長航時高動態(tài)條件下GPS-GLONASS姿態(tài)測量研究.pdf

1、本文以國家863計劃項目-“長航時高動態(tài)條件下高精度組合導(dǎo)航技術(shù)研究”為課題背景和技術(shù)要求，根據(jù)空中載體導(dǎo)航的實際經(jīng)驗，在作者導(dǎo)師、教研室其他老師以及合作單位的參與指導(dǎo)下，連同課題組成員一起，對GPS/GLONASS多天線組合姿態(tài)測量系統(tǒng)中的姿態(tài)測量算法部分進行了深入的研究；并設(shè)計了一種GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)原理樣機；與慣性器件進行了組合。在現(xiàn)有的客觀條件下，利用原理樣機分別進行了實驗室靜態(tài)測試、車載動態(tài)試驗。

2、 GPS多天線三維姿態(tài)測量系統(tǒng)具有精度高、無累計誤差、無需對準、全天候、成本低等優(yōu)點，正在逐步補充甚至取代傳統(tǒng)的姿態(tài)測量方式。但是，獨立的GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)具有一定的局限性，而GPS/GLONASS組合測姿系統(tǒng)則具有高可靠性、高效率、高精度的特點。但迄今為止，市場上的衛(wèi)星多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)仍主要以歐美等發(fā)達國家的產(chǎn)品為主，且?guī)缀跞繛楠毩⒌腉PS姿態(tài)測量系統(tǒng)。 本文首先對國內(nèi)外GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)在航空、航天

3、領(lǐng)域的應(yīng)用作了調(diào)研、分析和總結(jié)。確定了GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)的使用要求和系統(tǒng)的整體技術(shù)指標，然后分別深入研究了GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、載波相位姿態(tài)測量的算法、整周模糊度的在航解算、GPS/GLONASS信號接收機的原理等方面的理論和技術(shù)問題。針對GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)的性能和特點，進行整體系統(tǒng)設(shè)計和誤差分析，建立統(tǒng)一的誤差模型和觀測方程，為長航時高動態(tài)條件下的GNSS高精度姿態(tài)測

4、量系統(tǒng)的建立和實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。 在理論研究的基礎(chǔ)上，對GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)的進行系統(tǒng)仿真、硬件構(gòu)造、軟件設(shè)計和測試，從而完成了GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)的工程樣機。并根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用和技術(shù)指標要求，進行了系列關(guān)鍵技術(shù)的攻克。并針對系統(tǒng)靜態(tài)測試、跑車測試出現(xiàn)的技術(shù)和工程問題，進行系統(tǒng)完善和提高；進一步改進和完善了系統(tǒng)的性能。 本文在此系統(tǒng)中所作工作有： 1)在充分調(diào)研國內(nèi)外長航時高動態(tài)條件下姿

5、態(tài)測量系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及深入研究控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)對測姿系統(tǒng)要求的情況下，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有元器件條件和課題的技術(shù)要求，同課題組老師們一起提出了利用GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)與INS進行組合的導(dǎo)航方案。 2)通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)GPS、GLONASS的工作原理、當前的現(xiàn)狀以及其發(fā)展趨勢，同時研究了兩者的異同點，以及兩者組合導(dǎo)航時需要考慮的系列問題及其誤差因素，從而使研究工作具有了全面的理論基礎(chǔ)。 3)針對系統(tǒng)特殊的使

6、用條件和運行環(huán)境，構(gòu)建基于當?shù)仄矫孀鴺讼档娜SGPS/GLONASS姿態(tài)測量方程，提出了首先分別求兩條不共線基線的雙星觀測方程解析解得到4組待選姿態(tài)角，然后根據(jù)兩條基線之間的幾何關(guān)系最終確定正確的三維姿態(tài)角的計算方法； 4)通過對各種常規(guī)在航解算模糊度方法的研究，在模糊度函數(shù)法和最小二乘搜索法的基礎(chǔ)之上提出了基于球面交點的模糊度函數(shù)法的理論，理論和實驗分析表明，新的模糊度求解方法計算量小、可靠性高。 5)進行了GPS/G

7、LONASS多天線姿態(tài)測量系統(tǒng)工程樣機的研制和試驗。包括研究GPS/GLONASS姿態(tài)測量接收機的工作原理、軟硬件功能、以及與慣性器件的組合。并設(shè)計了全部姿態(tài)測量接收機的硬件和軟件，完成了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等工作。 6)根據(jù)現(xiàn)有的條件進行了實驗室靜態(tài)測試、跑車測試、比較實驗；根據(jù)試驗結(jié)果，進行系統(tǒng)改進和提高，最后試驗表明本系統(tǒng)的性能和功能基本達到了設(shè)計要求。 在理論研究、樣機設(shè)計和研制、系統(tǒng)試驗中，針對一些設(shè)計系統(tǒng)要求、理論問題、

8、以及系統(tǒng)試驗中出現(xiàn)的問題，進行了系列關(guān)鍵技術(shù)研究和攻關(guān)，這些關(guān)鍵技術(shù)為： 1)基于當?shù)仄矫孀鴺讼档腉PS/GLONASS三維單差載波相位組合姿態(tài)測量觀測模型研究； 2)在常規(guī)姿態(tài)測量算法研究的基礎(chǔ)之上提出了基于解析法的單基線姿態(tài)測量算法； 3)利用不共線的雙基線的解析解快速確定載體三維姿態(tài)測量算法的研究； 4)應(yīng)用于GPS/GLONASS姿態(tài)測量中的整周模糊度在航解算算法的研究； 5)在研究多天線

9、GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)硬件原理的基礎(chǔ)之上，采用普通OEM板實現(xiàn)了基于公共時鐘的多天線三維GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)樣機； 6)編寫軟件，實現(xiàn)了多天線三維GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)相關(guān)的算法； 7)多天線GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)與INS組合算法。 其中，具有創(chuàng)新性的研究有： 1)研究了基于GPS/GLONASS載波相位單差觀測值的高精度、高動態(tài)姿態(tài)測量系統(tǒng)及其在高超音速

10、巡航導(dǎo)彈上的應(yīng)用。 2)首次提出了基于雙星解析解的GPS/GLONASS三維載體姿態(tài)測量算法。 3)在模糊度函數(shù)法和最小二乘搜索法的基礎(chǔ)之上，首次提出了基于球面交點的改進AFM方法。 4)通過改進普通的單頻OEM板，設(shè)計出了基于GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)原理樣機； 5)對GPS/GLONASS姿態(tài)測量系統(tǒng)與INS的組合進行了初步研究。 綜合而言，本文的研究結(jié)果具有如下特點： 1)精

11、度高。在2m基線的情況下，姿態(tài)測量系統(tǒng)的偏航角、俯仰角和橫滾角的精度均達到了0.1°(1σ)： 2)計算可靠、計算量小、初始化時間短、能很好地與INS組合，這滿足了系統(tǒng)高動態(tài)的要求； 3)在少至2顆衛(wèi)星的情況下，也可能通過解析解求得載體的三維姿態(tài)角，這滿足了載體在黑障等環(huán)境下，衛(wèi)星信號跟蹤質(zhì)量降低時也能進行姿態(tài)測量的要求，通過在衛(wèi)星觀測條件很差情況下的車載實驗也證明了這一點。 上述特點，加上GNSS姿態(tài)測量系統(tǒng)本