基于GNSS的实时姿态确定算法研究

发布时间：2018-06-07 23:00

  本文选题：全球卫星导航系统 + 姿态测量　； 参考：《解放军信息工程大学》2013年博士论文

【摘要】：全球卫星导航系统(GNSS)以其高精度、全球性、全天候、连续等优点而备受人们的关注,它在姿态测量方面有极大的应用潜力,既可以作为一个新的姿态测量系统代替那些复杂且昂贵的姿态测量设备,也可以与传统的姿态敏感器组成组合姿态测量系统。近年来,利用GNSS进行姿态确定已经成为GNSS应用研究的一个新领域。利用GNSS进行姿态确定涉及两个关键问题：整周模糊度固定和姿态解算。本文围绕这两大问题作了详细深入的研究,主要研究内容及创新点概括如下：1.建立了三种GNSS姿态测量数学模型,包括基于基线参数的单基线数学模型、基于基线参数的多基线数学模型以及基于姿态参数的多基线数学模型,为整周模糊度和姿态的解算奠定了基础。2.基于基线参数的多基线数学模型,选取欧拉角／四元数作为姿态参数,提出了基于乘性误差欧拉角和基于乘性误差四元数的姿态解算方法；基于基线参数的多基线数学模型,选取方向余弦矩阵作为姿态参数,提出了基于方向余弦矩阵的姿态解算方法。仿真结果表明,基于乘性误差欧拉角／四元数的姿态解算方法与基于加性误差欧拉角／四元数的解算方法相比,在估计精度和解算效率上都有一定的提高；与基于方向余弦矩阵的姿态解算方法相比,估计精度和解算效率相当。3.基于姿态参数的多基线数学模型,选择方向余弦矩阵作为姿态参数,提出了基于方向余弦矩阵的姿态直接解算法。仿真结果表明,基于方向余弦矩阵的姿态直接解算法与基于基线参数数学模型的姿态解算方法相比估计精度及解算效率均有所提高。4.针对三种GNSS姿态测量模型中存在的先验约束信息,分别建立了虚拟观测方程,提出了基于虚拟观测方程的整周模糊度解算方法。这种方法将约束信息加入整周模糊度浮点解的解算过程,改善了将约束信息加入整周模糊度搜索过程存在的效率问题。5.建立了乘性误差四元数的多基线数学模型,采用迭代最小二乘估计法求解整周模糊度浮点解,结合LAMBDA算法给出整周模糊度的固定解。该方法同样属于将约束信息加入整周模糊度浮点解的解算过程,提高了整周模糊度的解算效率。6.基于方向余弦矩阵的约束信息提出了一种新的整周模糊度检验方法,给出了经验阈值。这种方法在单个历元或者很少的历元就能对整周模糊度是否固定正确进行判定,与以往通常需要一段时间的检验方法相比效率得到提高。7.以方向余弦矩阵表示姿态参数,构建GNSS/陀螺组合姿态系统方程,提出了一种矩阵卡尔曼滤波算法。仿真结果表明,在陀螺噪声较小的情况下,基于误差四元数的EKF滤波算法与基于方向余弦矩阵的Kalman滤波算法的姿态解算精度相当；在陀螺噪声较大的情况下,基于方向余弦矩阵的Kalman滤波算法较基于误差四元数的EKF滤波算法的姿态解算精度要高。8.将方向余弦矩阵作向量化处理,构建向量形式的GNSS/陀螺组合姿态确定系统。此系统可以采用经典卡尔曼滤波算法,避免了以矩阵形式的方向余弦矩阵表示姿态时系统方程的复杂性。针对方向余弦矩阵表示姿态参数情况下滤波过程中存在初值的设定、整周模糊度的解算、其余参数固定解的求解等问题进行了详细深入的研究,并给出了相应的解决方法。
[Abstract]:Global Navigation Satellite Navigation System ( GNSS ) has been paid much attention to its high accuracy , global , all - weather , continuous and other advantages . It has great potential in attitude measurement . It can be used as a new attitude measurement system to replace those complicated and expensive attitude measurement equipment .
Based on the baseline parameter - based multi - baseline mathematical model , the direction cosine matrix is selected as the attitude parameter , and the attitude solving method based on the direction cosine matrix is proposed . The simulation results show that the attitude solving method based on the multiplicative error Euler angle / quadrant has certain improvement in the estimation accuracy and the calculation efficiency compared with the calculation method based on the additive error Euler angle / quadrant number ;
This paper presents a new method for calculating the ambiguity of the whole cycle based on the constraint information of the direction cosine matrix .
In the case of large gyro noise , the Kalman filter algorithm based on the direction cosine matrix is higher than the attitude calculation accuracy of the EKF filtering algorithm based on the error four . 8 . The system can adopt the classical Kalman filter algorithm to avoid the complexity of the system equation when the direction cosine matrix forms the vector form .
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P228.4
，

本文编号：1993171