基于激光测距和MEMS/GPS的目标导航测绘误差角估计方法

摘要

本发明公开了一种基于激光测距和MEMS/GPS组合导航系统的目标导航测绘误差角估计方法。根据MEMS/GPS组合导航系统测出观测点的位置、姿态，通过激光测距仪测出观测点距目标的斜距；基于测量值计算出参考点的三维坐标、相对位置误差，进而构造参考点的观测方程。获取2个外部参考点的位置姿态信息，即估计出姿态误差角和安装失准角。该方法可充分利用多次观测信息，有效解决传统方法中误差不可观测的问题，利用外部参考点信息对安装失准角及姿态误差角进行精确估计与补偿，有效提升目标的导航测绘精度。

主权项

一种基于激光测距和MEMS/GPS组合导航系统目标导航测绘误差角估计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在观测点o附近选取一参考点R₁，利用MEMS/GPS组合导航系统精确测量参考点R₁的三维位置坐标(2)将MEMS/GPS组合导航系统移至观测点o，将激光测距仪瞄准参考点R₁，利用MEMS/GPS组合导航系统测量观测点o三维位置坐标经纬度矢量oR₁相对地理坐标系ox_ty_tz_t的航向角和纵摇角利用激光测距仪测量矢量oR₁的斜距d_oR1；(3)根据步骤(2)中MEMS/GPS组合导航系统和激光测距仪的测量值，计算参考点R₁在地球坐标系o_ex_ey_ez_e中的三维位置坐标所涉及参考点R₁的三维位置坐标表达式为：$\left[\begin{array}{c}{\tilde{x}}_{R1}^e\\ {\tilde{y}}_{R1}^e\\ {\tilde{z}}_{R1}^e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_o^e\\ y_o^e\\ z_o^e\end{array}\right]+C_t^e·C_t^2·\left[\begin{array}{ccc}1& -\gamma & \beta \\ \gamma & 1& -\alpha \\ -\beta & \alpha & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ d_{\mathrm{oR}1}\\ 0\end{array}\right]$式中，α、β、γ为MEMS/GPS和激光测距仪间存在的安装失准角；为地理坐标系与地球坐标系间的转换矩阵，为两次空间旋转变换矩阵；所涉及的地理坐标系与地球坐标系间的转换矩阵表达式为：所涉及的两次空间旋转变换矩阵表达式为：$C_t^2=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \tilde{\phi }& \sin \tilde{\phi }\\ 0& -\sin \tilde{\phi }& \cos \tilde{\phi }\end{array}\right]·\left[\begin{array}{ccc}\cos \tilde{H}& \sin \tilde{H}& 0\\ -\sin \tilde{H}& \cos \tilde{H}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$(4)根据参考点R₁的真实位置及步骤(3)中计算得出参考点R₁的三维位置坐标，再通过计算得到相对位置误差并构建基于姿态误差角和安装失准角的相对位置误差表示；所涉及的参考点R₁的相对位置误差表达式为：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_{R1}^e\\ {\mathrm{\Delta y}}_{R1}^e\\ {\mathrm{\Delta z}}_{R1}^e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\tilde{x}}_{R1}^e-x_{R1}^e\\ {\tilde{y}}_{R1}^e-y_{R1}^e\\ {\tilde{z}}_{R1}^e-z_{R1}^e\end{array}\right]$构建基于姿态误差角和安装失准角的相对位置误差表达式为：$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_{R1}^e\\ {\mathrm{\Delta y}}_{R1}^e\\ {\mathrm{\Delta z}}_{R1}^e\end{array}\right]=C_t^e·C_1·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Delta \phi }\\ \mathrm{\Delta H}-\gamma \\ \alpha \end{array}\right]$式中，$\mathrm{\Delta \phi }=\tilde{\phi }-\phi ,$$\mathrm{\Delta H}=\tilde{H}-H,$$C_1=\left[\begin{array}{ccc}0& d_{\mathrm{oR}}\cos \tilde{H}& 0\\ -d_{\mathrm{oR}}\sin \tilde{\phi }\cos \tilde{H}& -d_{\mathrm{oR}}\cos \tilde{\phi }\sin \tilde{H}& d_{\mathrm{oR}}\sin \tilde{\phi }\\ -d_{\mathrm{oR}}\cos \tilde{\phi }\cos \tilde{H}& d_{\mathrm{oR}}\sin \tilde{\phi }\sin \tilde{H}& d_{\mathrm{oR}}\cos \tilde{\phi }\end{array}\right];$所涉及的参考点R₁的真实位置表达式为：$\left[\begin{array}{c}{x}_{R1}^e\\ y_{R1}^e\\ z_{R1}^e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_o^e\\ y_o^e\\ z_o^e\end{array}\right]+C_t^e·\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{oR}1}\sin H\\ d_{\mathrm{oR}1}\cos \phi \cos H\\ -d_{\mathrm{oR}1}\sin \phi \cos H\end{array}\right]$式中，H、φ为观测点o与参考点R₁构成矢量oR₁相对地理坐标系ox_ty_tz_t的真实航向角和纵摇角；(5)根据步骤(4)中基于姿态误差角和安装失准角的相对位置误差表达式，构建基于参考点R₁的观测方程；所涉及的参考点R₁的观测方程表达式为：$Z_1=C_1·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Delta \phi }\\ {\mathrm{\Delta H}}_{\gamma }\\ \alpha \end{array}\right]$式中，(6)重复步骤(1)～(5)，基于外部参考点R₂，获取新的观测量Z₂和观测矩阵C₂，并构建观测方程；所涉及的参考点R₂的观测方程表达式为：$Z_2=C_2·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Delta \phi }\\ {\mathrm{\Delta H}}_{\gamma }\\ \alpha \end{array}\right]$(7)基于步骤(5)和步骤(6)中参考点R₁、R₂的观测方程，构成组合观测方程，利用最小二乘法，同时实现姿态误差角和安装失准角的估计；所涉及的组合观测方程为：姿态误差角和安装失准角的估计结果为：