周東靈，林 翰，扈光鋒，曲雪云

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

基于陀螺穩(wěn)定座架的移動成圖系統(tǒng)活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)

周東靈，林 翰，扈光鋒，曲雪云

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

陀螺穩(wěn)定座架和位置姿態(tài)系統(tǒng)(Position and Orientation System,POS)一起構(gòu)成了移動成圖系統(tǒng)(Mobile Mapping System,MMS)的穩(wěn)定控制部分，POS的位置和姿態(tài)角必須達(dá)到很高的精度才能滿足成圖需求。提出了基于陀螺穩(wěn)定座架的活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)，利用陀螺穩(wěn)定座架測量的姿態(tài)角對測繪作業(yè)過程中衛(wèi)星天線到POS的活動桿臂進(jìn)行解算，對POS輸出的位置和速度進(jìn)行變桿臂補(bǔ)償，獲得更加精確的位置和姿態(tài)角信息。機(jī)載試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以獲得高精度的位置信息，且對姿態(tài)角精度有一定提高，是一種有效的系統(tǒng)活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)。

陀螺穩(wěn)定座架；活動桿臂；POS；移動成圖系統(tǒng)

0 引言

近年來，移動成圖系統(tǒng)快速發(fā)展，在軍事偵察、國家基礎(chǔ)測繪、國土資源管理、農(nóng)林資源與生態(tài)環(huán)境調(diào)查、城市規(guī)劃以及自然災(zāi)害預(yù)警檢測等諸多方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。陀螺穩(wěn)定座架以位置姿態(tài)系統(tǒng)(Position and Orientation System,POS)輸出的姿態(tài)信息為輸入信號，實(shí)現(xiàn)對固定于座架內(nèi)框架的測繪載荷的穩(wěn)定控制，座架和POS共同構(gòu)成了移動成圖系統(tǒng)(Mobile Mapping System,MMS)的控制部分[2]。通過對陀螺穩(wěn)定座架和POS的原始輸出信息進(jìn)行事后處理，可為后期的成圖過程提供高精度的位置和姿態(tài)角基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)成像的運(yùn)動補(bǔ)償和圖形拼接，獲得滿足清晰度和精度要求的圖像[3]。

本文設(shè)計了基于陀螺穩(wěn)定座架的活動桿臂補(bǔ)償算法，采用陀螺穩(wěn)定座架測量的姿態(tài)角對測繪作業(yè)過程中衛(wèi)星天線到POS的活動桿臂進(jìn)行解算，對POS輸出的位置和速度進(jìn)行變桿臂補(bǔ)償，以獲得更加精確的位置和姿態(tài)角信息，用于測繪成圖。機(jī)載試驗(yàn)結(jié)果表明，利用本算法對座架和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，可以獲得較高精度的位置和姿態(tài)信息，是一種有效的補(bǔ)償活動桿臂的技術(shù)。

1 MMS組成

根據(jù)測繪作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)，典型的航空攝影測量MMS主要由相機(jī)、陀螺穩(wěn)定座架和POS三部分組成[4]。

陀螺穩(wěn)定座架基于以陀螺為主的慣性信息，采用自動控制技術(shù)，通過伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)三個方向敏感軸指向的穩(wěn)定性及三個方向的姿態(tài)角變化量測量，實(shí)現(xiàn)相機(jī)對載機(jī)的低頻大幅擾動的隔離，使得相機(jī)在復(fù)雜的飛行環(huán)境中保持相對載機(jī)的穩(wěn)定性，提高航空攝影測量的質(zhì)量和效率。POS一般由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、衛(wèi)星接收機(jī)和計算機(jī)系統(tǒng)(POS Computer System,PCS)組成[2]，PCS可實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程中對陀螺穩(wěn)定座架和IMU實(shí)時測量數(shù)據(jù)的同步存儲。

相機(jī)和IMU固定安裝在陀螺穩(wěn)定座架的內(nèi)環(huán)平臺上，保證IMU頂面中心與座架內(nèi)環(huán)平臺頂面中心之間的桿臂是常數(shù)，不受運(yùn)動狀態(tài)影響。衛(wèi)星接收機(jī)的天線固定安裝在載機(jī)的頂部，天線相位中心與座架內(nèi)環(huán)平臺頂面中心之間的桿臂是常數(shù)。忽略載機(jī)頂部的撓曲變形，在任務(wù)過程中，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃軌跡需求，載機(jī)會出現(xiàn)拐彎機(jī)動，同時受空氣對流影響，載機(jī)的俯仰和滾動角不斷變化，陀螺穩(wěn)定座架根據(jù)載機(jī)運(yùn)動狀態(tài)對相機(jī)和IMU平臺進(jìn)行調(diào)控，導(dǎo)致IMU頂面中心與天線相位中心的桿臂是實(shí)時變化的[5]，本文給出了該活動桿臂的解算方法，并實(shí)現(xiàn)了活動桿臂引起的位置和姿態(tài)角補(bǔ)償。

