基于单历元解算的GPS定向技术研究

【摘要】：全球定位系统(Global Positioning System,GPS),能够全天候地向全球范围内具有适当接收设备的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息,并具有良好的抗干扰性和保密性,利用GPS载波相位技术来测量载体的姿态已经成为了GPS应用研究领域中的一个热门方向,该技术被广泛地运用于交通工具的定向、以及飞行器或舰船的姿态测量上。 本论文主要研究工集中于GPS精确定向技术原理的研究和实现,具体内容如下: 1.系统论述了GPS的基本原理,对利用TOF的伪距定位原理、载波相位差分姿态测量原理、导航电文信息等内容进行了介绍;讨论了GPS测量误差、测量精度等要点。 2.深入探讨了利用GPS进行测量的三维姿态角定义、基线姿态角与载体姿态角的几何关系;并对各坐标系之间的相互转换、载体三维姿态角的计算方法进行了探讨与推导。 3.查阅了国内外利用GPS载波相位差分技术进行方位解算方法。简要介绍了确定整周模糊度的一般流程与经典方法。提出基于双差解析的模糊度搜索方法来求解整周模糊度的方法,利用载波相位的双差观测量,根据组成双差的两颗卫星的相对位置矢量结合载体基线长度可以精确测量的特点,来计算双差整周模糊度的可能值。然后对由不同的卫星之间构成的双差载波相位方程的解析解取交集,从而完成定向功能。 4.根据提出的双差解析的模糊度函数搜索方法原理,在VB环境下编写了GPS卫星数据采集与卫星位置解算界面。并编写Matlab程序,利用GPS卫星的双差载波相位作为观测量,实现以双差解析的模糊度搜索方法作为基线姿态角真值的搜索策略,在双差模糊度候选解的剔除的判断标准方面进行了探讨分析与比较。 5.利用所提出的算法,开展了GPS单基线姿态测量实验。实验结果表明,在基线长为2米左右的情况下,使用单历元数据解算载体航向角,其测量精度在0.15°左右。针对实验结果以及算法性能,对定向精度、算法的计算量、以及初始化时间等进行了分析,论证了其可用性和可行性。