BDS-GPS姿態(tài)測量方法研究.pdf

1、隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能的提升，利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行載體的姿態(tài)測量已成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用中十分重要的一個分支，在陸、海、空、天多個領域均有廣泛應用，包括無人機飛行姿態(tài)控制、坦克火炮系統(tǒng)和導彈的指向瞄準、雷達天線的照準等軍事應用和港口龍門塔吊姿態(tài)實時監(jiān)控、大跨度橋梁姿態(tài)實時監(jiān)控、工業(yè)機器人姿態(tài)實時監(jiān)控、工程車輛姿態(tài)實時監(jiān)控等民用。與傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)相比GNSS姿態(tài)測量系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、精度穩(wěn)定、無誤差積累、固體化和體積小、價格低廉、集成度高等

2、特點。然而，單一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量有限，成為限制GNSS姿態(tài)測量系統(tǒng)的性能的重要因素。將北斗和GPS進行組合解算，能夠充分利用兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高姿態(tài)測量系統(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，給實時姿態(tài)測量造成了困擾。如何提高姿態(tài)解算的實時性已成為GNSS姿態(tài)測量應用中亟待研究的問題。本文圍繞利用GNSS進行姿態(tài)測量的理論及方法，著重研究了BDS/GPS組合單歷元姿態(tài)測量過程中整周模糊

3、度的在航解算方法和實時性提高方法。編制了相關程序，對GNSS姿態(tài)測量技術相關算法進行了驗證分析。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴回顧了世界上主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀；總結(jié)了多衛(wèi)星導航系統(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量理論的研究現(xiàn)狀和成果；闡述了載體姿態(tài)測量的意義以及GNSS姿態(tài)測量的研究現(xiàn)狀。⑵介紹了姿態(tài)角的表示方法和GNSS姿態(tài)測量過程中涉及到的坐標系統(tǒng)；總結(jié)了GNSS原始觀測量、適用于姿

4、態(tài)測量的差分觀測量和組合觀測量模型；分析了姿態(tài)測量過程中受到的主要誤差項及處理方法；理論推導了接收機天線布局對姿態(tài)角解算精度的影響，基線越長姿態(tài)角精度越高，且橫滾角精度與兩條基線夾角大小相關，在兩基線正交時精度最高；簡要介紹了 GNSS姿態(tài)測量的主要步驟及精度、可靠性評價指標 BRMS和MRMS。⑶闡述了BDS/GPS組合姿態(tài)測量的時空基準統(tǒng)一和組合測量數(shù)學模型，實驗結(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；設計了一種適用于BD

5、S/GPS組合姿態(tài)測量的動態(tài)選星算法，在精度損失不大的情況下，增強了解算實時性；介紹了附加基線長度約束的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，實測數(shù)據(jù)表明該算法與LAMBDA算法解算精度相同，解算時間比雙頻和三頻數(shù)據(jù)通過LAMBDA算法解算分別節(jié)約50％和60%左右。⑷對比了姿態(tài)角解算的四種常用算法，分別編程實現(xiàn)并利用實

6、測數(shù)據(jù)進行了姿態(tài)角解算精度對比，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；利用實測數(shù)據(jù)分析了不同頻點進行姿態(tài)測量的性能，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)角解算成功率達到92