2 基于陀螺穩(wěn)定座架的活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)

2.1 坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系定義

導(dǎo)航坐標(biāo)系(oxnynzn)：記作n系，是POS在求解導(dǎo)航參數(shù)時所采用的坐標(biāo)系，本文選取地理坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系[6]。

IMU坐標(biāo)系(oxbybzb)：記作b系，原點(diǎn)在IMU的頂面中心，xb軸沿IMU的縱軸指向前方，zb軸沿IMU的橫軸指向右側(cè)，yb軸與xb軸、zb軸組成右手坐標(biāo)系(前上右)。

座架坐標(biāo)系(oxb1yb1zb1)：記作b1系，原點(diǎn)在座架內(nèi)環(huán)平臺頂面的中心，xb1軸沿座架的縱軸指向前方，zb1軸沿座架的橫軸指向右側(cè)，yb1軸與xb1軸、zb1軸組成右手坐標(biāo)系(前上右)。

其中，定義ψ為IMU的航向角，θ為IMU的俯仰角，γ為IMU的滾動角，ψ、θ和γ可在事后處理IMU數(shù)據(jù)的過程中獲得。

其中，定義ψ1為座架相對于IMU的航向角增量，θ1為座架的俯仰角增量，γ1為座架的滾動角增量，ψ1、θ1和γ1可由陀螺穩(wěn)定座架測量解算獲得。

2.2 基于陀螺穩(wěn)定座架的活動桿臂解算

圖1 活動桿臂示意圖Fig.1 The scheme of varying arm

根據(jù)方向余弦矩陣和桿臂的定義，給出活動桿臂lb的計算公式如下：

(1)

(2)

其中，ψ1、θ1、γ1可由陀螺穩(wěn)定座架測量獲得。

此外，在某些對位置、姿態(tài)精度要求不高，沒有使用陀螺穩(wěn)定座架或者陀螺穩(wěn)定座架沒有投入工作的測繪作業(yè)過程中，將測得IMU頂面中心與天線相位中心之間的初始桿臂，作為lb直接補(bǔ)償應(yīng)用。

2.3 位置和速度的桿臂補(bǔ)償算法

給出導(dǎo)航坐標(biāo)系n系下，桿臂的計算公式為

(3)

(4)

給出導(dǎo)航坐標(biāo)系n系下，由桿臂引起的速度誤差計算公式為

(5)

(6)

3 機(jī)載試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)過程

采用自主研發(fā)的POS2010系統(tǒng)、PN-14陀螺穩(wěn)定座架與航空四拼相機(jī)聯(lián)合組成移動成圖系統(tǒng)，在中國河南省某市完成多個架次的測繪作業(yè)。

其中，POS2010系統(tǒng)的慣性組件由激光陀螺(零偏穩(wěn)定性為0.02(°)/h)和石英撓性加速度計(零偏穩(wěn)定性為40μg)組成；PN-14陀螺穩(wěn)定座架的最大負(fù)重達(dá)100kg，水平姿態(tài)角測量范圍為±5°，精度為0.1°，航向角測量范圍為±30°，精度為0.3°。整個試驗(yàn)過程中，保證POS2010系即IMU坐標(biāo)系b系和陀螺穩(wěn)定座架坐標(biāo)系b1系同向安裝。

圖2 移動測量系統(tǒng)安裝圖Fig.2 The mounting of MMS

圖3 檢校區(qū)飛行軌跡曲線Fig.3 The flight tragectory of testing

機(jī)載試驗(yàn)結(jié)束，采用兩種算法對陀螺穩(wěn)定座架和POS的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理。其一，利用試驗(yàn)過程中陀螺穩(wěn)定座架輸出的姿態(tài)角，根據(jù)本文給出的方法，獲得POS2010系統(tǒng)頂面中心到衛(wèi)星天線相位中心的活動桿臂對位置和速度進(jìn)行補(bǔ)償；其二，采用POS2010系統(tǒng)頂面中心到衛(wèi)星天線相位中心的初始桿臂對位置和速度進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 試驗(yàn)分析

