申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2023-03-06

公开（公告）日：2023-05-23

公开（公告）号：CN116147577A

主分类号：G01C5/00

分类号：G01C5/00;G01C21/16

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2023.06.09#实质审查的生效;2023.05.23#公开

摘要：本发明涉及一种基于RINSLDV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。

主权项：1.一种基于单轴RINSLDV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 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 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XA，YA，ZA；S3.3：经过1～2min直线运动后载体行驶到地标点B，其坐标为XB，YB，ZB，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XC，YC，ZC，A到C位移大小为L2；则标定的结果为： 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 通过计算的测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵以及比例因子K，得到某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在b系下的投影： 式中，l3为打开测速仪和重启惯导系统后数据采样的时刻，为某一导航时刻激光多普勒测速仪测量的速度在测速仪坐标系m系下投影，由激光多普勒测速仪提供；S4：完成测速仪的安装误差标定后直接进入高程测量；进入高程测量后，导航计算机对测量过程中惯性测量单元的输出进行姿态解算，得到实时的3×3姿态矩阵根据S2标定完成的姿态矩阵计算得到载体坐标系与导航坐标系之间的实时姿态矩阵 通过实时姿态矩阵进一步得到某一导航时刻测速仪速度在导航坐标系n系下的投影 S5:根据步骤S4可以稳定输出高精度的实时姿态矩阵利用S2标定完成的姿态矩阵通过9式计算得到稳定的高精度实时姿态矩阵将10式展开，某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在导航坐标系n系下各个方向上的投影为： 上式中，为某一导航时刻激光多普勒测速仪在导航坐标系n系的东、北、天三个方向上的速度投影，为某一导航时刻激光多普勒测速仪在载体坐标系b系的x、y、z轴三个方向上的速度投影；将激光多普勒测速仪速度进行如下计算，得到任意导航时刻载体的位置信息： 上式中，T为激光多普勒测速仪的速度更新周期，分别为某一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，分别为上一导航时刻航迹推算得到的载体的纬度、经度和高程信息，其中起始点位置L0、λ0、h0由地标点给出，RE、RN分别为载体所在位置的卯酉圈半径和子午圈半径；最后，经过12式中第三式，可以连续测得载体行驶过程中的高程信息。

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百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 基于单轴RINS/LDV组合的连续高程测量方法及系统

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