基于GPS的姿态测量系统研究

论文摘要

全球定位系统(GPS)不仅可以实时、全天候地提供载体的位置、速度,而且在采用合理的天线布阵条件下,通过对安装在同一载体上的多个GPS天线接收到的载波相位信号进行差分处理,实时求解得到载体的姿态角。GPS多天线姿态测量系统具有无累积误差、无需对准、全天候、成本低等优点,是一种不依赖于精密机械技术的导航系统,因此使用GPS进行姿态测量正在逐步取代传统的测量方式,越来越多地应用于空间测量、航运水运等领域。本文从GPS测姿基本原理、基线求解算法、模糊度求解算法等几个方面对GPS姿态测量技术进行了研究,并结合ARM嵌入式系统的特点,设计了一个不同于传统、无累积误差的体积小、功耗低、可扩展性强的嵌入式姿态测量系统。论文的主要内容包括以下几个方面:1、充分调研了国内外姿态测量系统的发展现状,深入分析了GPS姿态测量系统的特点,并在此基础上提出了基于ARM的测姿系统设计方案。2、研究了GPS测姿基本原理。在梳理清楚各种常用坐标系转换关系的前提下,分析了几种常用的基线求解算法和在航模糊度求解(Ambiguity Resolution On TheFly,简称AROF或OTF)算法。并重点研究了基于假设整周双差的优化模糊度函数法(AFM),其中利用假设模糊度反解姿态角的步骤不同于以往地采用直接法进行,步骤简洁清晰,此种AFM算法利用几何约束大大缩小了模糊度搜索范围,从而可以快速求得模糊度,在此基础上采用直接法可以进行实时基线解算。相比于传统的模糊度函数法,此算法大大减小了计算量,提高了可靠性。3、设计了基于ARM的嵌入式测姿系统平台,以AT91SAM9261芯片为核心,结合SDRAM、FLASH、RS422转换芯片等构成硬件平台,设计了硬件原理图和PCB版图,进行了信号完整性仿真,完成了硬件的调试,改进并移植了启动代码,编写了测姿程序。4、使用新月HC12A等三块GPS板卡与ARM嵌入式系统共同组成姿态测量系统,并进行了实验验证。实验结果表明:在基线1米时,偏航角、俯仰角、横滚角精度均可达到0.6°(1σ),无累积误差。同时对实验中的主要性能指标进行了深入分析,讨论了进一步提高系统性能的研究方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 GPS测姿的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题背景和研究目标
• 1.4 论文的内容安排
• 2 GPS三维姿态测量原理
• 2.1 GPS系统组成
• 2.2 GPS测量基本原理
• 2.2.1 GPS定位原理
• 2.2.2 载波相位观测方程
• 2.2.3 误差分析
• 2.3 常用坐标系转换关系及姿态角定义
• 2.3.1 常用坐标系定义
• 2.3.2 坐标系旋转矩阵
• 2.4 三维姿态角求解原理与算法
• 2.4.1 三维姿态角定义
• 2.4.2 姿态角求解原理
• 2.4.3 常用基线解算算法
• 2.5 本章小结
• 3 整周模糊度求解
• 3.1 常用模糊度求解方法
• 3.1.1 模糊度解算技术发展概况
• 3.1.2 整周模糊度的常用求解方法
• 3.2 模糊度函数法（AFM）的各种改进方案
• 3.3 基于假设整周双差的优化模糊度函数法
• 3.3.1 算法流程
• 3.3.2 三维姿态角的确定
• 3.3.3 其他影响因素
• 3.4 本章小结
• 4 基于ARM的姿态测量系统设计
• 4.1 硬件平台设计
• 4.1.1 硬件平台框架
• 4.1.2 电源模块设计
• 4.1.3 处理器模块设计
• 4.1.4 存储器与通信模块设计
• 4.1.5 PCB设计与信号完整性分析
• 4.2 Bootloader改进移植
• 4.3 姿态测量程序设计
• 4.4 其他问题说明
• 4.5 本章小结
• 5 实验验证及分析
• 5.1 静态实验
• 5.1.1 精度分析
• 5.1.2 初始化时间分析
• 5.2 其他影响因素
• 5.2.1 基线长度影响
• 5.2.2 独立基线数量影响
• 5.2.3 多路径效应
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集