[發(fā)明專利]一種無(wú)人機(jī)姿態(tài)與位置的實(shí)時(shí)高精度測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110648213.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113551671B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王帆;謝梅林;郝偉;黃偉;劉凱;劉波;李治國(guó);韓俊鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01C21/18
• 分類號(hào): G01C21/18;G01S19/47
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 史曉麗

本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)姿態(tài)與位置的測(cè)量方法，具體涉及一種無(wú)人機(jī)姿態(tài)與位置的實(shí)時(shí)高精度測(cè)量方法，用于解決現(xiàn)有無(wú)人機(jī)姿態(tài)和位置測(cè)量系統(tǒng)中，高精度測(cè)量設(shè)備質(zhì)量重、價(jià)格高，基于MEMS的測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度不足，天文導(dǎo)航手段難以在低空環(huán)境應(yīng)用且輸出頻率低，圖像測(cè)量手段難以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)載平臺(tái)的問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)設(shè)定測(cè)量無(wú)人機(jī)與目標(biāo)無(wú)人機(jī)，使得測(cè)量無(wú)人機(jī)獲得參考物，通過(guò)GNSS接收模塊獲取兩臺(tái)無(wú)人機(jī)位置信息，通過(guò)測(cè)量無(wú)人機(jī)的光電穩(wěn)定平臺(tái)獲取測(cè)量無(wú)人機(jī)角度信息、目標(biāo)脫靶量信息，加上測(cè)量無(wú)人機(jī)的MEMS慣導(dǎo)模塊提供的測(cè)量無(wú)人機(jī)的橫滾角初值，計(jì)算得出測(cè)量無(wú)人機(jī)在脫靶量輸出時(shí)刻的姿態(tài)，極大提高了無(wú)人機(jī)航向角和俯仰角的測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)姿態(tài)與位置的測(cè)量方法，具體涉及一種無(wú)人機(jī)姿態(tài)與位置的實(shí)時(shí)高精度測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著裝備的發(fā)展和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)光電測(cè)量裝備的測(cè)量精度、環(huán)境適應(yīng)性、快速性、機(jī)動(dòng)性、時(shí)效性、靈活組網(wǎng)能力、測(cè)量覆蓋范圍等方面的需求不斷提高。面對(duì)目標(biāo)測(cè)量領(lǐng)域的機(jī)動(dòng)測(cè)量趨勢(shì)與任務(wù)延伸需求，現(xiàn)有的測(cè)量體制與模式能力不足。例如，航天器發(fā)射測(cè)量需要在整個(gè)航區(qū)上布設(shè)完整的光測(cè)網(wǎng)；遠(yuǎn)程測(cè)量任務(wù)都要求實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中測(cè)”。但是目前在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，通常只有在遠(yuǎn)洋航天測(cè)量船上布站測(cè)量時(shí)，光電經(jīng)緯儀工作在系泊狀態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)基座上，大部分的光電經(jīng)緯儀都是布設(shè)在地面牢固的地基環(huán)上或者基于不落地測(cè)量系統(tǒng)，并最終在靜止基座狀態(tài)下使用。

在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)測(cè)量技術(shù)可以拓展經(jīng)緯儀等傳統(tǒng)光電測(cè)量設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)在動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用的新領(lǐng)域，應(yīng)用動(dòng)平臺(tái)測(cè)量機(jī)制可與現(xiàn)有的測(cè)量體系組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全范圍跟蹤與測(cè)量，有利于增強(qiáng)光測(cè)綜合試驗(yàn)?zāi)芰?，可在飛行器系統(tǒng)與艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)等試驗(yàn)中獲得廣泛應(yīng)用。在目標(biāo)測(cè)量應(yīng)用中，目標(biāo)定位是目標(biāo)測(cè)量的基本功能之一，目標(biāo)定位能力的高低、精確度直接影響測(cè)量效果和后續(xù)決策。研究基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高精度測(cè)量方法及關(guān)鍵技術(shù)可針對(duì)性的提高目標(biāo)定位精度，提高跟蹤、目標(biāo)定位與指示、目標(biāo)搜索與救援等系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行能力。

機(jī)載目標(biāo)測(cè)量是基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量的典型方式，而機(jī)載光電測(cè)量設(shè)備是實(shí)現(xiàn)機(jī)載目標(biāo)定位的載體工具，其性能直接影響到機(jī)載目標(biāo)定位的精度。作為空中目標(biāo)測(cè)量的重要工具，美國(guó)、以色列、俄羅斯、法國(guó)等均已研發(fā)服役使用了多種型號(hào)的機(jī)載光電測(cè)量設(shè)備。

美國(guó)“全球鷹”無(wú)人機(jī)裝備了一種長(zhǎng)焦距可見(jiàn)/紅外雙波段航空相機(jī)，采用了“步進(jìn)拍攝”方法，具有寬覆蓋搜索、局部區(qū)域掃描、立體成像及點(diǎn)目標(biāo)跟蹤四種工作模式，無(wú)人機(jī)上的IMU(慣性測(cè)量單元)姿態(tài)角測(cè)量精度可達(dá)微弧度級(jí)，載機(jī)導(dǎo)航誤差為米級(jí)。與上述設(shè)備類似的還有捕食者無(wú)人機(jī)裝載的MTS-A/B系統(tǒng)、美國(guó)F35上裝載的EOTS光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、加拿大L-3WESCAM公司研制的MX-20/20D通用性機(jī)載光電平臺(tái)。這些機(jī)載光電設(shè)備經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其共同特點(diǎn)是長(zhǎng)焦距、多波段和高精度測(cè)量并集成了先進(jìn)傳感器和視軸穩(wěn)定算法，具有遠(yuǎn)距離、高分辨成像、高精度定位及高精度跟蹤等特點(diǎn)，但其不足是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、重量較大、制造工藝要求及制作成本很高。

對(duì)于機(jī)載光電測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō)，其測(cè)量精度嚴(yán)重依賴于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自身的姿態(tài)基準(zhǔn)與位置基準(zhǔn)。然而現(xiàn)有的高精度姿態(tài)/位置測(cè)量設(shè)備的重量和成本都很高，難以滿足載重有限且需求量很大的無(wú)人機(jī)載平臺(tái)的使用要求。雖然商用無(wú)人機(jī)使用MEMS慣導(dǎo)模塊、磁強(qiáng)計(jì)和GPS組合也能達(dá)到一定的姿態(tài)和位置導(dǎo)航精度，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高精度目標(biāo)測(cè)量的基準(zhǔn)需求。星敏感器在現(xiàn)有導(dǎo)航器件中具備最高的姿態(tài)導(dǎo)航精度，但是其輸出頻率很低且在低空環(huán)境下受到大氣散射作用的影響難以持續(xù)穩(wěn)定工作。近年來(lái)出現(xiàn)的車載“不落地”測(cè)量技術(shù)，提出了基于圖像的平臺(tái)自身姿態(tài)測(cè)量方法，但是這種方法需要一個(gè)固定的合作目標(biāo)作為已知信息，因此限制了使用場(chǎng)合和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍，尤其難以適用于無(wú)人機(jī)載平臺(tái)。

綜上所述，現(xiàn)有的姿態(tài)和位置測(cè)量系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：(1)高精度測(cè)量設(shè)備質(zhì)量重，價(jià)格高；(2)基于MEMS的測(cè)量設(shè)備精度不足；(3)天文導(dǎo)航手段難以在低空環(huán)境應(yīng)用且輸出頻率低；(4)現(xiàn)有的圖像測(cè)量手段難以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)載平臺(tái)。

發(fā)明內(nèi)容