双天线GPS/MEMS定位测向系统的研究与实现

摘要

GPS/MEMS组合导航因具有天然的互补性、精度高、成本较低等特点，日益成为导航界研究的热点。本文利用高精度的GPS载波相位测姿技术，以某工程应用项目为背景，从理论和试验两个方面对GPS/MEMS定位测向方案进行了研究。
　　 在理论上，本文介绍了GPS定位的两种方式:伪距定位和载波相位定位，分析了两种方式的定位原理，并阐述了使用GPS载波双差进行二维姿态测量的方法，及载波定位过程中整周模糊度和周跳探测的处理手段，其次介绍了GPS测量中的误差分类及消除方法，及惯性导航的定位原理。通过对定位误差的分析，推导了基于卡尔曼滤波的双天线GPS/MEMS松组合定位测向系统的误差模型。
　　 在分析各种组合模式后，从实际工程应用角度出发选择松组合模式，并结合本项目需求，通过增加观测量，对现有基于位置、速度的松组合模式进行改进，引入一种基于位置、速度、姿态信息的全组合模式。通过对两种组合模式进行了仿真比较，验证了全组合模式可有效的提高姿态角的精度，同时对定位、测速的精度也有一定提高。
　　 设计了一套双天线GPS/MEMS组合定位测向系统。系统的硬件主要包括两个NovAtel-OEMV-1接收机、ADIS16365 MEMS惯性组件、ARM9处理器等。然后利用功能模块化的思想设计了系统软件，给出了GPS数据采集和航向解算模块的流程图，以及MEMS数据采集及导航解算模块的流程图，给出了组合系统总体软件流程图，并通过C语言实现了软件系统。
　　 论文最后通过静态和动态实验验证了系统的性能。静态实验选择卫星观测条件较好的条件下进行，通过数据分析，验证在GPS信号良好的情况下，双天线GPS辅助修正惯导系统误差，得出高精度无发散的定位测向信息。动态实验选择在城市公路上完成，在GPS信号短时丢失的情况下，依靠低精度MEMS系统给出短时定位测向信息，在路测实验中，系统有效的反应了测试车辆的航向和速度变化。

目录

声明

摘要

第一章 概述

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 GPS系统介绍及发展现状

1．2．2 MEMS惯性传感器研究发展现状

1．2．3 GPS／MEMS组合导航系统国内外的研究现状

1．3 论文的主要研究内容与结构

第二章 载体定位定姿测量原理及误差分析

2．1 GPS定位原理

2．1．1 伪距定位

2．1．2 载波相位定位

2．3 GPS载波相位空间差分姿态的确定

2．3．1 GPS姿态确定原理

2．3．2 载波相位双差方程

2．3．3 GPS误差分类

2．4 惯性导航定位原理

2．5 本章小结

第三章 双天线GPS／MEMS定位测向系统关键技术研究

3．1 卡尔曼滤波

3．1．1 卡尔曼滤波的原理

3．1．2 卡尔曼滤波递推方程

3．2 双天线GPS组合导航的状态方程和观测方程

3．2．1 组合导航组合模式介绍

3．2．2 位置、速度组合模式

3．2．3 位置、速度、姿态组合模式

3．2．4 位置、速度组合与全组合对比仿真验证

3．3 整周模糊度的求解

3．3．1 现有整周模糊度求解方法

3．3．2 整周模糊度的求解步骤

3．4 周跳的检测与修复

3．4．1 周跳产生的原因及修复

3．5 本章小结

第四章 双天线GPS／MEMS定位测向系统的设计与实现

4．1 硬件设计与实现

4．1．1 定位测向系统的总体实现框图

4．1．2 GPS接收机的硬件设计

4．1．3 MEMS惯性测量组件的硬件设计

4．1．4 天线单元选型

4．1．5 单片机选型

4．1．6 计算机模块的硬件设计

4．2 软件设计与实现

4．2．1 GPS数据格式

4．2．2 GPS接收机数据采集与航向解算模块软件设计

4．2．3 MEMS惯性组件数据采集与捷联解算模块软件设计

4．2．4 数据输出及配置模块软件设计

4．2．5 系统软件实现

4．3 本章小结

第五章 双天线GPS／MEMS定位测向系统的实验及性能分析

5．1 静态实验及性能分析

5．1．1 静态试验结果

5．1．2 静态实验结果分析

5．2 动态实验及性能分析

5．2．1 动态试验结果

5．2．2 动态实验结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文所做工作总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

附录