專利名稱：一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，屬于慣性導(dǎo)航/組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
慣性導(dǎo)航是完全自主導(dǎo)航設(shè)備，自主完成導(dǎo)航任務(wù)，不受外部干擾等；但是，慣導(dǎo)誤差隨時間積累，難以長時間準(zhǔn)確提供導(dǎo)航信息。因此，慣導(dǎo)系統(tǒng)與外部傳感器共同實現(xiàn)組合導(dǎo)航是必然的發(fā)展趨勢。目前，常用的車載組合導(dǎo)航的方式主要有慣導(dǎo)/GPS組合及慣導(dǎo)/里程計組合。慣導(dǎo)/GPS組合導(dǎo)航雖然能夠很好地解決誤差積累的問題，但GPS存在易受 電子干擾、信號易被遮擋等缺點，組合系統(tǒng)屬于非自主式；里程計雖能夠測量車輛的速度及里程，但里程計刻度因子的變化較大，嚴(yán)重制約其測量精度，而且在每次使用過程中必須進(jìn)行實時標(biāo)校。激光(多普勒)測速儀是利用激光多普勒效應(yīng)來測量運(yùn)動速度的一種儀器，由激光測速儀的原理可知，將激光測速儀固聯(lián)在運(yùn)動的載體上，并使得激光測速儀發(fā)射的激光束打到地面上，由于其發(fā)射的頻率和其接收到地面反射回的頻率不同而產(chǎn)生多普勒頻移，由此即可測出載體相對于地面的速度。激光測速儀作為一種新型的速度傳感器，具有精度高、測速范圍寬、動態(tài)性能好及非接觸測量等優(yōu)點，由它和慣導(dǎo)進(jìn)行組合導(dǎo)航，不需要依靠任何外界信息，不受外界干擾、屏蔽等影響，可以實現(xiàn)全自主式高精度組合導(dǎo)航。當(dāng)前，激光測速儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行組合導(dǎo)航已成為重要的發(fā)展方向，而目前還未全面地提出一種用于組合導(dǎo)航的激光測速儀精度測試與計算的方法，針對這一現(xiàn)狀，提出了本發(fā)明中所闡述的用于組合導(dǎo)航的激光測速儀精度測試與計算方法。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，它采用高精度角速率轉(zhuǎn)臺(或類似功能設(shè)備)，對激光測速儀的如下精度指標(biāo)進(jìn)行測試與計算標(biāo)度因數(shù)，零偏，標(biāo)度因數(shù)非線性，標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性，零偏重復(fù)性，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性，零偏穩(wěn)定性，噪聲。2、技術(shù)方案將單波束激光測速儀發(fā)射的激光束照射到角速率轉(zhuǎn)臺邊緣柱面上，當(dāng)轉(zhuǎn)臺以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，邊緣切線速度為v=Ro，發(fā)射激光與轉(zhuǎn)臺邊緣切線速度成Θ角照射到轉(zhuǎn)臺邊緣上，可得到激光測速儀測得的速度Vt=V -cos Θ。性能優(yōu)良的角速率轉(zhuǎn)臺可以為測試提供高精度的速度源，保證測試的有效性。測試示意圖如圖I所示。本發(fā)明一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，該方法具體步驟如下步驟I :將角速率轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸置為垂直，與當(dāng)?shù)卮咕€間誤差不超過規(guī)定值。
步驟2 :將單波束激光測速儀的激光發(fā)射端水平對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的邊緣，誤差不超過規(guī)定值，然后固定放置。步驟3 :測量激光束與轉(zhuǎn)臺邊緣切線方向的夾角Θ，若Θ為90。，則調(diào)整激光束的方向使得夾角Θ不為90°。步驟4 :在轉(zhuǎn)臺可提供角速度范圍內(nèi)，設(shè)置M (預(yù)定M≥15)個角速率輸入點。步驟5 :按照專用技術(shù)條件設(shè)定激光測速儀輸出數(shù)據(jù)的采樣間隔及采樣次數(shù)。步驟6 :角速率轉(zhuǎn)臺加電，將設(shè)置的M個角速率值依次設(shè)定為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度，在各角速率點下，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后接通單波束激光測速儀的電源，測試激光測速儀輸出，求出各角速度下激光測速儀輸出的平均值。步驟7 :用步驟6所測得的數(shù)據(jù)計算標(biāo)度因數(shù)，零偏以及標(biāo)度因數(shù)非線性；步驟8 :按照步驟f 6重復(fù)測試Q次，Q > 6，用所得數(shù)據(jù)計算標(biāo)度重復(fù)性和零偏重復(fù)性。步驟9 :設(shè)定角速率轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為低轉(zhuǎn)速ω。待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試2小時的預(yù)定時間，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差，即可得到零偏穩(wěn)定性。