的测量。本专利技术具有不受气象变化的影响、受大气折光的影响小、工作效率高、测量精度高等特点。为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：一种基于LDV/INS组合的车载高程计，所述车载高程计包括惯性导航系统(INS)、激光多普勒测速仪(LDV)、信号解算单元以及高程信息显示单元；所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均安装在车辆上；所述惯性导航系统的输出端与信号解算单元电连接，惯性导航系统测量车辆行驶过程中的实时俯仰角，并将测量到的实时俯仰角信息传输给信号解算单元；所述激光多普勒测速仪的输出端与信号解算单元电连接，激光多普勒测速仪测量车辆行驶过程中的实时速度大小和方向，并将测量到的实时速度信息传输给信号解算单元；所述信号解算单元的输出端与高程信息显示单元电连接；信号解算单元根据速度信息以及俯仰角信息解算得到设定的单位时间间隔内车辆上升的高度增量，累加从初始点到待测点之间所有的高度增量，其中初始点的高程信息由惯性导航系统初始对准时获得，最终解算出待测点的高程，最后信号解算单元再将解算出的待测点的高程信息传送至高程信息显示单元进行结果输出。进一步的，为了提高专利技术的高程测量精度，本专利技术还包括卡尔曼滤波器，所述激光多普勒测速仪的输出端与卡尔曼滤波器以及信号解算单元均连接，激光多普勒测速仪将测量到的实时速度信息同时传输给卡尔曼滤波器以及信号解算单元；惯性导航系统的输出端与卡尔曼滤波器以及信号解算单元均连接，卡尔曼滤波器利用激光多普勒测速仪测得的速度信息对惯性导航系统测得的实时俯仰角进行修正，多普勒测速仪测量到的实时速度信息和修正后的俯仰角信息传输至信号解算单元，用于解算待测点的高程。其中惯性导航系统能够测量出车辆实时运动的角速度和加速度，卡尔曼滤波器利用激光多普勒测速仪测得的速度信息对惯性导航系统测得的角速度进行修正，卡尔曼滤波器输出的是角速度的修正量，卡尔曼滤波器将得到的角速度的修正量反馈给惯性测量单元，惯性测量单元再根据反馈的修正量对角速度进行修正得到修正后的角速度，然后再对修正后的角速度进行积分得到对应的修正后的三个姿态角即航向角、横滚角、俯仰角。本专利技术高程测量运用到的是惯性导航系统测量到的车辆运动过程中的俯仰角。进一步地，本专利技术所述车载高程计可以整体全部安装在车辆上，即惯性导航系统(INS)、激光多普勒测速仪(LDV)、信号解算单元以及高程信息显示单元均安装在车辆上。所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均通过固定架固定安装在车辆的外侧面上，且激光多普勒测速仪的激光出口朝向车辆行驶面即地面。本专利技术中的惯性导航系统采用的是激光陀螺惯性导航系统，其由三个激光陀螺和三个加速度计正交配置而成，将惯性导航系统直接固定在车辆上，即可通过惯性导航系统测量出车辆实时运动的三维角速度和加速度，对三维角速度积分可以得到其三个姿态角即航向角、横滚角、俯仰角。本专利技术通过惯性导航系统测量车辆运动过程中的俯仰角。本专利技术中的激光多普勒测速仪，包括激光器、半透半反镜、光阑、衰减片、反射镜、滤光片以及探测器，所述激光器发出的波长为λ的激光束经半透半反镜分成等光强的两束光；其中一束光经衰减片后入射到反射镜上，经反射镜再次反射到衰减片进行衰减后入射到半透半反镜，从半透半反镜透射出的光束经滤光片后入射到探测器的光敏面上，作为参考光；其中另一束光经光阑后入射到地面，其中入射到地面的光束与地面之间的夹角θ即激光发射倾角；地面的一部分散射光会沿原光路返回，即地面的一部分散射光经光阑入射到半透半反镜，从半透半反镜反射出的光束经滤光片入射到到探测器的光敏面上，作为信号光；参考光和信号光在探测器的光敏面上进行混频，信号光与参考光的频率差即为多普勒频率fD。多普勒频率fD与车辆的运动速度v成正比其中fD是多普勒频率，λ是激光波长，θ是激光发射倾角，v是车辆的运动速度。通过探测多普勒频率，即可解算出车辆的运动速度由于车辆以相同的速度前进和后退时，所得到的多普勒频率是相同的，即上述激光多普勒测速仪是无法辨别车辆运动的方向的。本专利技术的目的是实现待测物高程的测量，如车辆在后退，那么后退过程的高度增量应是负值，应予以减掉，不然会造成待测物高程测量不准确。为此，进一步地，本专利技术在上述激光多普勒测速仪中的反射镜上粘接有压电陶瓷，压电陶瓷电连接有压电陶瓷控制器，压电陶瓷控制器用于产生驱动信号作用于压电陶瓷，压电陶瓷在驱动信号的作用下推拉反射镜。