基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于RINS/LDV组合的连续高程测量系统及方法，属于大地测量领域；所述系统包括惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统，用于敏感载体的角运动和线运动；惯性测量单元分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；本发明专利技术完全不依赖GNSS信号，属于全自主式连续高程测量，在密林、山谷以及极端天气等环境中仍可保持较高的连续高程测量精度，极大地提高了连续高程测量的环境适应能力。大地提高了连续高程测量的环境适应能力。大地提高了连续高程测量的环境适应能力。

【技术实现步骤摘要】
基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于单轴旋转惯导系统(Rotational Inertial Navigation System,RINS)/激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV，通常简称为测速仪)组合的连续高程测量系统及方法，属于大地测量领域。

技术介绍

[0002]高程测量在地质勘探、地形绘制、重力测量等方面具有重要作用。目前常见的几种高程测量方法有全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)高程测量、几何水准测量与三角高程测量等；GNSS高程测量方法可以实现连续高程测量，其精度与GNSS定位精度相当，但在丛林、山谷遮挡、高楼密集等GNSS接收机信号受影响的地区的精度较差；几何水准测量的精度比较高，单点高程测量精度可以达到厘米量级，但受距离和地形起伏的限制，外业工作量大，施测速度慢，无法实现连续高程测量；三角高程测量不受地形的限制，单点高程测量精度也可以达到厘米量级，但是每次测量都需要量取仪器高、棱镜高，操作繁琐且同样无法实现连续高程测量。
[0003]惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS，通常简称为惯导系统)是利用惯性敏感元件测量载体相对惯性空间的角运动和线运动，以获得载体的姿态、速度和位置等信息的自主导航系统。惯导系统在纯惯性状态下天向通道处于发散状态，无法单独实现高程测量，通常只能依靠卫星导航、里程计、气压计等提供高程信息。在野外进行作业时，GNSS信号容易受到测量环境遮挡、里程计容易发生轮胎磨损和打滑以及气压计容易受到环境气流影响等限制导致诸多传感器不能为惯导系统持续提供高程信息，因此有必要研究一种新的不受环境影响的连续高程测量方法，满足实际的工程应用需求。

