GPS测姿算法与天线布局研究

论文摘要

利用GPS载波相位测量技术获得载体的三维姿态是GPS应用的一个重要领域。在载体上安装多个GPS天线,将接收机观测的载波信号进行差分处理,就可以实现实时测量载体的姿态。本文主要研究了利用GPS进行载体姿态测量的相关技术,重点阐述了GPS姿态测量的基本理论和算法,推导出了姿态解算的数学模型,并对天线布局与姿态测量的关系进行了分析与论证。载波相位观测量有多种组合方式,双差线性组合形式以其独特的优势成为测姿和定位的常用形式。在双差观测方程中,实时解算出整周模糊度是姿态解算的核心技术。论文对整周模糊度求解技术进行了深入研究,先介绍了几种常用的解算方法,分析了各自的特点与局限性,而后引入了LAMBDA算法。LAMBDA算法克服了因为观测时间短导致模糊度参数之间存在极大的相关性以及搜索空间呈现极度狭长的倾斜超椭球形状等问题,对模糊度重新参数化,将原始模糊度协方差阵及搜索空间进行变换,使得变换后的协方差阵接近对角化状态,置信椭球球形化,模糊度参数标准偏差变小,并结合条件最小二乘搜索,从而极大地提高了新模糊度参数的搜索效率和成功率。由于其完善的理论体系,本文采用LAMBDA算法解算整周模糊度,并详细论述了该算法的实现过程,包括浮点解估计、模糊度去相关、确定模糊度搜索空间以及模糊度检验等。仿真和检验结果表明：采用LAMBDA算法解算整周模糊度,定位误差在载波一个波长以内,而且解算时间短,很好地满足了模糊度实时解算。本文论述了三种载体姿态解算方法,推导出了姿态的解算方程。最后,本文针对载体姿态直接计算法展开论述,研究了载体姿态测量与天线布局的关系。研究结果表明,天线布局不仅影响姿态测量的精度,而且严重影响姿态解算的实时性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状和发展方向
• 1.2.1 姿态测量技术的现状与发展方向
• 1.2.2 整周模糊度的发展概况
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 GPS载波相位测量技术与载体姿态测量
• 2.1 GPS系统组成
• 2.2 载波相位观测量
• 2.3 载波相位测量误差分析
• 2.4 载波相位观测量的线性组合
• 2.4.1 载波相位单差观测方程
• 2.4.2 载波相位双差观测方程
• 2.4.3 载波相位三差观测方程
• 2.5 载体姿态测量原理
• 2.5.1 载体姿态角定义
• 2.5.2 载体姿态测量的相关坐标系
• 2.5.3 载体姿态测量的基本原理
• 2.6 载体姿态角的描述
• 2.6.1 欧拉角法
• 2.6.2 四元数法
• 2.7 本章小结
• 第3章 整周模糊度解算技术研究
• 3.1 交换天线法
• 3.2 双频P码伪距法
• 3.2.1 双频相位的线性组合
• 3.2.2 双频相位与伪距的线性组合
• 3.3 模糊度函数法
• 3.4 最小二乘搜索法
• 3.5 模糊度协方差法
• 3.6 本章小结
• 第4章 LAMBDA算法解算整周模糊度的实现与仿真
• 4.1 载波相位双差观测方程
• 4.2 对双差模糊度进行参数估计
• 4.3 双差模糊度的相关性与去相关
• 4.3.1 双差观测量的相关性
• 4.3.2 双差模糊度的相关性
• 4.3.3 对双差模糊度去相关处理
• 4.4 模糊度搜索
• 4.4.1 优化模糊度搜索空间
• 4.4.2 确定搜索空间大小和双差模糊度固定解
• 4.5 模糊度检验法则
• 4.6 LAMBDA算法仿真与检验
• 4.7 本章小结
• 第5章 GPS姿态测量与天线布局研究
• 5.1 直接计算法解算姿态角
• 5.2 天线布局与姿态精度的关系分析
• 5.2.1 基线夹角与姿态角精度的关系分析
• 5.2.2 基线长度与姿态角精度的关系分析
• 5.3 基线长度与姿态解算实时性的关系分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