基于GPS多天线的无人机姿态测量系统研究与设计

发布时间：2020-11-01 20:14

　　 姿态信息是无人机实现导航和稳定控制最关键的前提信息,其测量精度直接决定了无人机飞行控制的精度。随着无人机的应用场景日渐广泛,对无人机姿态信息的测量精度要求也愈加严格。传统的姿态测量方法主要依靠以惯性器件为基础的惯性导航系统,但惯性器件往往价格高昂,硬件结构复杂,并且陀螺仪在长时间下会产生累积误差。全球定位系统(Global Positioning System,GPS)由于其高精度、全天候的特点成为姿态测量的另一重要工具。本文采用GPS载波相位姿态测量技术,设计了基于GPS多天线的无人机姿态测量系统。围绕该系统设计,开展了以下研究:1.利用了一机双天线接收机的两个天线共用一个内部时钟源的特点,区别于传统姿态测量方法的载波相位双差模型,建立了基于载波相位单差观测模型的基线解算方案。针对利用GPS载波相位进行姿态测量过程中的载波相位周跳问题,提出了基于卡尔曼滤波算法的周跳探测及其修复方法,该方法可以有效探测到周跳的发生,并在下一个历元就修复该周跳,可应用在各类接收机的观测数据中。2.研究了非校正相位延迟(Uncalibrated Phase Delay,UPD)产生的原因及对单差模型模糊度整周特性的影响,本文将非校正相位延迟作为一个未知参数与单差模型整周模糊度一起联合求解,并结合广义约束理论,提出了一种基于单差模型的模糊度固定方法,通过与传统双差模型模糊度固定方法LAMBDA法的实验对比,基于单差模型的模糊度固定方法不仅消除了非校正相位延迟对模糊度整周性的破坏性,还在保证模糊度解算精度的同时加快了模糊度固定速度。3.为了进一步提高GPS多天线姿态测量的精度和可靠性,本文研究了多个天线在无人机上的布局结构,并在该硬件布局的基础上,提出了基于无约束平差方法的无人机三维姿态角的最优估计模型。该模型充分利用了多天线解算出来的多条独立基线向量的冗余信息,有效提高了姿态角的解算精度和可靠性。4.综合上述的研究内容,设计了本文的无人机姿态测量系统,并进行了无人机姿态测量系统的实际飞行验证实验。实验结果表明,本文的无人机姿态测量系统测量得到偏航角的精度为0.6238度/(0.9863米基线),俯仰角精度可达0.5712度/(0.9863米基线),横滚角精度可达0.5291度/(0.9863米基线)。上述三维姿态角的测量精度均能满足无人机姿态测量要求。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249
【部分图文】：

原点O赤道格里尼林子午线XYO图 3- 2 WGS-84 坐标系与地理坐标系坐标系的坐标原点为载体的所在位线的相位中心，其 O 平面是载体取不同定义的坐标系。一般而言， 轴与 、 轴构成右手直角坐标t North Up，ENU）。本文的无人机系。

处理成中频数字信号后传输给基带模块。基带模获并持续跟踪 GPS 卫星信号，将 GPS 卫星信号中央处理器能够快速处理浮点型数据，对解码后姿态测量和坐标转换等处理[55]。由于接收机内部块，因此采用载波相位单差观测模型就可以消除位双差观测模型，具有观测量的冗余度和参数见的共时钟一机双天线接收机有 Trimble 公司司的 K528 型接收机和 Septentrio NV 公司的 A机姿态测量系统采用了 Trimble 公司的 BD982 所示，该款接收机能够接收并跟踪 GPS 卫星信个 LAN 以太网端口和一个 CAN 端口，本文的接收机的 LAN 以太网端口用来 GPS 卫星数据的

网的接入速度，下载速率可达 100Mb/率也可以达到 20Mb/s。除了数据传输高安全可靠，可永久在线，建立新的连接固定的 IP 地址传输数据，没有传输距频分复用技术，将信道分成许多正交的因此消除了不同子通道之间的互相干扰态测量系统正是利用这种基于移动网络到的 GPS 卫星信号，在无人机上搭载了 5-4 所示，该款路由器有 4 个网口，因此DD-LTE 的下行速率为 150Mpbs，上行带宽，满足无人机姿态测量系统的观测
【参考文献】

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本文编号：2866036