基于陀螺穩定座架的移動成圖系統活動桿臂補償技術

周東靈，林 翰，扈光鋒，曲雪云

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

基于陀螺穩定座架的移動成圖系統活動桿臂補償技術

周東靈，林 翰，扈光鋒，曲雪云

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

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

陀螺穩定座架；活動桿臂；POS；移動成圖系統

0 引言

近年來，移動成圖系統快速發展，在軍事偵察、國家基礎測繪、國土資源管理、農林資源與生態環境調查、城市規劃以及自然災害預警檢測等諸多方面發揮著越來越重要的作用[1]。陀螺穩定座架以位置姿態系統(Position and Orientation System,POS)輸出的姿態信息為輸入信號，實現對固定于座架內框架的測繪載荷的穩定控制，座架和POS共同構成了移動成圖系統(Mobile Mapping System,MMS)的控制部分[2]。通過對陀螺穩定座架和POS的原始輸出信息進行事后處理，可為后期的成圖過程提供高精度的位置和姿態角基準，實現成像的運動補償和圖形拼接，獲得滿足清晰度和精度要求的圖像[3]。

本文設計了基于陀螺穩定座架的活動桿臂補償算法，采用陀螺穩定座架測量的姿態角對測繪作業過程中衛星天線到POS的活動桿臂進行解算，對POS輸出的位置和速度進行變桿臂補償，以獲得更加精確的位置和姿態角信息，用于測繪成圖。機載試驗結果表明，利用本算法對座架和POS數據進行事后處理，可以獲得較高精度的位置和姿態信息，是一種有效的補償活動桿臂的技術。

1 MMS組成

根據測繪作業任務特點，典型的航空攝影測量MMS主要由相機、陀螺穩定座架和POS三部分組成[4]。

陀螺穩定座架基于以陀螺為主的慣性信息，采用自動控制技術，通過伺服執行機構，可實現內環、中環和外環三個方向敏感軸指向的穩定性及三個方向的姿態角變化量測量，實現相機對載機的低頻大幅擾動的隔離，使得相機在復雜的飛行環境中保持相對載機的穩定性，提高航空攝影測量的質量和效率。POS一般由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、衛星接收機和計算機系統(POS Computer System,PCS)組成[2]，PCS可實現任務過程中對陀螺穩定座架和IMU實時測量數據的同步存儲。

相機和IMU固定安裝在陀螺穩定座架的內環平臺上，保證IMU頂面中心與座架內環平臺頂面中心之間的桿臂是常數，不受運動狀態影響。衛星接收機的天線固定安裝在載機的頂部，天線相位中心與座架內環平臺頂面中心之間的桿臂是常數。忽略載機頂部的撓曲變形，在任務過程中，根據任務規劃軌跡需求，載機會出現拐彎機動，同時受空氣對流影響，載機的俯仰和滾動角不斷變化，陀螺穩定座架根據載機運動狀態對相機和IMU平臺進行調控，導致IMU頂面中心與天線相位中心的桿臂是實時變化的[5]，本文給出了該活動桿臂的解算方法，并實現了活動桿臂引起的位置和姿態角補償。

2 基于陀螺穩定座架的活動桿臂補償技術

2.1 坐標系及轉換關系定義

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

IMU坐標系(oxbybzb)：記作b系，原點在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，yb軸與xb軸、zb軸組成右手坐標系(前上右)。

座架坐標系(oxb1yb1zb1)：記作b1系，原點在座架內環平臺頂面的中心，xb1軸沿座架的縱軸指向前方，zb1軸沿座架的橫軸指向右側，yb1軸與xb1軸、zb1軸組成右手坐標系(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數據的過程中獲得。

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可由陀螺穩定座架測量解算獲得。

2.2 基于陀螺穩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可由陀螺穩定座架測量獲得。

此外，在某些對位置、姿態精度要求不高，沒有使用陀螺穩定座架或者陀螺穩定座架沒有投入工作的測繪作業過程中，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直接補償應用。

2.3 位置和速度的桿臂補償算法

給出導航坐標系n系下，桿臂的計算公式為

(3)

(4)

給出導航坐標系n系下，由桿臂引起的速度誤差計算公式為

(5)

(6)

3 機載試驗分析

3.1 試驗過程

采用自主研發的POS2010系統、PN-14陀螺穩定座架與航空四拼相機聯合組成移動成圖系統，在中國河南省某市完成多個架次的測繪作業。

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

圖2 移動測量系統安裝圖Fig.2 The mounting of MMS

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

機載試驗結束，采用兩種算法對陀螺穩定座架和POS的數據進行事后處理。其一，利用試驗過程中陀螺穩定座架輸出的姿態角，根據本文給出的方法，獲得POS2010系統頂面中心到衛星天線相位中心的活動桿臂對位置和速度進行補償；其二，采用POS2010系統頂面中心到衛星天線相位中心的初始桿臂對位置和速度進行補償。

3.2 試驗分析

分別將兩種算法獲取的POS姿態角和位置信息與基準信息進行對比，以空中三角測量獲取的姿態角作為基準姿態角，精度達角秒級，以衛星事后差分處理獲取的位置信息作為基準位置，精度達厘米級。

獲得統計誤差，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1表示采用方法一補償活動桿臂，下標2表示采用方法二補償活動桿臂。

表1 位置誤差

表2 姿態角誤差

圖4 緯度誤差Fig.4 Latitude error

圖5 經度誤差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 結論

為滿足移動成圖系統對POS的高精度位置和姿態角需求，提出了一種基于陀螺穩定座架的活動桿臂補償技術。機載試驗結果表明：在姿態角精度方面，對精度的提升有限，與補償常值桿臂的算法精度相當；在位置精度方面，本技術明顯優于只進行常值桿臂補償的算法。當陀螺穩定座架對姿態角的精度提高時，本技術對精度的提升空間更大，是一種有效的非固連系統活動桿臂補償技術。

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

[2] 李軍杰，關艷玲，左建章，劉宗杰.一種高精度輕小型航空遙感系統的集成與應用[J].測繪科學，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] 關艷玲，劉先林，段福州，左建章.高精度輕小型航空遙感系統集成技術與方法[J].測繪科學，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.車載移動測圖系統外方位元素標定方法[J].測繪學報，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。

國防科工局技術基礎科研項目(C042012C002)

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

V19

A

2095-8110(2016)03-0032-05