高精度航向姿态参考系统航向光学测量方法

1、简介

    对于光纤陀螺系统(AHRS、INS等)等高精度定向系统，除了在转台上检验其精度之外，还需要在真实运载体上检测其精度。以车辆导航为例，检测光纤罗经/AHRS航向精度可以使用porro棱镜、经纬仪、地面航向基准配合实现。

2、罗经航向光学测量原理

2.1、航向测量各个部分介绍

2.1.1、porro棱镜

    porro棱镜一般翻译为保罗棱镜或是波罗棱镜，“保罗棱镜(Porro Prism)以意大利发明者的光学工程师伊纳济欧保罗（Ignazio Porro）来命名。 保罗棱镜是由玻璃块塑造成的等腰直角三棱镜，末端平面对着直角。在使用上，光线由三棱镜中最大的长方形面进入，经过斜面的两次全反射，再穿透原来的入射平面射出。因为光线只是以正常的状态进出，三棱镜并未发生色散的作用。但是经过保罗棱镜的影像会被翻转180°，并且会向原来进入的方向行进，也就是行进的方向也改变了180°。”[1]。

                                                                                                                                                                                                          图1、波罗棱镜原理

2.1.2、经纬仪

    经纬仪广泛用于高精度角度测量和定向准直测量。

                      图2、经纬仪       

2.1.3、地面航向基准

    地面航向基准可以是地面校准好的平面镜或是地面杆形标志。通过天文定向等手段给地面标志物的航向测绘出，精度可达2～30''，根据天文定向复杂度来定。以此作为基准源来评价光纤陀螺罗经等产品。

2.2、光纤陀螺罗经航向安装误差测量过程

                                                                                                                                               图3、波罗棱镜     

                在光学陀螺罗经和一个波罗棱镜共同安装在一个研磨的平板上，由于安装误差，波罗棱镜跟光学陀螺罗经存在安装误差角，需要测量校准 ;一般采用系统多次对准结果与基准镜面引出的航向求差的方式来测量误差角。

                                                                                                                                图4、安装误差测量     

            具体操作是使用经纬仪瞄准基准平面镜，确保垂直，把镜子的航向装订到经纬仪中(注意垂直关系)，然后使用经纬仪瞄准罗经边上的波罗棱镜，得到波罗棱镜的航向AngMirr,再多次测量罗经的航向去掉野值取平均，得到统计上可靠的航向AngCPS。这两个角度的差值就是安装误差角。

            对于只关注航向保持的应用，可以不标安装误差角，也可以得到航向保持数据。

3、光纤陀螺罗经航向保持测量过程

     对于车辆来说:

    1)出发时先进行罗经初始对准，对准结束后进入航向保持(导航)状态，得到可以移动的罗经航向;

    2)在基准测量点架好经纬仪，装订好基准镜/杆的角度并锁定，瞄准镜子/杆，解锁经纬仪，这一步就把基准航向引入经纬仪了;

    3)移动车辆，确保经纬仪可以瞄准罗经旁边的波罗棱镜，把波罗棱镜调平，微调经纬仪方位到看到镜头倒影(激光红点倒置)，如果只微调经纬仪一直看不到，可以移动车辆再次调平波罗棱镜。

    4）记录下波罗棱镜航向读数， 减去安装误差角，即可得到罗经的航向真值，再与罗经算法输出的航向比较就可得到罗经的航向误差数据。

                                                                                                                                 图5、航向误差测量  

    5）跑车结束，停车时，重复上述测量，可以得到结束时刻的航向，包括航向保持数据。   

    对于只关注航向保持的应用，可以不标安装误差角，也可以得到航向保持数据。

[1]：https://baike.baidu.com/item/保罗棱镜/4404112?fr=ge_ala