压电陶瓷以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：所述车载高程计包括惯性导航系统、激光多普勒测速仪、信号解算单元以及高程信息显示单元；所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均安装在车辆上，所述惯性导航系统的输出端与信号解算单元电连接，惯性导航系统测量车辆行驶过程中的实时俯仰角，并将测量到的实时俯仰角信息传输给信号解算单元；所述激光多普勒测速仪的输出端与信号解算单元电连接，激光多普勒测速仪测量车辆行驶过程中的实时速度大小和方向，并将测量到的实时速度信息传输给信号解算单元；所述信号解算单元的输出端与高程信息显示单元电连接；信号解算单元根据速度信息以及俯仰角信息解算得到设定的单位时间间隔内车辆上升的高度增量，累加从初始点到待测点之间所有的高度增量，其中初始点的高程信息由惯性导航系统初始对准时获得，最终解算出待测点的高程，最后信号解算单元再将解算出的待测点的高程信息传送至高程信息显示单元进行结果输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：所述车载高程计包括惯性导航系统、激光多普勒测速仪、信号解算单元以及高程信息显示单元；所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均安装在车辆上，所述惯性导航系统的输出端与信号解算单元电连接，惯性导航系统测量车辆行驶过程中的实时俯仰角，并将测量到的实时俯仰角信息传输给信号解算单元；所述激光多普勒测速仪的输出端与信号解算单元电连接，激光多普勒测速仪测量车辆行驶过程中的实时速度大小和方向，并将测量到的实时速度信息传输给信号解算单元；所述信号解算单元的输出端与高程信息显示单元电连接；信号解算单元根据速度信息以及俯仰角信息解算得到设定的单位时间间隔内车辆上升的高度增量，累加从初始点到待测点之间所有的高度增量，其中初始点的高程信息由惯性导航系统初始对准时获得，最终解算出待测点的高程，最后信号解算单元再将解算出的待测点的高程信息传送至高程信息显示单元进行结果输出。2.根据权利要求1所述的基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：所述惯性导航系统、激光多普勒测速仪均通过固定架固定安装在车辆的外侧面上，且激光多普勒测速仪的激光出口朝向车辆行驶面即地面。3.根据权利要求1所述的基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：还包括卡尔曼滤波器，所述激光多普勒测速仪的输出端与卡尔曼滤波器以及信号解算单元均连接，激光多普勒测速仪将测量到的实时速度信息同时传输给卡尔曼滤波器以及信号解算单元；惯性导航系统的输出端与卡尔曼滤波器以及信号解算单元均连接，卡尔曼滤波器利用激光多普勒测速仪测得的速度信息对惯性导航系统测得的俯仰角进行修正，多普勒测速仪测量到的实时速度信息和修正后的俯仰角信息传输至信号解算单元，用于解算待测点的高程。4.根据权利要求1所述的基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：惯性导航系统采用的是激光陀螺惯性导航系统，其由三个激光陀螺和三个加速度计正交配置而成，将惯性导航系统直接固定在车辆上，即可通过惯性导航系统测量出车辆实时运动的三维角速度和加速度，对三维角速度积分可以得到其三个姿态角即航向角、横滚角、俯仰角。5.根据权利要求1所述的基于LDV/INS组合的车载高程计，其特征在于：激光多普勒测速仪，包括激光器、半透半反镜、光阑、衰减片、反射镜、滤光片以及探测器，所述激光器发出的波长为λ的激光束经半透半反镜分成等光强的两束光；其中一束光经衰减片后入射到反射镜上，经反射镜再次反射到衰减片进行衰减后入射到半透半反镜，从半透半反镜透射出的光束经滤光片后入射到探测器的光敏面上，作为参考光；其中另一束光经光阑后入射到地面，其中入射到地面的光束与地面之间的夹角θ即激光发射倾角；地面的一部分散射光会沿原光路返回，即地面的一部分散射光经光阑入射到半透半反镜，从半透半反镜反射出的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，
申请(专利权)人：湖南波恩光电科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43