一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法技术

一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法，激光测风雷达在载体移动平台上获得激光测风视线矢量，同时载体具有速度信息、运动姿态信息、载体的高度和位置信息及激光束的指向信息，因此设计移动平台运动姿态组合测量的测风订正；其中载体的速度信息包括载体的运动速度大小；载体的运动姿态信息有载体的偏航角、载体的俯仰角和激光束0°方位角方向的偏航角；载体的高度和位置信息包括载体的海拔高度和经纬度信息；激光束的指向信息包括激光束方位角和仰角；运动姿态补偿算法步骤：根据运动姿态组合测量装置获取的数据，首先订正载体移动平台的运动速度造成的风速误差；其次通过坐标补偿的方式订正载体的倾斜角度造成的距离库高度误差。

【技术实现步骤摘要】
一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法
：本专利技术涉及一种在移动平台上激光测风雷达的风速订正方法，能够根据搭载平台的运动姿态，通过风速及角度订正得到实时风廓线结果。
技术介绍
：测风激光雷达可以快速、准确地获取风廓线信息，具有高时空分辨率、晴空探测以及快捷方便等显著优点，除了应用于固定方式观测外，还会应用于车载、船载等移动平台上进行观测。在移动平台上使用时，由于平台在不断的运动，激光测风雷达的激光束指向并不确定，随平台的运动而运动，因而无法直接使用固定方式下激光测风雷达的数据处理方法。激光测风雷达的机动式应用时主要存在三个问题：一是激光雷达测量时需要进行该方向上多帧累加，移动平台上方向的不断变化导致测量的不是同一个距离库位置上的大气粒子，无法累加；二是固定方式下都是做固定天顶角的圆锥扫描，假定大气水平均一，采用VAD算法拟合三维风场，在移动平台下并不适用；三是平台运动会导致激光测风雷达产生震动、倾斜、翻转及平动等，此时测量的径向风速必然叠加了激光雷达的速度信息。因此，需要提出能结合移动平台运动姿态的激光测风雷达订正方法，得到准确的三维风场信息。现将所用坐标系定义如下：地球坐标系：坐标原点位于地心，X轴正方向过本初子午线与赤道的交点，Y轴正方向过东经90度子午线与赤道的交点，Z轴正方向过地球北极点。该坐标系与地球固联。地理坐标系：坐标原点位于载体重心，X轴正方向指向正东，Y轴正方向指向正北，Z轴正方垂直向上，构成右手坐标系。载体坐标系：坐标原点位于载体重心，X轴正方向指向载体正前方，Y轴正方向指向载体正前方左侧，Z轴沿载体立轴向上，构成右手坐标系，该坐标系与载体固联，载体坐标系相对地理坐标系的方位关系就是载体的航向和姿态。解决该问题主要有3种方法：一是设计一种性能优良的载体，使载体能够进行运动补偿；二是搭载机械补偿装置，尽可能多地减小对激光雷达测量数据的影响；三是设计相应的运动补偿方法，通过数学模型计算消除运动误差。第一种方法需要设计一种力学结构复杂的优良载体，第二种方法需要用到史都华平台、平衡环等复杂的机械结构，第三种方法需要建立相应的数学结构模型，编写运动补偿修正算法。由于前两种解决方案代价偏大，本设计采用代价最小的运动补偿修正算法，建立激光测风雷达运动姿态测风订正模型消除车载影响。目前，惯性导航系统是比较常用的订正方法，用于测量系统运动过程中的姿态，进而对原始数据进行数据订正，保证数据的准确性。惯性导航是一门综合机电、光学、数学、控制及计算机等学科的技术，是现代科学发展到一定阶段的产物。惯性导航系统是在牛顿提出的相对惯性空间的力学定律下发展起来的，是以陀螺和加速度计为传感器的导航参数解算系统。系统根据陀螺仪的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出的解算出运载体的速度和位置信息。惯性导航系统仅依靠惯性测量装置本身就能在载体内部独立地完成导航任务，不需要与外界发生任何信号联系，具有高度的自主性。20世纪90年代以来，随着惯性传感器的体积小、重量轻、易于安装、高可靠性等特点，惯性导航逐渐应用至军事、航空、航海及航海事业。