基于GNSS的多傳感器融合實(shí)時姿態(tài)測量技術(shù)研究.pdf

1、低成本航向確定技術(shù)在民用船舶導(dǎo)航上的應(yīng)用一直是國內(nèi)外導(dǎo)航界的研究熱點(diǎn)。利用GNSS實(shí)現(xiàn)航向指示的設(shè)備,稱為衛(wèi)星羅經(jīng)(GNSS羅經(jīng)),為船上其他設(shè)備(如AIS、VDR、ARPA)提供實(shí)時的航向信息,具有無累積誤差、不受磁場分布影響、體積較小、價格低等特點(diǎn),可作為中小型船只電/磁羅經(jīng)的替代設(shè)備。
　　 利用載波相位差分測量實(shí)現(xiàn)多天線GNSS姿態(tài)/航向確定,關(guān)鍵在于初始整周模糊度解算和姿態(tài)/航向確定算法。在國家863項(xiàng)目“長航時高動態(tài)

2、條件下高精度組合導(dǎo)航技術(shù)研究”(No.2006AA705320)等課題的資助下,本文開展了基于GNSS姿態(tài)測量和其他姿態(tài)傳感器的組合問題研究,重點(diǎn)放在單基線衛(wèi)星羅經(jīng)技術(shù)及組合的關(guān)鍵理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究,這將作為集成衛(wèi)星羅經(jīng)產(chǎn)品的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 本文主要研究思路及工作體現(xiàn)在五個方面:
　　 (1)調(diào)研、分析國內(nèi)外GNSS組合姿態(tài)測量和衛(wèi)星羅經(jīng)技術(shù),結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有研究基礎(chǔ),分析衛(wèi)星羅經(jīng)主要技術(shù)要求,提出GNSS單基線姿

3、態(tài)測量與低成本磁傳感器、INS組合方案。
　　 (2)基于當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下的差分姿態(tài)方程,研究了GNSS姿態(tài)測量誤差,著重開展了多路徑誤差的理論和實(shí)驗(yàn)研究,提出了差分姿態(tài)方程的ADOP概念和表達(dá)式。
　　 (3)考慮可能出現(xiàn)的干擾情況,采用低成本三軸磁強(qiáng)計和單基線GNSS姿態(tài)測量進(jìn)行組合。針對磁強(qiáng)計受到的外界干擾,尋求有效的誤差補(bǔ)償算法。搭建實(shí)驗(yàn)平臺,開展組合航向測量的理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 (4)對于一些要

4、求較高的場合,研究雙天線測姿與低成本INS組合的方式和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。在改善系統(tǒng)航向輸出精度和可靠性的基礎(chǔ)上,研究了INS與GNSS測姿的相互輔助技術(shù),建立相應(yīng)的量測方程。同時,搭建實(shí)驗(yàn)平臺,開展相關(guān)的算法研究。
　　 (5)在上述研究基礎(chǔ)上并結(jié)合已有工作,設(shè)計并改進(jìn)了軟、硬件試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng),開展了大量靜態(tài)、動態(tài)試驗(yàn)工作及數(shù)據(jù)分析處理,得到不同場景下實(shí)驗(yàn)具體結(jié)果。
　　 本文的關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新性有三方面:
　　 (

5、1)研制了GNSS組合姿態(tài)測量系統(tǒng)。對多路徑分析和單差姿態(tài)方程的姿態(tài)精度因子ADOP進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)研究,優(yōu)化GNSS姿態(tài)測量的實(shí)現(xiàn)算法,提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。
　　 (2)建立單基線GNSS與低成本磁強(qiáng)計的觀測方程并優(yōu)化濾波設(shè)計,改善載體組合姿態(tài)/航向的估算精度以及數(shù)據(jù)連續(xù)性。提出將磁強(qiáng)計給出的航向角粗估值約束模糊度函數(shù)搜索范圍,減少搜索計算量。
　　 (3)研究雙天線測姿與INS組合的結(jié)構(gòu)形式采用同位于一條基線

6、的深度融合方式。將INS和雙天線測姿進(jìn)行進(jìn)一步分析,構(gòu)造新的誤差觀測方程,并用Unscented卡爾曼濾波(UKF)進(jìn)行處理。結(jié)合本文的單差姿態(tài)方程,利用INS初始測量的姿態(tài)角作為粗估量,可在整周全域搜索中,縮小整周模糊度函數(shù)的搜索范圍,減少運(yùn)算量,提高實(shí)時性。
　　 本文的研究結(jié)論主要有四點(diǎn):
　　 (1)差分姿態(tài)方程和模糊度函數(shù)法的組合應(yīng)用,提高了整周模糊度的實(shí)時性和可靠性。大量靜態(tài)、車載動態(tài)實(shí)驗(yàn)表明這種組合改進(jìn)方法

7、較傳統(tǒng)方法有效縮減了計算量,并且姿態(tài)/航向精度較高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
　　 (2)在開闊環(huán)境下,利用單差姿態(tài)算法和模糊度求解方法,分別計算引入多路徑誤差前后的姿態(tài)角,統(tǒng)計結(jié)果表明姿態(tài)角的標(biāo)準(zhǔn)差和均值變化不大,而在復(fù)雜環(huán)境下且同樣的試驗(yàn)條件下,保持基線位置相同,多路徑對姿態(tài)估算的影響幾乎是相同,且通過作差可消除。通過對姿態(tài)ADOP的分析推導(dǎo),在算法實(shí)現(xiàn)上需要注意一些特殊位置的處理。
　　 (3)低成本磁強(qiáng)計和GNSS組合測量航向

8、可有效提高整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)和穩(wěn)定性,而且兩者組合結(jié)構(gòu)和濾波易于實(shí)現(xiàn)、磁強(qiáng)計誤差補(bǔ)償易于工程實(shí)現(xiàn)。相比與單-GNSS測姿系統(tǒng),組合后系統(tǒng)的成本增加有限。
　　 (4)低成本INS和GNSS組合姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)精度高,而且能利用INS的初始信息提高GNSS的整周模糊度解算的效率,二者的相互輔助提供了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,通過Unscented卡爾曼濾波可得到較高的精度。與磁強(qiáng)計組合相比,其劣勢在于成本增加較多,適用于更高需求的用戶。