分別將兩種算法獲取的POS姿態(tài)角和位置信息與基準(zhǔn)信息進(jìn)行對比，以空中三角測量獲取的姿態(tài)角作為基準(zhǔn)姿態(tài)角，精度達(dá)角秒級，以衛(wèi)星事后差分處理獲取的位置信息作為基準(zhǔn)位置，精度達(dá)厘米級。

獲得統(tǒng)計誤差，如表1和表2所示；同時給出誤差曲線，如圖4～圖9所示，其中，下標(biāo)1表示采用方法一補(bǔ)償活動桿臂，下標(biāo)2表示采用方法二補(bǔ)償活動桿臂。

表1 位置誤差

表2 姿態(tài)角誤差

圖4 緯度誤差Fig.4 Latitude error

圖5 經(jīng)度誤差Fig.5 Longitude error

圖6 高度誤差Fig.6 Altitude error

圖7 航向角誤差Fig.7 Head error

圖8 俯仰角誤差Fig.8 Pitch error

圖9 滾動角誤差Fig.9 Roll error

4 結(jié)論

為滿足移動成圖系統(tǒng)對POS的高精度位置和姿態(tài)角需求，提出了一種基于陀螺穩(wěn)定座架的活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)。機(jī)載試驗(yàn)結(jié)果表明：在姿態(tài)角精度方面，對精度的提升有限，與補(bǔ)償常值桿臂的算法精度相當(dāng)；在位置精度方面，本技術(shù)明顯優(yōu)于只進(jìn)行常值桿臂補(bǔ)償?shù)乃惴?。?dāng)陀螺穩(wěn)定座架對姿態(tài)角的精度提高時，本技術(shù)對精度的提升空間更大，是一種有效的非固連系統(tǒng)活動桿臂補(bǔ)償技術(shù)。

[1] 張智勇.全景移動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用前景展望[J].測繪通報，2014(3):79-81.

[2] 李軍杰，關(guān)艷玲，左建章，劉宗杰.一種高精度輕小型航空遙感系統(tǒng)的集成與應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2012(9):176-178.

[3] GONG Xiao-lin,FANG Jian-cheng.Application of SVD-based R-T-S Optimal Smoothing Algorithm to POS for Airborne SAR Motion Compensation[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2009,30(2):311-318.

[4] Duong Thanh Trung, Huang Yun-Wen, Chiang Kai-Wei. Improving the Accuracy of Mems IMU/GPS POS Systems for Land-based Mobile Mapping System by Using Tightly Coupled Integration and Auxiliary Odometer[J]. EIP20123615401976, 2010,November 1- 5.

[5] 關(guān)艷玲，劉先林，段福州，左建章.高精度輕小型航空遙感系統(tǒng)集成技術(shù)與方法[J].測繪科學(xué)，2011(1):84-86.

[6] Massachusetts Inst. of Tech., Lexington.INS/GPS Integration Architectures[J]. ADA581020XAB, Mar 2010.

[7] 石麗梅，趙紅蕊，李明海，付罡，李聰.車載移動測圖系統(tǒng)外方位元素標(biāo)定方法[J].測繪學(xué)報，2015(1):52-58.

Varying Arm Compensation in MMS Based on Gyro-Stabilized Platform

ZHOU Dong-ling, LIN Han, HU Guang-feng, QU Xue-yun

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment,Beijing 100074,China)

Gyro-stabilized platform together with Position and Orientation System (POS) are the stabilized controlling component of the Mobile Mapping System (MMS),and its high navigation precision has a direct effect on imaging.A varying arm compensation algorithm based on gyro-stabilized platform is proposed.The varying arm between GPS antenna and POS during mapping is computed using attitude of gyro-stabilized platform.Compensating the varying arm in position and velocity computation of POS,we can get much more precise position and orientation.The experiment results show that this method can not only export high presion position,but also improve orientation precision a little.So it’s an effective varying arm compensation algorithm for MMS.

Gyro-stabilized platform; Varying arm; Position and Orientation System(POS); Mobile Mapping System (MMS)

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.03.006

2015-03-16；

2015-04-18。

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(C042012C002)

周東靈(1985-)，女，碩士，工程師，主要從事組合導(dǎo)航、POS方面的研究。E-mail：dongling117@126.com

V19

A

2095-8110(2016)03-0032-05