多天线姿态GPS测量算法研究

发布时间：2021-06-08 18:56

姿态测量是GPS测量的一个重要分支,因为GPS有着高精度,全天侯,低成本等诸多优点,使GPS在测姿等领域的应用得到广泛关注。GPS中的相位观测量可实现高精度的定位和姿态测量,然而有时观测卫星数不够多,模糊度固定成功率很低,使姿态解算效果不好。当基线长度固定时,基线长将作为一个高精度的观测量,辅助模糊度的固定。本文针对短基线约束下的模糊度固定问题,提出了基线长非线性约束的模糊度搜索方法,大大提高了模糊度固定成功率,也对应提高了基线的测量精度。在姿态解算算法上,主要研究了TRIAD和QUEST两种算法,并对比这两种算法在解算双基线姿态时的关系。本文的主要研究内容是多天线姿态GPS解算算法,解算过程分为两步:先完成模糊度固定,再实现姿态解算。针对模糊度固定方法这一部分,本文研究了超短基线约束下的模糊度固定方法,由于基线长度太短,通过基线长度建立的线性模型直接求解效果不理想,因此考虑采用基线长的非线性模型搜索模糊度,提高模糊度固定的成功率。针对姿态矩阵解算方法方面,本文研究了TRIAD和QUEST算法,文中对比分析了这两种算法,深入探究了两种算法及其之间的联系,得到两种算法等效时的解算条件。通过实测数据验证本文提出的超短基线约束下的模糊度搜索方法,为对比实验效果,与无基线下约束的LAMBDA算法和基线长线性约束下的LAMBDA算法作相比,模糊度固定成功率提高30%-40%,因此也相应提高了基线精度。对于有一条基线精度不高时的双基线姿态解算,本文通过实测数据验证了:1)TRIAD算法解算精度对主矢量的依赖性,并通过改进算法,解决了TRIAD算法的依赖性问题,提高了测量精度;2)TRIAD与QUEST算法效果相当时,两条基线在精度上满足的特殊条件。对于全部基线都是高精度解算,姿态解算精度一般都很高,但在实际GPS姿态测量中,不是所有基线解算精度都很高,本文为一条基线精度不高时,双基线姿态的高效解算提供了理论依据。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P228.4

文章目录

摘要

abstract

第1章引言

1.1 GPS测姿算法研究背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 模糊度固定方法研究现状

1.2.2 姿态解算方法研究现状

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文的章节安排

第2章姿态测量相关数学基础

2.1 坐标系统

2.1.1 地心地固坐标系

2.1.2 地理坐标系

2.1.3 载体坐标系

2.2 坐标系之间的转换

2.3 姿态矩阵的几种描述形式

2.3.1 方向余弦的描述

2.3.2 欧拉角的描述

2.3.3 四元素的描述

2.4 载体姿态的定义

2.5 本章小结

第3章相对定位原理及误差分析

3.1 GPS组成及观测量

3.2 GPS信号观测模型

3.2.1 伪距观测方程

3.2.2 载波相位观测方程

3.3 GPS相对定位

3.3.1 单差观测方程

3.3.2 双差观测方程

3.3.3 三差观测方程

3.4 GPS定位误差源及其影响分析

3.4.1 与卫星相关的误差

3.4.2 信号传播过程的误差

3.4.3 与接收机相关的误差

3.5 本章小结

第4章模糊度固定

4.1 LAMBDA模糊度固定方法

4.1.1 整数最小二乘观测模型

4.1.2 模糊度解算的三步骤

4.1.3 搜索空间的建立

4.1.4 搜索过程与验证

4.2 基线长线性约束下的LAMBDA方法

4.3 基线长非线性约束下的模糊度搜索方法

4.3.1 非线性约束双差观测模型

4.3.2 非线性约束模糊度搜索模型

4.3.3 模糊度搜索与验证

4.4 实例分析

4.4.1 模糊度固定结果分析

4.4.2 基线解算分析

4.4.3 实例分析总结

4.5 本章小结

第5章载体姿态解算

5.1 TRIAD算法

5.1.1 TRIAD数学原理

5.1.2 常用改进算法

5.1.3 实例分析

5.2 QUEST算法

5.3 TRIAD算法与QUEST算法的对比

5.3.1 两种算法解双基线姿态对比

5.3.2 实例分析

5.4 本章小节

第6章结论和展望

6.1 全文总结

6.2 不足和进一步工作

6.3 研究生期间的工作

6.3.1 参加的项目

6.3.2 完成的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

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