惯性导航系统按照结构分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统，其不同主要在于平台，前者是通过“数学平台”完成的，即姿态矩阵的解算。姿态矩阵利用导航坐标系将惯性传感器所输送的角速度信息和加速度信息进行导航计算，而陀螺仪输出的信息用来解算姿态变换矩阵，得到运动载体的姿态和航向信息。本专利技术采用捷联式惯性导航系统的原理，设计了一种新的车载式激光测风雷达运动姿态测风订正方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提出一种基于惯性导航系统的订正方法，用于测量系统运动过程中的姿态，进而对原始数据进行数据订正，保证数据的准确性。本专利技术的技术方案是，一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法，其特征是，激光测风雷达在载体移动平台上获得激光测风视线矢量，同时载体具有速度信息、运动姿态信息、载体的高度和位置信息及激光束的指向信息，因此设计移动平台运动姿态组合测量的测风订正；其中载体的速度信息包括载体的运动速度大小；载体的运动姿态信息主要有载体的偏航角、载体的俯仰角和激光束0°方位角方向的偏航角；载体的高度和位置信息包括载体的海拔高度和经纬度信息；激光束的指向信息包括激光束方位角(相对激光束0°方位角方向)和仰角(相对于载体所在平面)；载体移动平台的的运动姿态组合测量装置由星基导航传感器(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)、三维电子罗盘、数据采集器组成；获得沿激光束方向载体移动平台的径向速度，同时配合光束圆锥扫描系统，进而结合载体移动平台测量的运动姿态信息，应用运动姿态测风订正模型，反演获得载体移动平台所在空域完整的三维风场分布：载体移动平台的姿态定义，其中指载体的偏航角，指激光束0°方位角方向的偏航角，指激光束方位角，θ1指载体的俯仰角，θ2指激光束仰角；激光测风雷达与姿态组合测量装置通过机械连接后安装在载体移动平台上，其相对于载体移动平台的位置为不可移动，相对于载体移动平台的角度在水平和垂直进行转动，这个转动的角度信息直接测量得到；运动姿态补偿算法的计算步骤：根据运动姿态组合测量装置获取的数据，首先订正载体移动平台的运动速度造成的风速误差，含载体平动速度和转动速度；其次通过坐标补偿的方式订正载体的倾斜角度造成的距离库高度误差，进而得到真实对地风速和位置信息；订正算法的具体步骤如下：Step1：订正载体的运动速度造成的风速误差由于GNSS传感器、三维电子罗盘及激光测风雷达三者的坐标系不一致，首先需进行坐标转化矩阵计算，通过坐标转化矩阵对风场速度矢量进行补偿，载体运动平台的平动和转动分开进行考虑：首先考虑载体的平动，不考虑载体及望远镜的转动和包括俯仰角的变化；当载体运动为匀速直线运动，且望远镜不进行转动时，此时测风视线矢量仅仅被附加了一个载体的平动(平移)速度矢量Vs＝(Vsx,Vsy)，其中Vsx表示在x方向(E方向)的速度，Vsy表示在y方向(N方向)的速度。而激光测风视线矢量测到的瞬时风场数据为风场速度矢量与距离r的关系，记为其中Vwr(r)表示距离载体r处风场的径向风速，表示距离载体r处风场的横向风速；根据极坐标系与直角坐标系的转化关系及矢量合成定律：这样，就将角速度转化为直角坐标速度，风速修正的方法就可直接将激光雷达测到的风场速度矢量加上载体运动矢量即可：表示激光束的方位角即激光测风视线的方位角，Vw0＝Vw+Vs当载体运动平台为加速直线运动时，运动速度是时间的函数；然后考虑载体运动平台的转动及望远镜的转动，包括俯仰角的变化。此时不考虑载体运动平台的平动，包括加速直线运动。测风视线矢量相对于大地参考系的转动速度记为转动速度矢量其中表示在水平方向转动的速度为主要考虑因素，ωsθ表示在垂直θ方向的角速度。在一般情况下，垂直风速远小于径向及横向风速，因此俯仰角θ的变化主要影响测风高度数据的修正。