CN114739424B - 一种瞄准系统安装误差标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种瞄准系统安装误差标定装置及方法。所述装置包括：经纬仪I，安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜，经纬仪II，给定北向基准的基准棱镜，由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统；经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜装置与倾斜自准直光管准直，倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y近似相等。本发明的瞄准系统安装误差标定方法，能够使倾斜直角棱镜的棱线不水平度引入误差忽略不计，可将高精度的北向基准传递到倾斜自准直光管，不仅提高了安装误差标定的精度，同时降低了对操作人员的操作要求。

Description

一种瞄准系统安装误差标定装置及方法

技术领域

本发明属于误差标定技术领域，具体涉及一种瞄准系统安装误差标定装置及方法。

背景技术

瞄准系统主要由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成。激光捷联惯组通过自身惯性器件进行自寻北获得高精度方位角及水平姿态角，通过事先标定的安装误差和倾斜自准直光管测得的准直偏差角可计算出瞄准方位角，将高精度方位基准传递给目标棱镜。激光捷联惯组与倾斜自准直光管间安装误差的标定精度直接决定了瞄准系统的方位测量精度。

现有标定方法采用在经纬仪I上架设水平直角棱镜，将已与北向基准准直的经纬仪II与经纬仪I上的水平直角棱镜准直；然后将水平直角棱镜与倾斜自准直光管准直，获得倾斜自准直光管光轴的方位角；同时激光捷联惯组自寻北获得方位角，进而标定倾斜自准直光管与激光捷联惯组的方位安装误差。在此过程中，水平直角棱镜的棱线不水平度将引入较大误差，当倾斜自准直光管倾斜35°且水平直角棱镜存在30″不水平度时，将引入21″的误差。对于高精度瞄准系统，其精度要求达秒级，因此，现有标定方法不再适应高精度瞄准系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种瞄准系统安装误差标定装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种瞄准系统安装误差标定装置，包括：经纬仪I，安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜，经纬仪II，给定北向基准的基准棱镜，由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统；经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜装置与倾斜自准直光管准直，倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y近似相等；基于经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角、俯仰角、横滚角，以及通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北获得的激光捷联惯组的方位角、俯仰角、横滚角，计算瞄准系统的安装误差。

进一步地，俯仰角θ_GG的测量方法包括：架设瞄准系统和经纬仪I，经纬仪I调平后测量出倾斜自准直光管光轴俯仰角θ_GG。

进一步地，俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y的误差小于5′。

进一步地，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

更进一步地，C₁、C₂分别为：

更进一步地，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、β_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂

第二方面，本发明提供一种应用所述装置进行瞄准系统安装误差标定的方法，包括以下步骤：

调节经纬仪II的俯仰角平瞄基准棱镜，调节经纬仪II的方位角使其与基准棱镜准直，然后将经纬仪II的方位角设置为基准棱镜北向方位角度；

将经纬仪II转向经纬仪I上的倾斜直角棱镜，并将其倾斜角调到与倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG近似相等；然后调节经纬仪I和经纬仪II的方位角使经纬仪II与经纬仪I上的倾斜直角棱镜准直，将经纬仪I的方位角设置为经纬仪II的北向方位角度；

将经纬仪I转向倾斜自准直光管，根据倾斜自准直光管的测角调节经纬仪I的方位，使经纬仪I与倾斜自准直光管准直；此时，经纬仪I上的方位角数据即为倾斜自准直光管的方位角α_GG；

通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北，得到激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ；

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，以及方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，计算瞄准系统的安装误差。

进一步地，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

更进一步地，C₁、C₂分别为：

更进一步地，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、β_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明提出的瞄准系统安装误差标定装置，包括定北向基准的基准棱镜、经纬仪I、安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜、经纬仪II、给定北向基准的基准棱镜、由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统，经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜装置与倾斜自准直光管准直，倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y近似相等。本发明的瞄准系统安装误差标定方法，能够使倾斜直角棱镜的棱线不水平度引入误差忽略不计，可将高精度的北向基准传递到倾斜自准直光管，不仅提高了安装误差标定的精度，同时降低了对操作人员的操作要求。

附图说明

图1为本发明实施例一种瞄准系统安装误差标定装置的方框图。图中，1-经纬仪I，2-倾斜直角棱镜，3-经纬仪II，4-基准棱镜，5-激光捷联惯组，6-倾斜自准直光管。

图2为本发明实施例一种应用所述装置进行瞄准系统安装误差标定的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种瞄准系统安装误差标定装置的方框图，包括：经纬仪I，安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜，经纬仪II，给定北向基准的基准棱镜，由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统；经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜装置与倾斜自准直光管准直，倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y近似相等；基于经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角、俯仰角、横滚角，以及通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北获得的激光捷联惯组的方位角、俯仰角、横滚角，计算瞄准系统的安装误差。

