应用GPS载波确定载体姿态.pdf

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1、第23卷第6期北华航天工业学院学报V01．23NO．62013年12月JournalofNorthChinaInstituteofAerospacDec．2Ol3应用GPS载波确定载体姿态杨朝韦雪洁张健瑞(北华航天工业学院电子工程系，河北廊坊065000)摘要：本文简述了利用GPS载波相位技术进行载体姿态确定的原理，比较了目前已有的多种整周模糊度求解算法，选用最小二乘法进行了载体定姿实践，减少了备选整周模糊度的组合数，并采用多种约束信息来剔除不正确的模糊度组合，结合实验，指出了载体姿态变化和整周模糊度搜索速度的关系，提出了一种模糊度确定的辅助方法，并给出了应用算例

2、。关键词：GPS；载波相位；姿态；整周模糊度；最小二乘法中图分类号：P228文献标识码：A文章编号：1673—7938(2013)06—0027—060引言一(。)+÷[，，(t)+，(￡)](1)近年来，随着高精度载波相位测量技术研究的L其中：(t)为t时刻天线A到卫星的载波相进展，以此为基础的GPS定向测姿技术具有巨大的位测量值；(t)为t时刻天线A到卫星，的距离；发展潜力和广阔的应用前景。相比惯性导航系统，(t)，f(t)为t时刻的接收机钟差和卫星钟差；GPS定向系统具有结构简单、价格低廉、体积小、精(t。)为初始锁定时刻的整周模糊度；，，(t)，度稳定、工

3、作可靠、不存在积累误差等优点。(t)为电离层和对流层折射对传播距离的影利用GPS载波相位信号进行载体姿态测量是．GPS姿态测量的新技术。这种技术的核心在于响；f为载波频率；c为光速。1．2站际单差观测方程GPS载波相位的准确测量和整周模糊度的正确解下面图1所示为天线A和天线B同时观测卫星算，以及整周跳变的检测与修复。的示意图。本文围绕GPS高精度姿态测量这一主题，就测量系统的软件和硬件展开研究。重点研究GPS姿态测量的主要技术问题包括：数据的采集和预处理，系统解算的数学模型，整周模糊度的快速解算等。对上述理论方法进行编程实现，并基于实测数据对程序进行了验证。在此基

4、础上，针对ASHTECH公司的AC12OEM接收机，设计实现了一套GPS定姿系统。1差分GP$数学模型AB1．1载波相位观测方程图1单差观测示意图在历元t时刻，对天线A和卫星其载波相位观对两天线的载波相位观测方程做差得：测方程可以写成如下：(t)一(t)=÷[(f)一(t)](t)(￡)+f[8t(t)一atj(￡)]+，[8t(t)一8t(t)]一[(t。)一(t。)]基金项目：北华航天工业学院科研基金(KY200911)+÷[，，(f)一，，(t)+，(t)一，(￡)](2)收稿日期：2013—10—12因为基线的长度远小于天线到卫星的距离，可作者简介：杨朝(

5、1979一)，男，硕士，讲师，从事测控仪器，GPS以认为同一卫星在同一时刻到天线A的矢量和到定姿研究。一27—2013年l2月北华航天工业学院学报第23卷天线的矢量是平行的，如图1所示。卫星到两天线码伪距观测量。的距离差。近似等于由天线A和B形成的基线矢2．2模糊度函数法量b和卫星到天线的单位矢量Js的点乘。用公式模糊度函数法的最大优点在于它充分利用了模表示如下：糊度的整数特点，因而完全消除了整周跳变的影响，9～一BS3bAB不管当前历元是否发生了周跳，基线真值总是模糊同时由于基线很短，电离层影响残差项△，．，(t)度函数的峰值点。该方法由于只利用了载波相位观测量

6、的小数部分，因此载波观测量整周变化信息连一，(t)和对流层影响残差项，(t)一△，，(t)．同整周模糊度也一起被丢掉了，这导致了候选网格可以忽略，从而得单差方程：点中存在着大量的“正确解”，搜索空间极大，计算量一名=÷

7、sb+f(一￡)一(J7＼，一Ⅳ)庞大，难以适用于实时动态测量。(3)2．3模糊度协方差法1．3站星双差观测方程模糊度协方差法首先利用所有观测信息确定基天线A与天线同时观测卫星i和卫星，所得线向量和模糊度的估计值，然后进行搜索确定正确两个站际单差方程再次做差得：的模糊度，往往只需很少的搜索历元即可确定正确f的整周模糊度。该方法的缺点是，当模糊度搜索

8、失败△：÷(Js‘一

9、s)b一△Ⅳ2(4)L时，难以确定导致失败的原因。另外，观测值的统计其中：特性是经验给定的，如不符合实际，会使搜索无效。△：=(一)一(一)为接收机的双2．4最小二乘搜索法差载波相位观测值；‘在所有的双差载波相位整周模糊度中，只有3△Ⅳ：=(Ⅳ一Ⅳ)一(一Ⅳ)为双差载波个是独立的，即只要能够确定3个双差整周模糊度，相位整周模糊度。其它的双差模糊度就可以唯一确定。最小二乘法分站星双差观测方程消除了卫星钟差、接收机钟为3个步骤：建立搜索空间；最小二乘搜索；固定整差、对流层和电离层折射影响，是大多数GPS相对定周模糊度。位的的基本模型，也是本文姿态

10、解算的主要