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基于GPS动态载体姿态测量系统的分析与应用.pdf

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此页若属实.请申请人及导师签名。独创性声明Y 860197本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特剐加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名堡望熟日期关于论文使用授权的说明护6.r本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。研究生签名注请将此保密的论文在解密后应遵守此规定日期。c”6.f武汉理T大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的目的和意义全球定位系统GPS自问世以来,其相关技术不断发展,迅速渗透到科技、军事、生活的各个领域,自主定位的GPS接收机取代了原有的导航定位设备,提供更为准确可靠的位置信息。授时型的GPS接收机正逐渐取代传统的短波授时仪。建立在基线长度从几米到数千公里测量的精确载体导航和动态定位,仅仅是GPS应用领域的一部分。多GPS天线组合坝4量系统“11通常由2、3或4个GPS天线集成,并采用天线配置技术安装在一个载体上己成为GPS应用的重要分支.多GPS天线组合测量系统不仅可以提供载体的位置和速度信息,而且能够提供一定精度的载体姿态信息。利用相位干涉原理,采用天线布阵技术,可以实现载体的航向及姿态的测量“1。利用GPS载波相位信号作为观测值来进行定位,其定位精度可优于毫米级,GPS测姿系统能实现载体姿态角测量,故有人称其为GPS“陀螺”或GPS罗经诎‘6】。传统的惯性导航系统INS或平台罗经系统是一种自主式导航系统,不受外界干扰,具有良好的隐蔽性。但它的定位误差随时间丽积累,工作前的准备时间达数小时。不仅价格昂贵、设备复杂、体积庞大,而且需经常进行维护和检修‘7~朗。而GPS姿态测量系统利用GPS本身特有的优点,不仅能提供载体的位置,航迹,速度等基本信息,而且能提供载体航向、姿态信息。可以说是多种设备功能集于一身,并有精度高,实时性好,抗干扰能力强等特点,同时体积小,重量轻,稳定性高,成本低廉,最大特点是误差不随时间积累,无需实时校正和经常维护,因此非常适合装备于现代化船只及飞行器等载体。1.2国内外研究的现状及动态由于国外的GPS技术发展较早,美国在GPS系统1993年实现民用化以前,武汉理工大学硕士学位论文就开始进行GPS姿态系统的研究了。尽管GPS是为提供精确定位和授时服务而设计的,它潜在的测姿能力早在系统设计的初期已被认识。1978年麻省理工学院的Cournselman和美国宇航局喷气推进实验室JPT的MaeDoran等人提出了无码接收机的概念。通过适当的布局安装在同一平面上且不在同一线上的3个GPS天线,采用载波相位差分测量,天线之间构成的基线向量能够被精确地测定。因此,由基线所确定的平面的姿态也同时被确定”1”。20世纪80年代初期,由于受GPS硬件性能和昂贵价格的制约,研究人员局限于系统仿真研究。利用GPS来确定姿态的第一次验证由美国海军水面武器中心NAVSWC完成。NAVSWC在1982年11月重新处理了1980年5月收集的相位测量数据作为GPS灵敏度试验部分,采用的方法是单天线围绕一个精确的边长为2m的正三角形运动,天线从一个顶点运动至下一顶点在lmin内完成,在三角形的每一顶点停留数分钟收集数据。GPS接收机是由斯坦福特通信公司STI制造的单卫星跟踪接收机。这次试验验证了当相位测量不中断时,它具有商精度改变位置估算的潜力。Evans得到了OPS载波相位姿态测量结果,该系统采用单GPS天线周期性地在一平面内移动来实现载波相位测量。1985年1月,美国天宝Trimble公司开始了一个由NAVSWC提供的小型新技术研究SBIR合同,研制能确定位置和姿态的GPS接收机。l 988年7月,该接收机在美海军Yorktown号导弹巡洋舰上进行了试验,航向和姿态接收机HAT采用3个排成直角形阵列的天线。用于确定航向和纵摇的第一基线长60cm,用于确定横摇的第二基线长40era,天线周围防护栏杆由不反射的纤维玻璃制成。姿态测量设备由接收机和手提式电脑组成,姿态计算是在试验后处理的。进入20世纪90年代,国外各大公司竞相开展GPS姿态系统的研制和试验,并取得了令人瞩目的进展。目前己商业化的产品有Ashtech 3DF系统,Beeline和Trimble的TANSVECTOR、MS860系统上述系统试验结果表明其姿态测量精度能达到O.03。至0.5。,实际精度指标还要取决于GPS天线的配置和多路径影响“卜‘”。除了以上各大公司在GPS姿态测量方面取得了进展以外,各研究机构、大学在姿态测量算法研究、基阵布阵方法和误差分析等研究领域也做了大量工作。