本实施例中，所述装置主要由经纬仪I、安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜、经纬仪II、给定北向基准的基准棱镜、由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统组成。基准棱镜用于提供北方位基准。经纬仪I、经纬仪II不仅可以测量方位角，还能测量俯仰角。进行误差标定时，需先测出倾斜自准直光管相对经纬仪II的俯仰角θ_GG；还要调节经纬仪II的俯仰角平瞄基准棱镜，并调节经纬仪II的方位角使其与基准棱镜准直，然后经纬仪II置基准棱镜北向方位角度数据。将经纬仪II转向经纬仪I上的倾斜直角棱镜装置，并将其倾斜角调到与倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG近似相等，然后调节经纬仪I和经纬仪II的方位角使经纬仪II与经纬仪I上的倾斜直角棱镜装置准直，再将经纬仪I置经纬仪II的北向方位角度数据。将经纬仪I转向倾斜自准直光管，根据倾斜自准直光管的测角调节经纬仪I的方位，使经纬仪I与倾斜自准直光管准直，此时经纬仪I上的方位角读数即为倾斜自准直光管的方位角。经纬仪I横滚角一般置为0，这样就得到了由经纬仪I测得的倾斜自准直光管的方位角、俯仰角、横滚角。最后，给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北，获得激光捷联惯组的方位角、俯仰角、横滚角。根据得到的两组角度数据就可以解算出瞄准系统的安装误差。

本实施例的误差标定方法，能够使由倾斜直角棱镜的棱线不水平度(棱线与水平面的夹角)引入误差忽略不计，可将高精度的北向基准传递到倾斜自准直光管，不仅提高了安装误差标定的精度，同时降低了对操作人员的操作要求。下面介绍一下消除误差的技术原理。

假设经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜的棱线不水平度为θ_NL，则方位角误差Δα₁为：

Δα₁＝θ_NL·tanθ_Y

假设经纬仪I上的倾斜直角棱镜装置真实方位角为Δα_TRUE，则经纬仪I上示数α_J1为：

α_J1＝α_TRUE+Δα₁

将经纬仪I转过一定角度使倾斜直角棱镜也与倾斜自准直光管准直，假设测得的倾斜自准直光管俯仰角为θ_GG，此时方位角误差Δα₂为：

Δα₂＝θ_NL·tanθ_GG

则倾斜自准直光管的方位角α_GG为：

α_GG＝α_TRUE+Δα₂

＝α_J1+Δα₂-Δα₁

＝α_J1+θ_NL·(tanθ_GG-tanθ_Y)

θ_GG与θ_Y设相差Δθ很小，根据小角度近似上式可化为：

α_GG＝α_J1+θ_NL·Δθ

棱线不水平度一般不大于2′，θ_Y和θ_GG的差值Δθ不大于5′，按此标定方法，棱线不水平引入的方位误差θ_NL·Δθ＝2′×5/60×(π/180)≈0.0029′≈0.17″，可以满足高精度瞄准系统的标定需求。

作为一可选实施例，俯仰角θ_GG的测量方法包括：架设瞄准系统和经纬仪I，经纬仪I调平后测量出倾斜自准直光管光轴俯仰角θ_GG。

本实施例给出了测量俯仰角θ_GG的一种技术方案。θ_GG是倾斜自准直光管光轴相对经纬仪I的俯仰角，需要在架设图1所示实验装置之前测出θ_GG。如前述，经纬仪具有测量和方位角和俯仰角的功能，因此，只需架设瞄准系统和经纬仪I，对经纬仪I进行调平后由经纬仪I测量俯仰角θ_GG。测完后保持瞄准系统不动，架设图1所示实验装置。

作为一可选实施例，俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y的误差小于5′。

作为一可选实施例，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

本实施例给出了计算瞄准系统的安装误差的一种技术方案。本实施例通过计算安装误差矩阵计算安装误差。安装误差矩阵的计算方法包括：先根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角、俯仰角、横滚角，列出倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；然后根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角、俯仰角、横滚角，列出倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；再根据C＝((C₁)^TC₂)^T得到安装误差矩阵C。姿态矩阵等于对应横滚角、俯仰角、方位角的旋转矩阵的积的转置，后面的实施例将给出具体的表达式。

作为一可选实施例，C₁、C₂分别为：

本实施例给出了2个姿态矩阵C₁、C₂的具体表达式。根据方位角、俯仰角、横滚角列出姿态矩阵属于公知常识，这里不作具体说明。

作为一可选实施例，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、β_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂

