不稳定平台静态基准转换技术研究

不稳定平台静态基准转换技术研究光学、雷达等高精度测量设备需要稳定的基座平台,为观测设备提供静态的基准,保证其测量数据在一个统一的空间基准下。但是,很多情况下,测量设备所在的基座平台会发生晃动,成为不稳定平台,在此基础上的测量设备得到的测量数据也就处于变化的空间基准,不满足高精度测量要求。为此,需要对不稳定平台自身相对静态基准的晃动量进行测量,据此将不稳定平台转换为静态基准,即“不稳定平台静态基准转换”。目前,在航天发射场以及武器试验靶场,为了适应新型飞行器长航时、大航程以及机动飞行等特点,要求光测、雷测等外测方式具有更高的灵活机动能力,为此,迫切需要解决“不稳定平台静态基准转换”问题。传统光测设备测量精度高,但观测站点固定、灵活性受限。为了提高观测的灵活机动性,越来越多的机动经纬仪投入靶场使用。但是目前机动经纬仪还只能“机动运输、落地观测”,即车载经纬仪运输到预先布置的观测站点,将经纬仪吊装至固定基座平台后开始测量,其灵活机动性有限。如果要真正实现不落地测量,即车载运输到位后,在载车上直接展开设备,开始测量,将使机动经纬仪真正具有灵活机动测量能力,无需预先布置站点,也不需将经纬仪从载车分离。但这种不落地测量主要的问题就是其车载平台是一个“不稳定平台”,需要进行“不稳定平台静态基准转换”。对机动经纬仪而言,不稳定平台静态基准转换技术需要解决两个问题:不稳定平台晃动测量与修正和非水平状态下设备定位定向两方面。根据测量得到的不稳定平台姿态晃动量和非水平状态下设备定位定向结果,将晃动状态下的设备观测结果修正到水平状态。论文的主要工作及创新点如下:1.提出了“外置基准两次传递测量方法”针对不稳定平台晃动测量问题,现有的“两次传递相对测量方法”要求不稳定平台初始高精度水平调校,而对于机动经纬仪、车载雷达等大型跟踪测量设备,水平调校的精度难以保证。为了解决该难题,论文提出了“外置基准两次传递测量方法”:在不稳定平台外部设置小型的、易于调平的水平基准,通过安装于不稳定平台的相机对外置水平基准实时成像,基于相机位姿估计原理,计算不稳定平台相对水平状态的晃动量。该方法的创新性主要体现在两个方面:将不稳定平台的初始高精度水平调校过程转移到外置水平基准上,提高了工作效率;通过不稳定平台与外置水平基准的初始对准,降低了相机与不稳定平台安装关系的标定精度要求。不稳定平台相对外置水平基准的位姿解算是“外置基准两次传递测量方法”的重要环节,可以通过相机与外置水平基准的位姿关系和相机与不稳定平台的安装关系转换得到,其中相机与外置水平基准的位姿关系属于相机位姿估计的范畴,即已知相机内参数及像差系数求解相机相对外置水平基准的位置和姿态,相机内参数及像差系数标定精度和相机位姿估计算法性能是决定相机位姿估计精度的关键。提出了基于绝对二次曲线的相机内参数及像差系数与外参数的解耦标定方法相机内参数及像差系数是相机成像的模型参数,其标定精度是影响相机位姿估计和安装关系标定精度的关键因素。目前相机标定算法通常将内、外参数及像差系数作为待求解参数同时解算,为了降低重投影误差,需一并优化相机内、外参数及像差系数,此种情况下,有可能将外参数误差平差到内参数及像差系数上,从而降低相机内参数及像差系数的标定精度。本文提出了基于绝对二次曲线的相机参数标定方法,实现了相机内参数及像差系数与外参数的解耦标定,一定程度上提高了相机内参数及像差系数的标定精度。给出了相机姿态估计算法的性能评价方法目前基于空间点的相机姿态估计算法已较为成熟,但缺少科学的性能评价方法,使得工程应用中算法选择的难度大大增加。针对该问题,本文提出了特定目标函数下的相机姿态估计算法性能评价方法,主要包括三个性能评价参数:相机姿态解算精度、存在区域最优解成功率和计算耗时。该方法可以为相机姿态估计算法的选择提供科学合理的依据。提出了基于Schur矩阵分解的手眼标定算法手眼标定是相机与不稳定平台安装关系标定的核心,手眼标定的精度直接决定了安装关系标定的精度。论文提出了基于Schur矩阵分解理论的手眼标定算法,提高了手眼标定算法的效率、精度及稳定性,而且实现了对观测数据质量的自动筛选及野值的自动剔除。2.非水平状态下设备定位定向修正以机动经纬仪为例,现有的定位定向方法均要求设备首先进行高精度水平调校,而对于机动经纬仪“不落地测量”工作模式,水平调校的精度无法保证。针对上述问题,论文提出了非水平状态下设备定位定向修正方法:首先在非水平状态下,利用卫星定位定向方法对安装于不稳定平台上的设备进行定位定向,然后根据测量得到的不稳定平台相对水平状态的晃动量,将非水平状态下的定位定向结果修正到水平状态。3.不稳定平台静态基准转换系统论文以靶场机动经纬仪为具体研究对象,设计了不稳定平台静态基准转换系统,并完成了靶场实验,取得了预期效果,结果表明:利用不稳定平台静态基准转换系统,可以使机动经纬仪“不落地测量”精度达到“落地测量”精度。高精度