在GPS定位研究与应用方面,国内开展了大量工作,取得了不少成果。但研究工作基本上都集中于提高组合导航系统的精度,且定位方法均采用伪距法。目武汉理工大学硕士学位论文前,东南大学、国家GPS工程中心、武汉大学、3所航空大学、西安导航研究所、海军工程大学等都取得了一些应用成果。采用GPS载波相位技术实时确定载体姿态的研究工作在我国已经开始,还没有形成成熟的产品。北京控制工程研究所利用TANS Vector型GPS接收机进行实验,3根基线长分别为0.41m、0.58m和0.41m,采用串行方式实现Vector与PC机的通信,在486微机上实时处理来自Vector的载波相位,用矩阵元素求解法确定姿态角。实验结果证明航向角、纵摇角和横摇角的FiTIS值分别为0.9。、0.38。和0.68。。南京航空航天大学采用低成本的GPS OEM板,验证了GPS载波相位干涉仪的测姿原理,其实验结果为基线长为0.61m时,基线姿态测量精度为1.2。,当基线2为I.4m时,精度为O.8“”1。随着GPS姿态测量系统产品的问世,许多厂家和研究机构把研究重点转移到提高系统的可靠性、精度、实时跟踪能力等方面。根据最新资料,几个有代表性的研究方向为u”1算法研究GPS姿态测量除了硬件设备条件外,关键技术是算法研究和软件实现,特别是整周模糊度快速确定算法的研究。f21组合研究充分发挥GPS姿态测量的优势与其它系统进行组合,GPS的定位和姿态测量功能与惯性导航系统INS或平台罗经系统或其它导航仪器进行组合,特别是全姿态组合和速度组合,可以发挥各自优势。GPS姿态测量系统成本低、校准时间短,与INS可以组成价格低、性能高的组合系统。r3超短基线的应用研究;由于GPS的姿态测量精度直接与天线之间的空间距离密切相关。从理论上讲,基线越长,姿态测量精度就越高。但是基线太长,在使用时,安装环境受至q制约,同样也限制了系统的应用范围。如基线太长,一般飞机和卫星上难以安装,或者安装基线的刚度不够。另外,基线太长或刚度不够,会影响计算精度和实时解算,特别会影响模糊度解算和多路径效应。而超短基线虽然没有模糊度解算的问题,但怎样提高精度、改进算法也成为值得研究的问题。4简化系统结构、进~步降低成本;Kornfeld等人提出用单一天线测量飞机的姿态信息。该姿态信息与传统的基于机体坐标系的纵摇和横摇不同,它是基于飞机速度轴的姿态角。试验结果证明,由单一GPs天线提供的姿态信息可以作为飞机姿态测量的备份,也可用于原姿态测量系统的故障诊断。武汉理工大学硕士学位论文1.3课题研究工作及论文主要内容作者参与研究和设计的主要工作集中于超短基线改进算法的研究并在小型船舶姿态确定的应用。在测姿领域的超短基线研究方向上进行了尝试,得到一种改进算法,以提高测姿运算效率和简化运算复杂度。全文共分七章,各章节内容简介如下第一章简要介绍了本课题研究的目的、意义及其发展现状。第二牵主要介绍了GPS测量中的时空参考坐标系系统,着重介绍了地球直角坐标系、大地坐标系以及站心坐标系,了解这些系统的定义以及不同参照系之蚵的转换方法,对于深入地理解GPS测姿系统原理是必不可少的。紧接着从6PS的载波信号的基本结构入手,分别介绍了载波信号的调制与相关解调技术,并引入了GPS载波相位的概念。第三章首先论述了载波相位测量的基本原理和方法,在此基础上,重点讨论了载波相位相对定位的理论,介绍了单差、双差方程以及相位观测方程的线性化。第四章详细阐述了姿态测量原理以及设计方案,重点对基线向量确定算法的研究和姿态测定的算法作了说明。第五章通过试验,对算法的可行性进行了验证,并作出了误差分析。第六章总结本文的研究工作和研究成果,并对本课题的进一步开发和完善提出了自己的建议。武汉理工大学硕士学位论文第2章GPS测量中的时空参考系统2.1 GPS坐标系统简介GPS的最基本任务是确定用户在空间的位置。确定用户的位置,简称定位。所谓用户的位置,实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标,位置是相对于参考坐标系而言的。为此,首先要设立适当的坐标系。坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统。确定的时空参考系统是描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置观测站的物理与数学基础。GPS卫星主要受到地球引力作用而围绕地心旋转,与地球自转无关,为了描述GPS卫星在其轨道上的运动规律,引用不随地球自转的地心坐标是十分自然的。它是空间固定坐标系。同时,在GPS定位中,观测站往往固定在地球表面,其空间位置随同地球自转而运动,于是为了便于表达观测站的位置,引用与地球固联的地心坐标亦是必要的。因此,根据坐标轴指向的不同,可划分为两大类坐标系天球坐标系和地球坐标系‘1”。严格说来,无论是天球坐标系还是地球坐标系,在不同的观测瞬间,其各自的坐标轴指向相应地也不相同。由于坐标系相对于时间的依赖型,每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。