当只存在转动情况下，测风视线矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法，其特征是，激光测风雷达在载体移动平台上获得激光测风视线矢量，同时载体具有速度信息、运动姿态信息、载体的高度和位置信息及激光束的指向信息，因此设计移动平台运动姿态组合测量的测风订正；其中载体的速度信息包括载体的运动速度大小；载体的运动姿态信息主要有载体的偏航角、载体的俯仰角和激光束0°方位角方向的偏航角；载体的高度和位置信息包括载体的海拔高度和经纬度信息；激光束的指向信息包括激光束方位角(相对激光束0°方位角方向)和仰角(相对于载体所在平面)；载体移动平台的的运动姿态组合测量装置由星基导航传感器(Global Navigation Satellite System，GNSS)、三维电子罗盘、数据采集器组成；/n获得沿激光束方向载体移动平台的径向速度，同时配合光束圆锥扫描系统，进而结合载体移动平台测量的运动姿态信息，应用运动姿态测风订正模型，反演获得载体移动平台所在空域完整的三维风场分布：/n载体移动平台的姿态定义，其中

【技术特征摘要】
1.一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法，其特征是，激光测风雷达在载体移动平台上获得激光测风视线矢量，同时载体具有速度信息、运动姿态信息、载体的高度和位置信息及激光束的指向信息，因此设计移动平台运动姿态组合测量的测风订正；其中载体的速度信息包括载体的运动速度大小；载体的运动姿态信息主要有载体的偏航角、载体的俯仰角和激光束0°方位角方向的偏航角；载体的高度和位置信息包括载体的海拔高度和经纬度信息；激光束的指向信息包括激光束方位角(相对激光束0°方位角方向)和仰角(相对于载体所在平面)；载体移动平台的的运动姿态组合测量装置由星基导航传感器(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)、三维电子罗盘、数据采集器组成；
获得沿激光束方向载体移动平台的径向速度，同时配合光束圆锥扫描系统，进而结合载体移动平台测量的运动姿态信息，应用运动姿态测风订正模型，反演获得载体移动平台所在空域完整的三维风场分布：
载体移动平台的姿态定义，其中指载体的偏航角，指激光束0°方位角方向的偏航角，指激光束方位角，θ1指载体的俯仰角，θ2指激光束仰角；激光测风雷达与姿态组合测量装置通过机械连接后安装在载体移动平台上，其相对于载体移动平台的位置为不可移动，相对于载体移动平台的角度在水平和垂直进行转动，这个转动的角度信息直接测量得到；
运动姿态补偿算法的计算步骤：根据运动姿态组合测量装置获取的数据，首先订正载体移动平台的运动速度造成的风速误差，含载体平动速度和转动速度；其次通过坐标补偿的方式订正载体的倾斜角度造成的距离库高度误差，进而得到真实对地风速和位置信息；
订正算法的具体步骤如下：
Step1：订正载体的运动速度造成的风速误差
由于GNSS传感器、三维电子罗盘及激光测风雷达三者的坐标系不一致，首先需进行坐标转化矩阵计算，通过坐标转化矩阵对风场速度矢量进行补偿，载体运动平台的平动和转动分开进行考虑：
首先考虑载体的平动，不考虑载体及望远镜的转动和包括俯仰角的变化；当载体运动为匀速直线运动，且望远镜不进行转动时，此时测风视线矢量仅仅被附加一个载体的平动速度矢量Vs＝(Vsx,Vsy)，其中Vsx表示在x方向即E方向的速度，Vsy表示在y方向(N方向)的速度；而激光测风视线矢量测到的瞬时风场数据为风场速度矢量与距离r的关系，记为其中Vwr(r)表示距离载体r处风场的径向风速，表示距离载体r处风场的横向风速；
根据极坐标系与直角坐标系的转化关系及矢量合成定律：




表示激光束的方位角即激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：单雨龙，赵文凯，赵世军，孙科蕾，姬文明，刘西川，刘磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43