关于激光测速仪的高精度定位定向技术.pdf

第26卷第8期 强 激 光 与 粒 子 束 VoI．26，NO．3 2014年3月 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS Mar．。2014 基于激光测速仪的高精度定位定向技术。 张小跃，林志立， 张春熹 (北京航空航灭大学仪器科学与光电工程学院，北京100191) 摘 要： 基于激光测速仪的工作原理、测量特性，结合惯性导航系统的工作特点，提出一种实现车体自主 高精度定位定向的组合方法。推导了用于车载组合定位定向的三波束激光测速仪误差模型，结合捷联惯导误 差模型，选取了组合卡尔曼滤波器状态量，并推导了组合导航量测模型。最后针对这种基于激光测速仪的组合 定位定向方法进行了仿真计算，列出了相关计算结果，仿真结果验证了这种方法的正确性。 关键词： 激光测速仪； 惯性导航； 定位定向； 卡尔曼滤波 中图分类号： V249．3 文献标志码： A doi：10．3788／HPI．PB201426．031012 车载惯性导航系统是实现发射车定位定向的重要仪器u]，但是惯导系统导航误差随时问累积，因此通常通 过惯导与其他外部传感器的组合来实现车载高精度定位定向，当前常用组合定位定向方式有惯导／里程计组合 以及惯导／卫星导航组合。卫星导航容易受到外界干扰与屏蔽，而里程计实际使用精度偏低，本文提出一种惯 导／激光测速仪组合实现全自主高精度定位定向的方式。采用激光测速仪测量载体相对于地面的运动速率，具 有精度高、误差无累积等特点，而且相对于卫星导航系统具有自主性强、不被屏蔽干扰的优势。激光技术在测 量领域的应用非常广泛，而用于车载组合导航的研究相对较少瞳。1…。本文提出一种车载惯导／三波束激光测速 仪组合实现自主高精度定位定向的方法，基于激光测速仪的基本工作原理，推导了导航过程中三波束测速仪的 误差模型，在此基础上建立了车载惯导／三波束激光测速仪组合模型，最后对这种组合定位定向方法进行了仿 真计算验证。 1激光测速仪误差模型 激光多普勒测速仪是基于激光多普勒效应，利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息。当激光 测速仪安装在车式载体底部随惯性导航系统一起运动时，入射到地面上的光束就会在大地面发生漫反射现象， 被地面散射回来的光线相对于入射光线将会产生一个频率偏移量，这个偏移量就是多普勒频移，而多普勒频移 与载体的运动速度恰好成正比关系，因此通过探测多普勒频移就可以推算出载体在激光束方向相对于地面的 运动速度‘41j。 采用互成一定角度的三个激光波束构成激光测速仪同时进行测量，假设其中一个波束f。与载体现，ys，‰ 轴之间的相对安装角度分别为“，，．9。，7。，假设车体在载体坐标系下各轴向速度分别为w：、u：、w!，则激光波束f， 方向测得载体速率玑为 矶一u，bC080t1+u：cosfll十u!cosyl (1) 同理，可以得到另外两个激光波束z。与z。测试得到各自方向的载体速率钞L与耽。分别表示为 训，，一V!：．COSOt2+u；cos＆+v!cosy2 (2) 钉-一训，b (3) COSOt3+u：cosp3+到!cosy3 式中：。：，＆，7：为波束』。分别与载体“，Y。，z、轴之问的相对安装角度；“。，卢s，，，。为波束z。分别与载体“，讥，‰ 轴之间的相对安装角度。三波束激光测速仪与惯导构成车载组合导航系统后，各波束方向与载体坐标系各轴 向之问的安装角度需要通过专项标定方法与试验进行测试得到。进行组合导航时，安装角a：，角，7，，口z，屈，)，z， a。，岛，7。均已完成事先标定与测试，均为已知量，因此可以通过式(1)、(2)、(3)由激光测速仪三个波束方向的 输出Ul