一种光电经纬仪室内动态误差检测方法分析

王玉坤， 贾 娜

(91550部队42分队, 辽宁 大连 116023)

0 引 言

随着科学技术的不断进步，可见光、红外探测等现代光电技术的应用得到了飞速的发展。可见光数字测量系统作为光电经纬仪的主要分系统，用于完成目标探测并获取飞行目标实时图像资料，其测量结果实时输出并送给伺服系统，实现对目标的动态跟踪测量。数字相机在跟踪相对运动速度较高目标时，存在目标成像拖尾现象，会加大其动态误差。为此，数字图像测量系统的动态测角误差的检测显得尤为重要。本文介绍了光电经纬仪动态精度指标的室内检测方法，即小角度扰动法。通过小角度扰动法对某型号光电经纬仪数字图像测量系统的动态测角精度进行检测，积累了一些室内精度检测经验，并在实践中得以应用，解决了光电经纬仪的室内装备动态精度检测只能依靠跟踪动态目标的检测手段的单一问题。小角度扰动法检测系统结构简单、过程便于操作、检测结果可靠。

1 光电经纬仪工作原理及检测系统结构

光电经纬仪是由电影经纬仪发展而来的，是经纬仪与光电探测装置结合的产物。经纬仪机架为3轴(垂直轴、水平轴、视准轴)地平装置。机架3轴相互垂直，水平轴和视准轴可以绕垂直轴在水平面内旋转，光电探测装置装于水平轴上，其主光轴为视准轴，并与水平轴垂直，可以绕水平轴在垂直平面内旋转。在垂直轴和水平轴上分别装有轴角编码器[1-2]。视准轴绕垂直轴旋转时在垂直轴编码器读出的角度称为方位角A，视准轴绕水平轴旋转时在水平轴编码器读出的角度称为俯仰角E。这样，只要视准轴瞄准目标就能得到光轴指向目标的方位角和俯仰角。

为了确保精度检测的可靠性，检测系统采用传统的T型架加装水平光管和高角平行光管，其结构组成如图1所示。检测系统主要包括T型架、水平平行光管、高角平行光管、隔离地基环、高精度T4经纬仪、高精度水平仪和待检测经纬仪。

首先，将T4经纬仪放置到T型检测架的水平光管与高角光管交汇的测量基座圆心处，对水平光管进行测量得出水平光管的测量值A1和E1，然后再用T4经纬仪对65°高角的光管进行测量，得出测量值A2和E2[3～4]。这样可得出2光管发出的2束平行光的夹角A0和E0，即：

A0=A2-A1

(1)

E0=E2-E1

(2)

通过上式得出了水平光管和高角光管的空间夹角。然后再将被检测经纬仪放置到测量基座上，调整到可同时测量到水平光管和高角光管的位置后，对经纬仪进行调平(调平精度要求小于1角秒)，调平后用被检测经纬仪对水平光管和高角光管进行测量，通过事后测量数据处理，得出经纬仪测量的水平光管和高角光管的夹角A和E，然后用经纬仪的夹角测量值减去T4经纬仪的测量值得出静态测量误差ΔA0，ΔE0，即：

ΔA0=A-A0

(3)

ΔE0=E-E0

(4)

得出静态测量误差后，再将经纬仪对准高角平行光管进行正弦扰动，正弦扰动的中心角装定为A2和E2，正弦扰动的摆幅为可见光视场的一半，即8.5角分的摆幅。在这样的摆幅下做小角度扰动测量，这样，高角的平行光管的星点目标就在测量画幅内记录了相对运动轨迹。通过图像存储记录下星点目标运动轨迹，通过事后处理得到一组高角光管的动态测量值，用这一组得到的动态测量值与标定值A2和E2做差进行误差统计，获得经纬仪的动态测角误差增量δA0、δE0[4～5]。

将静态误差与动态测量误差增量2个误差源合成，根据公式(3)和(4)可得出经纬仪的动态测量误差δA和δE。

(5)

(6)

图1 室内T型检测架结构示意图

2 检测方法及数据处理

2.1 平行光管标定

用高精度T4经纬仪对水平光管和高角光管进行测量记录，得出水平光管和俯仰角为65°的高角光管的夹角A0和E0。

2.2 调整测量装备的工作状态

装备进行调平，对水平光管和高角光管进行静态测量和动态测量，在测量过程中对目标进行同步图像记录，并事后进行图像判读处理获得被检测装备的照准差、零位差、水平轴倾斜误差及静态测量误差和动态误差增量[6]。

2.3 图像存储与判读

装备在对光管进行图像记录时，采用20 Hz记录频率对目标进行静态和动态测量，获得静态和扰动图像。事后用图像判读软件对目标进行判读得到装备测量数据，要求判读软件的图像处理精度为0.5角秒。

2.4 静态测量误差检测

用经纬仪对准1#平行光管和2#平行光管进行图像记录，对得到的2组图像进行事后数据判读处理，得到方位角和俯仰角的测量值，根据公式(7)至(11)获得装备的照准差、零位差和静态测角误差，检测结果见表1。

C=(A正镜-A倒镜±180)×3 600/2

(7)

L=(E正镜+E倒镜-180)×3 600/2

(8)

I=C高角-C/cos(RADIANS(E2)/

tan(RADIANS(E2))

(9)

ΔA0= (A2-A1-A)*3 600-

C*(1/cos(RADIANS(E))-1)-

I*tan(RADIANS(E)

(10)

ΔE0= (E2-E)*3 600-L

(11)

表1 静态测角误差检测结果

2.5 动态误差增量检测

光电经纬仪对准高角平行光管进行正弦扰动，同时记录图像，通过事后处理得到一组测量值，这一组测量值取平均值后，用每组测量值与平均值进行做差，并统计随机误差，本次实验测量值取800帧数据源进行的误差统计，其统计结果见表2。

表2 扰动的误差统计结果

2.6 计算动态测量精度

将装备的静态测量误差和动态误差增量按公式(5)和(6)进行误差合成，获得装备的动态测量精度如下：

3 外场精度实验检验

小角度扰动法检测的动态测量精度结果，通过在外场精度实验过程中跟踪动态目标的GPS差分精度结果进行比对。在精度实验中抽取光电经纬仪的测量数据与GPS差分测量数据4 000个点进行比对，得到的2次精度实验的比对结果见表3。

将上表中2次实验获得的系统误差平均值和标准差平均值合成，获得光电经纬仪的动态测量误差为：

表3 2次精度实验比对结果

通过外场进行的精度实验可获得的动态测量精度与室内小角度扰动法获得的动态测量精度检测结果相同，满足了光电经纬仪的动态测量精度指标要求。

4 结束语

采用小角度扰动法对光电经纬仪进行室内动态测量精度检测和评估，是一种简便有效的检测手段。光电经纬仪采用小角度扰动法对静止目标进行扰动测量所获得的动态测量误差，可以作为光电经纬仪外场动态测角精度指标检测的依据。