不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換技術(shù)研究光學、雷達等高精度測量設備需要穩(wěn)定的基座平臺,為觀測設備提供靜態(tài)的基準,保證其測量數(shù)據(jù)在一個統(tǒng)一的空間基準下。但是,很多情況下,測量設備所在的基座平臺會發(fā)生晃動,成為不穩(wěn)定平臺,在此基礎(chǔ)上的測量設備得到的測量數(shù)據(jù)也就處于變化的空間基準,不滿足高精度測量要求。為此,需要對不穩(wěn)定平臺自身相對靜態(tài)基準的晃動量進行測量,據(jù)此將不穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)換為靜態(tài)基準,即“不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換”。目前,在航天發(fā)射場以及武器試驗靶場,為了適應新型飛行器長航時、大航程以及機動飛行等特點,要求光測、雷測等外測方式具有更高的靈活機動能力,為此,迫切需要解決“不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換”問題。傳統(tǒng)光測設備測量精度高,但觀測站點固定、靈活性受限。為了提高觀測的靈活機動性,越來越多的機動經(jīng)緯儀投入靶場使用。但是目前機動經(jīng)緯儀還只能“機動運輸、落地觀測”,即車載經(jīng)緯儀運輸?shù)筋A先布置的觀測站點,將經(jīng)緯儀吊裝至固定基座平臺后開始測量,其靈活機動性有限。如果要真正實現(xiàn)不落地測量,即車載運輸?shù)轿缓?在載車上直接展開設備,開始測量,將使機動經(jīng)緯儀真正具有靈活機動測量能力,無需預先布置站點,也不需將經(jīng)緯儀從載車分離。但這種不落地測量主要的問題就是其車載平臺是一個“不穩(wěn)定平臺”,需要進行“不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換”。對機動經(jīng)緯儀而言,不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換技術(shù)需要解決兩個問題:不穩(wěn)定平臺晃動測量與修正和非水平狀態(tài)下設備定位定向兩方面。根據(jù)測量得到的不穩(wěn)定平臺姿態(tài)晃動量和非水平狀態(tài)下設備定位定向結(jié)果,將晃動狀態(tài)下的設備觀測結(jié)果修正到水平狀態(tài)。論文的主要工作及創(chuàng)新點如下:1.提出了“外置基準兩次傳遞測量方法”針對不穩(wěn)定平臺晃動測量問題,現(xiàn)有的“兩次傳遞相對測量方法”要求不穩(wěn)定平臺初始高精度水平調(diào)校,而對于機動經(jīng)緯儀、車載雷達等大型跟蹤測量設備,水平調(diào)校的精度難以保證。為了解決該難題,論文提出了“外置基準兩次傳遞測量方法”:在不穩(wěn)定平臺外部設置小型的、易于調(diào)平的水平基準,通過安裝于不穩(wěn)定平臺的相機對外置水平基準實時成像,基于相機位姿估計原理,計算不穩(wěn)定平臺相對水平狀態(tài)的晃動量。該方法的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在兩個方面:將不穩(wěn)定平臺的初始高精度水平調(diào)校過程轉(zhuǎn)移到外置水平基準上,提高了工作效率;通過不穩(wěn)定平臺與外置水平基準的初始對準,降低了相機與不穩(wěn)定平臺安裝關(guān)系的標定精度要求。不穩(wěn)定平臺相對外置水平基準的位姿解算是“外置基準兩次傳遞測量方法”的重要環(huán)節(jié),可以通過相機與外置水平基準的位姿關(guān)系和相機與不穩(wěn)定平臺的安裝關(guān)系轉(zhuǎn)換得到,其中相機與外置水平基準的位姿關(guān)系屬于相機位姿估計的范疇,即已知相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)求解相機相對外置水平基準的位置和姿態(tài),相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)標定精度和相機位姿估計算法性能是決定相機位姿估計精度的關(guān)鍵。提出了基于絕對二次曲線的相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)與外參數(shù)的解耦標定方法相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)是相機成像的模型參數(shù),其標定精度是影響相機位姿估計和安裝關(guān)系標定精度的關(guān)鍵因素。目前相機標定算法通常將內(nèi)、外參數(shù)及像差系數(shù)作為待求解參數(shù)同時解算,為了降低重投影誤差,需一并優(yōu)化相機內(nèi)、外參數(shù)及像差系數(shù),此種情況下,有可能將外參數(shù)誤差平差到內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)上,從而降低相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)的標定精度。本文提出了基于絕對二次曲線的相機參數(shù)標定方法,實現(xiàn)了相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)與外參數(shù)的解耦標定,一定程度上提高了相機內(nèi)參數(shù)及像差系數(shù)的標定精度。給出了相機姿態(tài)估計算法的性能評價方法目前基于空間點的相機姿態(tài)估計算法已較為成熟,但缺少科學的性能評價方法,使得工程應用中算法選擇的難度大大增加。針對該問題,本文提出了特定目標函數(shù)下的相機姿態(tài)估計算法性能評價方法,主要包括三個性能評價參數(shù):相機姿態(tài)解算精度、存在區(qū)域最優(yōu)解成功率和計算耗時。該方法可以為相機姿態(tài)估計算法的選擇提供科學合理的依據(jù)。提出了基于Schur矩陣分解的手眼標定算法手眼標定是相機與不穩(wěn)定平臺安裝關(guān)系標定的核心,手眼標定的精度直接決定了安裝關(guān)系標定的精度。論文提出了基于Schur矩陣分解理論的手眼標定算法,提高了手眼標定算法的效率、精度及穩(wěn)定性,而且實現(xiàn)了對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的自動篩選及野值的自動剔除。2.非水平狀態(tài)下設備定位定向修正以機動經(jīng)緯儀為例,現(xiàn)有的定位定向方法均要求設備首先進行高精度水平調(diào)校,而對于機動經(jīng)緯儀“不落地測量”工作模式,水平調(diào)校的精度無法保證。針對上述問題,論文提出了非水平狀態(tài)下設備定位定向修正方法:首先在非水平狀態(tài)下,利用衛(wèi)星定位定向方法對安裝于不穩(wěn)定平臺上的設備進行定位定向,然后根據(jù)測量得到的不穩(wěn)定平臺相對水平狀態(tài)的晃動量,將非水平狀態(tài)下的定位定向結(jié)果修正到水平狀態(tài)。3.不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換系統(tǒng)論文以靶場機動經(jīng)緯儀為具體研究對象,設計了不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并完成了靶場實驗,取得了預期效果,結(jié)果表明:利用不穩(wěn)定平臺靜態(tài)基準轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以使機動經(jīng)緯儀“不落地測量”精度達到“落地測量”精度。高精度