嵌入式载体姿态测量系统的研制

论文摘要

载体姿态测量系统是指利用导航卫星技术测定载体(航天器、飞机、船舶等)的姿态(航向角、俯仰角和横滚角),它是航空、航天、航海以及陆地导航中的关键技术,由于其在军事、民用、商用等诸多领域有着广阔的应用前景,已成为研究的热点。传统的载体姿态测量技术是指利用高精度陀螺和加速度传感器等惯性传感器件来实现,但这种方法技术难度大、设备昂贵,而且数据漂移严重、累积误差大。目前,随着GPS技术的快速发展,基于GPS载波相位差分技术的姿态测量技术已成为GPS一个重要的研究领域。通过布置在载体上的GPS天线,测得GPS信号的载波相位并进行差分处理,就可以得到载体的姿态。本文围绕GPS载波相位差分技术,重点研究了GPS姿态测量的理论方法,并设计实现了嵌入式的姿态测量系统。本文研究的主要内容及创新之处在于:(1)研究了整周模糊度的快速求解。在基于载波相位差的载体姿态测量中,相位双差整周模糊度的求解是重点和难点,本文对整周模糊度的求解算法进行了研究,提出了利用蚁群进化算法快速求解整周模糊度的方法。(2)研究了惯性测量作为辅助测姿的方法。利用惯性测姿的结果提高GPS载体姿态测量的响应速度。在实际物理环境中,由于GPS信号受天气、地理等因素干扰,会出现GPS信号质量差、接收困难等不利因素。在GPS信号较弱或者被遮挡情况下,采用惯性测姿模块,以保证测姿的稳定性和鲁棒性。(3)研究了姿态测量的硬件系统设计方案。采用TI公司高精度浮点型32位DSP处理器TMS320C6747作为GPS姿态测量算法处理核心;采用Atmel公司的8位低功耗微处理器Atmega128L单片机作为惯性测姿和人机接口处理核心;双核结构共同完成姿态角计算和显示,及定位、授时的显示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 本文的主要研究内容和章节安排
• 第二章 GPS 技术概述
• 2.1 GPS 概述
• 2.2 GPS 载波相位差分技术
• 2.3 GPS 卫星信号误差源分析
• 2.3.1 卫星信号源误差
• 2.3.2 卫星传播途径误差
• 2.3.3 卫星接收机误差
• 2.4 GPS 差分原理
• 2.4.1 载波相位观测方程
• 2.4.2 单差法
• 2.4.3 双差法
• 2.4.4 三差法
• 2.5 GPS 载体姿态测量原理
• 2.6 WGS-84 到LLS 的转化
• 2.7 本章小结
• 第三章 GPS 信号获取及处理
• 3.1 引文
• 3.2 接收机输出数据的结构
• 3.3 载体姿态测量所需数据提取
• 3.4 姿态测量的步骤
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于蚁群进化算法的整周模糊度求解
• 4.1 引文
• 4.2 整周模糊度求解常用方法
• 4.2.1 基于测量域的整周模糊度求解
• 4.2.2 基于观测域的整周模糊度求解
• 4.2.3 基于位置域的整周模糊度求解
• 4.2.4 基于模糊度空间的整周模糊度搜索
• 4.3 基于蚁群进化算法的整周模糊度求解
• 4.3.1 蚁群进化算法介绍
• 4.3.2 利用整数最小二乘估计法求解基线矢量
• 4.3.3 基于ACEA 的整周模糊度搜索方法
• 4.3.4 惯性测姿对GPS 测姿的辅助
• 4.3.5 算法伪代码描述
• 4.4 算法实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 嵌入式载体姿态测量系统的设计
• 5.1 系统总体设计
• 5.2 系统硬件设计
• 5.2.1 惯性测姿模块总体设计
• 5.2.2 GPS 测姿模块总体设计
• 5.2.3 处理器模块
• 5.2.4 数字倾角仪模块
• 5.2.5 串口通信模块
• 5.2.6 人机接口模块
• 5.2.7 电源模块
• 5.3 系统软件设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的项目和发表的论文
• 参与的项目
• 发表的论文
• 附录一