粒子滤波在船体姿态测量技术中的应用

摘要

针对 GPS 载波相位技术在姿态测量中的应用，以船体为对象进行姿态测量算法研究。论文论证船体 GPS 姿态测量系统的可行性，详细推导姿态测量的数学模型，并给出影响 GPS 测量精度的各种误差及其消除方法。针对海上测量的低精度性和船舶在海上的动态特性，论文重点提出使用粒子滤波算法进行船舶姿态角测量，并将此算法与传统的直接法、最小二乘法进行比较分析。 整周模糊度的解算和周跳检测与修复是 GPS 姿态测量系统的两大关键技术。为了缩短模糊度搜索时间，提高模糊度解算的正确率，论文引入LAMBDA 法解算整周模糊度；为实现动态条件下载波相位观测的周跳检测与修复，引入“基于冗余双差观测的周跳检测与修复”方法；并且对上述算法进行性能分析。 使用粒子滤波算法进行姿态测量的内容包括：利用船体姿态变化模型获得状态方程；根据所获得观测值建立测量方程：根据状态方程得出采样粒子，同时根据测量方程更新权值，判断重采样之后递推得到状态估计。 论文给出船舶在海上运动的模型，并在 PC 机上利用 MATLAB7.1 软件分别对直接法、最小二乘法、粒子滤波法进行仿真，并进行性能分析。仿真结果表明，使用直接法进行姿态测量的效果比较差，使用最小二乘算法能将测量精度提高 4～6 倍，而使用粒子滤波算法则可使测量精度比最小二乘算法提高 1.5～5 倍。 论文最后列举在理论和工程上尚需要做进一步研究和完善的一些问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状分析

1.3课题的科学意义和应用前景

1.4本文的主要工作和论文结构

第二章GPS系统概述及其误差分析

2.1引言

2.2 GPS系统的组成和特点

2.2.1 GPS系统及其特点

2.1.2 GPS系统组成

2.3影响GPS确定船体姿态精度的因素

2.3.1 GPS卫星误差

2.3.2传播误差

2.3.3与接收机有关的误差

2.3.4船体运动特征产生的误差

2.4本章小结

第三章GPS姿态测量的基本原理

3.1引言

3.2坐标系的定义

3.2.1宇宙直角坐标系

3.2.2本地坐标系

3.2.3载体坐标系

3.3坐标转换

3.4原理简介

3.4.1船体姿态角的定义

3.4.2姿态角估计原理

3.4.3姿态角估计流程

3.5基线的布局

3.5.1天线安装点的选取

3.5.2基线长度对姿态测量的影响

3.6本章小结

第四章粒子滤波在姿态角解算中的应用

4.1引言

4.2目前普遍使用的姿态角求解方法

4.2.1直接法

4.2.2最小二乘法

4.3粒子滤波原理

4.3.1退化现象

4.3.2选取重要性函数密度

4.3.3再采样

4.4使用粒子滤波算法求解姿态角的过程

4.4.1模型

4.4.2粒子滤波算法处理过程

4.5本章小结

第五章整周模糊度解算

5.1引言

5.2典型模糊度求解技术简介

5.2.1需要专门操作的模糊度求解

5.2.2基于坐标域的整周模糊度搜索

5.2.3基于模糊度域的整周模糊度搜索

5.3常用解算方法的分析

5.3.1参数最小二乘估计

5.3.2 LAMBDA算法分析

5.3.3两种方法的比较分析

5.4周跳检测与修复

5.4.1基于外推法的周跳检测与修复

5.4.2基于冗余双差观测的周跳检测与修复

5.5本章小结

第六章GPS姿态测量算法仿真

6.1引言

6.2模型说明

6.3直接法

6.4最小二乘法

6.5粒子滤波法

6.6结果分析(三种方法比较)

6.7本章小结

第七章总结与展望

致谢

参考文献

附录