本实施例给出了根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的一种技术方案。先列出用方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差表示的安装误差矩阵C，以及根据C＝((C₁)^TC₂)^T计算得到的C；然后令二者相等就可以得到3个安装误差角。比如：根据T₃₂＝sinθ_e，得θ_e＝arcsin T₃₂。再如，根据T₁₂＝cosθ_esinα_e，T₂₂＝cosθ_ecosα_e，得T₁₂/T₂₂＝tanα_e，所以，α_e＝arctan(T₁₂/T₂₂)。

图2为本发明实施例一种应用所述装置进行瞄准系统安装误差标定的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

调节经纬仪II的俯仰角平瞄基准棱镜，调节经纬仪II的方位角使其与基准棱镜准直，然后将经纬仪II的方位角设置为基准棱镜北向方位角度；

将经纬仪II转向经纬仪I上的倾斜直角棱镜，并将其倾斜角调到与倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG近似相等；然后调节经纬仪I和经纬仪II的方位角使经纬仪II与经纬仪I上的倾斜直角棱镜准直，将经纬仪I的方位角设置为经纬仪II的北向方位角度；

将经纬仪I转向倾斜自准直光管，根据倾斜自准直光管的测角调节经纬仪I的方位，使经纬仪I与倾斜自准直光管准直；此时，经纬仪I上的方位角数据即为倾斜自准直光管的方位角α_GG；

通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北，得到激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ；

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，以及方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，计算瞄准系统的安装误差。

本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。

作为一可选实施例，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

作为一可选实施例，C₁、C₂分别为：

作为一可选实施例，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、θ_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，包括：经纬仪I，安装在经纬仪I上的倾斜直角棱镜，经纬仪II，给定北向基准的基准棱镜，由激光捷联惯组和倾斜自准直光管组成的瞄准系统；经纬仪II以俯仰角θ_Y与倾斜直角棱镜装置准直，倾斜直角棱镜装置与倾斜自准直光管准直，倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y近似相等；基于经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角、俯仰角、横滚角，以及通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北获得的激光捷联惯组的方位角、俯仰角、横滚角，计算瞄准系统的安装误差。

2.根据权利要求1所述的瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，俯仰角θ_GG的测量方法包括：架设瞄准系统和经纬仪I，经纬仪I调平后测量出倾斜自准直光管光轴俯仰角θ_GG。

3.根据权利要求1所述的瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，俯仰角θ_GG与俯仰角θ_Y的误差小于5′。

4.根据权利要求1所述的瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

5.根据权利要求4所述的瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，C₁、C₂分别为：

6.根据权利要求5所述的瞄准系统安装误差标定装置，其特征在于，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、β_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂

7.一种应用权利要求1所述装置进行瞄准系统安装误差标定的方法，包括以下步骤：

调节经纬仪II的俯仰角平瞄基准棱镜，调节经纬仪II的方位角使其与基准棱镜准直，然后将经纬仪II的方位角设置为基准棱镜北向方位角度；

将经纬仪II转向经纬仪I上的倾斜直角棱镜，并将其倾斜角调到与倾斜自准直光管相对经纬仪I的俯仰角θ_GG近似相等；然后调节经纬仪I和经纬仪II的方位角使经纬仪II与经纬仪I上的倾斜直角棱镜准直，将经纬仪I的方位角设置为经纬仪II的北向方位角度；

将经纬仪I转向倾斜自准直光管，根据倾斜自准直光管的测角调节经纬仪I的方位，使经纬仪I与倾斜自准直光管准直；此时，经纬仪I上的方位角数据即为倾斜自准直光管的方位角α_GG；

通过给激光捷联惯组下发寻北指令使其进行自寻北，得到激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ；

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，以及方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，计算瞄准系统的安装误差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

根据经纬仪I测得的倾斜自准直光管方位角α_GG、俯仰角θ_GG、横滚角β_GG＝0，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₁；

根据通过自寻北获得的激光捷联惯组的方位角α_GZ、俯仰角θ_GZ、横滚角β_GZ，得到倾斜自准直光管的姿态矩阵C₂；

计算瞄准系统的安装误差矩阵C＝((C₁)^TC₂)^T；

根据矩阵C计算瞄准系统的安装误差。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，C₁、C₂分别为：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据安装误差矩阵C计算瞄准系统的安装误差的方法包括：

用α_e、θ_e、β_e分别表示方位角安装误差、俯仰角安装误差和横滚角安装误差，则安装误差矩阵C可表示为：

令则瞄准系统的安装误差为：

θ_e＝arcsin T₃₂