在所得的數(shù)據(jù)中取預(yù)定30秒時間的數(shù)據(jù)計算其均方差可得其噪聲。步驟10 :設(shè)定角速率轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為高轉(zhuǎn)速ωΗ，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試的時間按預(yù)定2小時計，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差，再將其平方值和零偏穩(wěn)定性的平方值的差值開根號即可得到標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。其中，步驟7所述的“用步驟6所測得的數(shù)據(jù)計算標(biāo)度因數(shù)，零偏以及標(biāo)度因數(shù)非線性”其具體實現(xiàn)過程如下I)標(biāo)度因數(shù)與零偏將角速率轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸置為垂直，與當(dāng)?shù)卮咕€間誤差不超過規(guī)定值。將單波束激光測速儀的激光發(fā)射端水平對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的邊緣，誤差不超過規(guī)定值。在轉(zhuǎn)臺可提供角速度范圍內(nèi)，設(shè)定Μ、預(yù)定M > 15個角速度檔。測試步驟如下按照專用技術(shù)條件設(shè)定激光測速儀輸出數(shù)據(jù)的采樣間隔及采樣次數(shù)；角速率轉(zhuǎn)臺加電，將設(shè)置的M個角速率值依次設(shè)定為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度，在各角速率點下，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后接通單波束激光測速儀的電源，測試激光測速儀輸出，求出各角速度下激光測速儀輸出的平均值。設(shè)P,為角速率臺的第j個輸入角速率時激光測速儀輸出的平均值，標(biāo)度因數(shù)和零偏的計算方法見公式(1Γ(4)
權(quán)利要求
1.一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟I:將角速率轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸置為垂直，與當(dāng)?shù)卮咕€間誤差不超過規(guī)定值； 步驟2 :將單波束激光測速儀的激光發(fā)射端水平對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的邊緣，誤差不超過規(guī)定值，然后固定放置； 步驟3 :測量激光束與轉(zhuǎn)臺邊緣切線方向的夾角0，若0為90。，則調(diào)整激光束的方向使得夾角9不為90° ; 步驟4 :在轉(zhuǎn)臺可提供角速度范圍內(nèi)，設(shè)置M，預(yù)定MS 15個角速率輸入點； 步驟5 :按照專用技術(shù)條件設(shè)定激光測速儀輸出數(shù)據(jù)的采樣間隔及采樣次數(shù)； 步驟6 :角速率轉(zhuǎn)臺加電，將設(shè)置的M個角速率值依次設(shè)定為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度，在各角速率點下，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后接通單波束激光測速儀的電源，測試激光測速儀輸出，求出各角速度下激光測速儀輸出的平均值； 步驟7 :用步驟6所測得的數(shù)據(jù)計算標(biāo)度因數(shù)，零偏以及標(biāo)度因數(shù)非線性； 步驟8 :按照步驟I飛重復(fù)測試Q次，Q > 6，用所得數(shù)據(jù)計算標(biāo)度重復(fù)性和零偏重復(fù)性； 步驟9 :設(shè)定角速率轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為低轉(zhuǎn)速待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試2小時的預(yù)定時間，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差，即得到零偏穩(wěn)定性；在所得的數(shù)據(jù)中取預(yù)定30秒時間的數(shù)據(jù)計算其均方差得其噪聲； 步驟10 :設(shè)定角速率轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為高轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試的時間按預(yù)定2小時計，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差，再將其平方值和零偏穩(wěn)定性的平方值的差值開根號即得到標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，其特征在于步驟7所述的“用步驟6所測得的數(shù)據(jù)計算標(biāo)度因數(shù)，零偏以及標(biāo)度因數(shù)非線性”，其具體實現(xiàn)過程如下 I)標(biāo)度因數(shù)與零偏 