技术实现思路

[0004]针对当前连续高程测量方法的缺陷，本专利技术的目的是提出一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量系统及数据处理方法。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的连续高程测量系统，该方法分为以下步骤：
[0007]S1：将惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统(RINS)，RINS可以敏感载体(例如实验车)的角运动和线运动；
[0008]将单轴旋转惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；
[0009]将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
[0010]惯性测量单元安装到转位机构上时，惯性测量单元坐标系s系与载体坐标系b系无法完全重合，在垂直方向上存在一个与转位机构的转动方式有关的规律性大转角，在水平
方向上存在由安装误差引起固定的小角度水平倾角，其可以分解为两个欧拉角α、β，这也是限制单轴旋转惯导系统导航精度的主要因素，其中垂直方向上的大转角是已知的，因此在进行高程测量前只需要对水平倾角进行补偿。
[0011]S2：将搭建好的系统安装于载体后，首先进行静态下惯性测量单元的水平倾角标定，具体标定步骤如下：
[0012]S2.1：水平倾角标定时不需要使用激光多普勒测速仪，因此仅打开导航计算机、UPS电源以及单轴旋转惯导系统进行数据采集，同时载体处于静止状态；
[0013]S2.2：通过导航计算机控制转位机构转动180
°
；
[0014]S2.3：利用导航计算机对惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时惯性测量单元坐标系s系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵和
[0015][0016]由于η2＝η1+180
°
，所以：
[0017][0018]上式中，l1、l2分别为水平倾角标定期间惯性测量单元在初始位置和180
°
位置的时刻，η1和η2分别为惯性测量单元坐标系s系和载体坐标系b系在初始位置和180
°
位置时垂直方向的大转角，分别为载体静止期间惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时载体坐标系b系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵，由于水平倾角标定期间载体一直静止，所以与相同，分别为惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时b系相对于s系的姿态矩阵；
[0019]S2.4：将(1)式和(2)式相加，并令表示3
×
3矩阵的矩阵元素,得到：
[0020][0021]由于导航计算机进行惯导系统的姿态解算后可以得到3
×
3姿态矩阵和
则两姿态矩阵相加后的矩阵元素C
ij
(i＝1,2,3；j＝1,2,3)是已知的。
[0022]S2.5：由(3)式得到水平倾角α和β：
[0023][0024]根据水平倾角α、β以及任意时刻s系和b系在垂直方向上的大转角η，得到任意时刻载体坐标系和惯性测量单元坐标系之间的姿态矩阵
[0025][0026]S3：由于激光多普勒测速仪与载体之间也存在安装误差，也需要对其进行标定，影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：
[0027]S3.1：打开激光多普勒测速仪，并重启单轴旋转惯导系统重新进行采样；
[0028]S3.2：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点处地标点A的坐标为(X
A
，Y
A
，Z
A
)；
[0029]S3.3：经过1～2min直线运动后载体行驶到地标点B，其坐标为(X
B
，Y
B
，Z
B
)，A到B位移大小为L1；
[0030]激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为C，其坐标为(X
C
，Y
C
，Z
C
)，A到C位移大小为L2，具体航迹推算方法参见参考文献《One
‑
dimensional reference
‑
beam LDV for accurate altitude estimation in a land vehicle》(Rong Huang,Qi Wang,Xiaoming Nie,et al,《Applied Optics》,2020.11)；
[0031]则标定的结果为：
[0032][0033]S3.4：通过标定后的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ计算得到测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵
[0034][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法，基于由惯性测量单元、转位机构、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的连续高程测量系统，其特征在于，该方法分为以下步骤：S1：将惯性测量单元安装在转位机构上，组成单轴旋转惯导系统，单轴旋转惯导系统可以敏感载体的角运动和线运动；将单轴旋转惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与单轴旋转惯导系统和激光多普勒测速仪连接；惯性测量单元安装到转位机构上时，惯性测量单元坐标系s系与载体坐标系b系无法完全重合，在垂直方向上存在一个与转位机构的转动方式有关的规律性大转角，在水平方向上存在由安装误差引起固定的小角度水平倾角，其可以分解为两个欧拉角α、β，这也是限制单轴旋转惯导系统导航精度的主要因素，其中垂直方向上的大转角是已知的，因此在进行高程测量前只需要对水平倾角进行补偿；S2：将搭建好的系统安装于载体后，首先进行静态下惯性测量单元的水平倾角标定，具体标定步骤如下：S2.1：水平倾角标定时不需要使用激光多普勒测速仪，因此仅打开导航计算机、UPS电源以及单轴旋转惯导系统进行数据采集，同时载体处于静止状态；S2.2：通过导航计算机控制转位机构转动180
°
；S2.3：利用导航计算机对惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时惯性测量单元坐标系s系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵和和由于η2＝η1+180
°
，所以：上式中，l1、l2分别为水平倾角标定期间惯性测量单元在初始位置和180
°
位置的时刻，η1和η2分别为惯性测量单元坐标系s系和载体坐标系b系在初始位置和180
°
位置时垂直方向的大转角，分别为载体静止期间惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时载体坐标系b系和导航坐标系n系之间的姿态矩阵，由于水平倾角标定期间载体一直静止，所以与相同，分别为惯性测量单元在初始位置和180
°
位置时b系相
对于s系的姿态矩阵；S2.4：将(1)式和(2)式相加，并令表示3
×
3矩阵的矩阵元素，i＝1,2,3；j＝1,2,3，得到：由于导航计算机进行惯导系统的姿态解算后可以得到3
×
3姿态矩阵和则两姿态矩阵相加后的矩阵元素Cij是已知的；S2.5：由(3)式得到水平倾角α和β：根据水平倾角α、β以及任意时刻s系和b系在垂直方向上的大转角η，得到任意时刻载体坐标系和惯性测量单元坐标系之间的姿态矩阵坐标系和惯性测量单元坐标系之间的姿态矩阵S3：由于激光多普勒测速仪与载体之间也存在安装误差，也需要对其进行标定，影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：S3.1：打开激光多普勒测速仪，并重启单轴旋转惯导系统重新进行采样；S3.2：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点处地标点A的坐标为(X
A
，Y
A
，Z
A
)；S3.3：经过1～2min直线运动后载体行驶到地标点B，其坐标为(X
B
，Y
B
，Z
B
)，A到B位移大小为L1；激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为C，其坐标为(X
C
，Y
C
，Z

【专利技术属性】
技术研发人员：魏国，高春峰，杨泽坤，周健，聂晓明，王林，王琦，于旭东，周文健，刘万青，
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：