为了使用上的统一和方便,国际上通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向。这种共同确认的坐标系,称之为协议坐标系。从几何学上看,坐标系统是由原点位置,3个坐标轴的指向和尺度所定义的。坐标系之闻通过坐标平移、旋转和尺度转换,可以将坐标系变换到另一个坐标系去,于是在某个坐标系下表达的点的位置坐标,可以方便地变换到另一个坐标系中去表示。在GPS测姿系统中主要涉及到地球坐标系,下面详细介绍地球坐标系及其相关坐标系间的坐标变换。2.2地球坐标系地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言。比如,要描述飞机、舰武汉理工大学硕士学位论文船、地面车辆、大地测量观测站的GPS接收机位置,需要采用固联于地球上随同地球转动的坐标系、即地球坐标系作为参照系。地球坐标系有两种几何表达形式,即地球直角坐标系和地球大地坐标系。地球直角坐标系的定义是原点0与地球质心重合,z轴指向地球北极,x轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点E,Y轴在赤道平面与XOZ构成右手系统坐标系图2.1。地球大地坐标系的定义是地球椭圆的中心与地球质心D重合,椭球的短轴与地球自转轴重合。P点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球赤道面的夹角妒,经度为该点所在椭球子午面与格林威治大地子午面之间的夹角五,P点的高度h为户点沿椭球法线至椭球面的距离图2一1。图2-1地球直角坐标系与地球大地坐标系示意图根据上述两地球坐标系的定义,地球表面任意一点P可以表示为Y z7和妒五y。它们是等价的,故可以互相换算,互相换算关系式为式中n为椭球的卯酉圈曲率半径;e为椭球的第一偏心率。若椭球的长半径为a,短半径为b,则有6引讨忡嚣咖篙州武汉理工大学硕士学位论文而e~口d,112一Wlw1一e2 sin 2pj由地球直角坐标换算大地坐标系时,有式中妒一呻占·譬警]2.3协议地球坐标系五 盯。协nf上]Lxj厅RcosBnCOSpRz2,2z22Il口~[寿]『2.3.1国际协议地球坐标系2.22.32.4地球自转轴与地球球面的两个交点称为地极,地球直角坐标系的z轴指向被地极。如果北地极的位置在地球上是固定不变的,则地球直角坐标系和地球球体是真正固联的。然而,实际上人们早就发现,由于地球内部存在复杂的物质运动,地球并非刚体,北地极在地球表面上随着时间的变化是不断变化的,这种现象称为地武汉理工大学硕士学位论文极移动,简称极移。与观测瞬时相对应的自转轴所处的位置,称为该瞬时的地球极轴,相应的极点称为瞬时地极。瞬时地极相应的地球坐标系,被称为瞬时地球坐标系。随着瞬时地极的变化,瞬时地球坐标系在地球体中的指向也发生变化。这对于描述地球上某一点的位置是不方便的。为此,需要在一系列瞬时地球坐标系中找到一个特殊地球坐标系,使其z轴指向某一个固定的基准点,它随同地球自转,但坐标轴在地球球体中的指向不再随时间而变化。为了描述地球表面上某一点的位置,必须给定一个与地球固联的参考坐标系。为此,以国际协议原点C10为北地极CTP定义了协议地球坐标系CTS。它是一个理想的地固系。或者说,它是从理论上定义的一个地球坐标系。2.3.2 GPS卫星参考系WGS-84在GPS中,GPS卫星的位置是作为己知参数即卫星广播星历和精密星历向用户GPS接收机发送的。GPS卫星的位置星历的计算,目前采用的是世界大地坐标系WGS一84world geodetic system。WGS一84可看成国际协议地球坐标系CTS的一个实现,它的原点是质心,刈曲指向国际时间局BIH定义的零度子午面与协议地球CTS赤道的交点,z轴指向BIH定义的洗衣地极方向,y轴与X轴、z轴构成右手正交坐标系。2.4站心坐标系为了表述两个接收机相对位置以一个接收机。为观测点,另~个接收机s相对于第一个接收机的方位角及距离时,就必须建立站心坐标系“61。在测姿系统中将采用到站心直角坐标系,其定义是坐标原点q位于观测点,2r轴与U点的椭球法线相重合,Xr轴垂直于zr轴指向椭球的短轴,“轴垂直于。,坼2r平面,构成左手坐标系,以字母r表示站心直角坐标系。实际上,它是一个当地地平面北东天坐标系。Xr指北,“指东,在当地水平面里。武汉理工大学硕士学位论文图2-2站心坐标系示意图这里下标r表示WGS一84协议坐标系,由WGS.84系T到站心坐标系,的变换阵为fsin伊cosA sin伊sin- cos妒1Glsin2 cos,a 0{ 2.5l c。s矿c。sA c。s伊sin五 sin妒j式中五和妒分别为观测点的经度和纬度。利用式2.5可以得到接收机S在接收机D为站心原点的站心直角坐标系阱c韫 泣6,式中Ax缈△z;是在wGs一84系1下。接收机。到接收机s的向量。2.5 GPS信号的基本结构
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