將角速率轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸置為垂直，與當(dāng)?shù)卮咕€間誤差不超過規(guī)定值；將單波束激光測速儀的激光發(fā)射端水平對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的邊緣，誤差不超過規(guī)定值；在轉(zhuǎn)臺可提供角速度范圍內(nèi)，設(shè)定M、預(yù)定M > 15個角速度檔； 測試步驟如下按照專用技術(shù)條件設(shè)定激光測速儀輸出數(shù)據(jù)的采樣間隔及采樣次數(shù)；角速率轉(zhuǎn)臺加電，將設(shè)置的M個角速率值依次設(shè)定為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度，在各角速率點下，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后接通單波束激光測速儀的電源，測試激光測速儀輸出，求出各角速度下激光測速儀輸出的平均值； 設(shè)為角速率臺的第j個輸入角速率時激光測速儀輸出的平均值，標(biāo)度因數(shù)和零偏的計算方法見公式ar (4) Vj =jrtvjK(I)K=I 建立激光測速儀輸入輸出關(guān)系的線性模型 Vj =SF-(R. Co■ cos8) + B +e}.(2)用最小二乘法求標(biāo)度因數(shù)SF和零偏B
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，其特征在于步驟8所述的“用所得數(shù)據(jù)計算標(biāo)度重復(fù)性和零偏重復(fù)性”，其具體實現(xiàn)過程如下 .3)標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性 按照I)中測試與計算方法重復(fù)Q次，Q > 6，得到Q個標(biāo)度因數(shù)值； 按公式(8)計算標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，其特征在于步驟9所述的計算“零偏穩(wěn)定性及噪聲”，其具體實現(xiàn)過程如下 5)零偏穩(wěn)定性 角速率轉(zhuǎn)臺以低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，則激光測速儀輸入小速度值，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試時間為預(yù)定2小時，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差，即得到零偏穩(wěn)定性； 按公式(10)計算激光測速儀的零偏穩(wěn)定性
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，其特征在于步驟10所述的計算“標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性”，其具體實現(xiàn)過程如下 7)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性 角速率轉(zhuǎn)臺以高速轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，激光測速儀測試時間為預(yù)定2小時，得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定30秒的時間平滑后計算其均方差得到標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的初始值，再將其平方值和零偏穩(wěn)定性平方值的差值開根號即得到標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性； 按照公式(12)計算標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的初始值
全文摘要
一種用于組合導(dǎo)航的單波束激光測速儀精度測試與計算方法，有十大步驟一、設(shè)置好轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸位置；二、將測速儀的激光發(fā)射端水平對好轉(zhuǎn)臺的邊緣；三、測量激光束與轉(zhuǎn)臺邊緣切線方向夾角；四、在輸入角速度范圍內(nèi)，設(shè)置角速率輸入點；五、按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定測速儀輸出數(shù)據(jù)采樣間隔及次數(shù)；六、測試并求出該輸入角速度下輸出平均值；七、用上步數(shù)據(jù)計算標(biāo)度因數(shù)、零偏和標(biāo)度因數(shù)非線性；八、按照一~六重復(fù)測試，計算標(biāo)度和零偏重復(fù)性；九、設(shè)轉(zhuǎn)臺為低轉(zhuǎn)速，測試和數(shù)據(jù)按預(yù)定時間平滑后計算其均方差，得零偏穩(wěn)定性和噪聲；十、設(shè)轉(zhuǎn)臺為高轉(zhuǎn)速，測試和數(shù)據(jù)按預(yù)定時間平滑后計算其均方差，再將其平方值和零偏穩(wěn)定性的平方值的差值開平方即得標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。
文檔編號G01C25/00GK102706367SQ20121020978
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者宋凝芳, 尹俊杰, 張小躍, 張春熹, 晁代宏, 潘建業(yè) 申請人:北京航空航天大學(xué)