[发明专利]一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法

权利要求书

1.一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：包括自准直仪、光学六面体、双轴电子水平仪、带调平功能的基座，自准直仪安装在带调平功能的基座上，在自准直仪的左右两侧分别设置光学六面体和双轴电子水平仪，该光学六面体和双轴电子水平仪均安装在带调平功能的基座上。

2.根据权利要求1所述的一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：所述的带调平功能的基座包括底板和螺旋副，在底板的前端对称安装两个螺旋副，在底板的后端中部安装一个螺旋副；自准直仪、光学六面体和双轴电子水平仪均安装在底板上。

3.根据权利要求2所述的一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：所述的底板上安装两个支撑座，每个支撑座上均制出一个开槽，每个支撑座上均铰装一个弧形锁板，自准直仪放置在支撑座的开槽内并通过弧形锁板定位。

4.一种使用如权利要求1所述的姿态测试装置的姿态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴.放置姿态测试装置：将姿态测试装置放置在稳固的基础上；

⑵.自准直仪准备：自准直仪开机，照准目标反光面；

⑶.水平角的测量：启动双轴电子水平仪，测量装置水平姿态与水平面夹角；

⑷.方位角的测量：方位角可由自准直经纬仪测量光学六面体与外基准之间的夹角或由自准直陀螺经纬仪直接测量得到；

⑸.测量目标姿态：启动自准直仪的绝对角度测量模式，对目标反光面进行数据录取，启动双轴电子水平仪进行水平姿态的数据录取，记录自准直仪输出(x，y)；

⑹.数据处理：姿态测试完成后，运用姿态测试装置数据处理方法，对自准直仪及双轴电子水平仪的数据进行处理，得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化。

5.根据权利要求4所述的一种姿态测试方法，其特征在于：步骤⑷所述的方位角的测量为：架设自准直经纬仪，使其镜筒俯仰轴与光学六面体等高，照准光学六面体，然后瞄准基准镜或与陀螺经纬仪互瞄获得基准，从而测量光学六面体与真北方位的夹角；由于六面体有三个反射面可以反映装置的方位角，视现场方便程度任选其一测量即可，测量结果分别记为(ξ₁ξ₂ξ₃)。

6.根据权利要求4所述的一种姿态测试方法，其特征在于：步骤⑹所述的数据处理过程为：

①.建立装置坐标系：

建立装置坐标系即建立六面体坐标系与地理系的转换矩阵，需要用到六面体相对于地理系的三个姿态角，通过水平仪输出和方位角注入得到姿态角如下：

俯仰角：

由水平仪测得的装置纵向倾角加上标定得到的误差角得到：

θ＝S₁+Δ₁；

横滚角：

由水平仪测得的装置横倾角加上误差角后除以俯仰角的余弦得到：

方位角：

由于六面体有三个反射面可以注入方位角，建立坐标系时根据不同的注入平面分为以下情况：

注入镜面1时，方位角即注入角：

ξ＝ξ₁；

注入镜面3时，方位角为注入角加180度：

ξ＝ξ₂+180；

注入镜面2时，方位角与注入角关系如下：

ξ＝ξ₃-tan(S₁+Δ₁)tan(S₂+Δ₂)；

以上姿态角确定后可以建立装置与地理系的转换矩阵

②.建立自准直仪坐标系：

自准直仪光轴可以看作为一向量，其CCD平面可以看做为与光轴垂直的坐标平面；建立以光轴和CCD坐标轴构成的坐标系简称光管坐标系，经过标定可以得到光管坐标系与装置坐标系之间转换矩阵由以上步骤得到的可以得到光管坐标系与地理坐标系之间的转换矩阵：

CgN=Cgb·CbN;]]>

③.计算目标反光面法线姿态向量并通过姿态向量计算法线与水平面夹角及在水平面上投影与真北夹角：

光学自准直仪是基于高分辨率的CCD和产生平行光的自准直光源及高质量的镜头组以测量目标平面镜与自身坐标系所成角度的仪器；其原理为：物镜组焦距为f，在其焦点位置有一光源O，来自光源O的光线经过物镜组折射，成为平行光，照射在目标平面镜之后反射回CCD平面成像O’，如果平面镜法线与光管轴存在一个角度θ，根据光的反射性质，反射光线将与入射光线成角2θ，反射形成的像O’将与其光源O有一定距离d，高分辨率的CCD可以测量得到d，并由下式得到夹角θ：

2θ=df]]>

实际使用时，光源经过分划板形成一十字光束，经反射后返回光管并在CCD上汇聚为一十字光斑，并可得十字光斑中心点在CCD平面上的坐标(dx，dy)；

由此可得目标反射面法线与光管CCD坐标轴之间的夹角：

α=dx2f,β=dy2f]]>

由此两角度可以得到目标反射面法线相对于光管坐标系的方向单位向量：

X·jg=sinαcosβ-cosαcosβsinβ]]>

进而可得目标反射面法线相对于地理系的方向单位向量：

X·jN=CgN·X·jg]]>

由此向量可以反算出目标反射面在水平面上投影与真北之间的夹角，以及目标反射面与水平面之间的夹角：

ψ=arctan(X·jN(1)X·jN(2))]]>

υ=arcsin(X·jN(3)).]]> 3