BDS-GPS姿態(tài)測(cè)量方法研究.pdf

1、隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的提升，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行載體的姿態(tài)測(cè)量已成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用中十分重要的一個(gè)分支，在陸、海、空、天多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，包括無人機(jī)飛行姿態(tài)控制、坦克火炮系統(tǒng)和導(dǎo)彈的指向瞄準(zhǔn)、雷達(dá)天線的照準(zhǔn)等軍事應(yīng)用和港口龍門塔吊姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、大跨度橋梁姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、工程車輛姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等民用。與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比GNSS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度穩(wěn)定、無誤差積累、固體化和體積小、價(jià)格低廉、集成度高等

2、特點(diǎn)。然而，單一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量有限，成為限制GNSS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的性能的重要因素。將北斗和GPS進(jìn)行組合解算，能夠充分利用兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的精度、可用性以及安全性。但是，雙系統(tǒng)豐富的衛(wèi)星資源帶來的解算效率的損失，給實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量造成了困擾。如何提高姿態(tài)解算的實(shí)時(shí)性已成為GNSS姿態(tài)測(cè)量應(yīng)用中亟待研究的問題。本文圍繞利用GNSS進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的理論及方法，著重研究了BDS/GPS組合單歷元姿態(tài)測(cè)量過程中整周模糊

3、度的在航解算方法和實(shí)時(shí)性提高方法。編制了相關(guān)程序，對(duì)GNSS姿態(tài)測(cè)量技術(shù)相關(guān)算法進(jìn)行了驗(yàn)證分析。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴回顧了世界上主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀；總結(jié)了多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合解算算法的研究現(xiàn)狀以及目前存在的若干問題；介紹了多頻組合觀測(cè)量理論的研究現(xiàn)狀和成果；闡述了載體姿態(tài)測(cè)量的意義以及GNSS姿態(tài)測(cè)量的研究現(xiàn)狀。⑵介紹了姿態(tài)角的表示方法和GNSS姿態(tài)測(cè)量過程中涉及到的坐標(biāo)系統(tǒng)；總結(jié)了GNSS原始觀測(cè)量、適用于姿

4、態(tài)測(cè)量的差分觀測(cè)量和組合觀測(cè)量模型；分析了姿態(tài)測(cè)量過程中受到的主要誤差項(xiàng)及處理方法；理論推導(dǎo)了接收機(jī)天線布局對(duì)姿態(tài)角解算精度的影響，基線越長(zhǎng)姿態(tài)角精度越高，且橫滾角精度與兩條基線夾角大小相關(guān)，在兩基線正交時(shí)精度最高；簡(jiǎn)要介紹了 GNSS姿態(tài)測(cè)量的主要步驟及精度、可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo) BRMS和MRMS。⑶闡述了BDS/GPS組合姿態(tài)測(cè)量的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一和組合測(cè)量數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙系統(tǒng)組合能夠在精度和可用性方面均有改善；設(shè)計(jì)了一種適用于BD

5、S/GPS組合姿態(tài)測(cè)量的動(dòng)態(tài)選星算法，在精度損失不大的情況下，增強(qiáng)了解算實(shí)時(shí)性；介紹了附加基線長(zhǎng)度約束的LAMBDA算法，在模糊度解算過程中能夠有效提高解算成功率及正確率，尤其對(duì)于單系統(tǒng)單頻數(shù)據(jù)解算，效果明顯；提出了一種顧及偽距多路徑改正的三頻模糊度解算算法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該算法與LAMBDA算法解算精度相同，解算時(shí)間比雙頻和三頻數(shù)據(jù)通過LAMBDA算法解算分別節(jié)約50％和60%左右。⑷對(duì)比了姿態(tài)角解算的四種常用算法，分別編程實(shí)現(xiàn)并利用實(shí)

6、測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了姿態(tài)角解算精度對(duì)比，直接法和TRIAD算法獲得相同精度，ATRIAD和QUEST算法得到相近的精度，與主流定向精度相當(dāng)；利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了不同頻點(diǎn)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的性能，單頻解算成功率不足，雙系統(tǒng)組合單頻姿態(tài)測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度和成功率；將三維無約束平差引入三天線姿態(tài)測(cè)量解算模型中，提高姿態(tài)角解算的精度和可靠性；解算車載三天線數(shù)據(jù)，在BRMS閾值10cm、MRMS閾值1cm和Ratio閾值為3的情況下，姿態(tài)角解算成功率達(dá)到92