北斗载体姿态测量技术研究及在动车组测姿试验中的应用

摘要

姿态参数是表征载体运行安全的重要信息，例如航天器的姿态测控、飞机的偏航角测量及陆地车辆的方向信息获取等。姿态参数检测是发展主动性运动状态安全监测的基础，利用北斗卫星导航系统不仅可以获取载体的位置、速度和时间信息，还可以获取姿态参数，具有广阔的应用前景。
　　基于导航卫星的姿态测量通常以载波相位作为基本观测量，其中如何有效地进行载波相位整周模糊度固定和正确的姿态解算，既关系着动态解算的效率，又关系着测量结果的可靠性。为此本论文结合北斗系统特点，在进行姿态测量模型构建基础上，重点进行整周模糊度固定方法和姿态解算算法的研究。此外，在兰新客专开展了动车组运行姿态检测试验。本论文的研究内容及成果如下:
　　建立了基于北斗载波相位差分观测量的姿态测量模型。采用载波相位差分线性组合的观测量，推导了其与待定参数（基线矢量、模糊度、姿态角）之间的确定性数学关系，构建了姿态测量数学模型，并对其中涉及的坐标系及变换关系进行了论述。同时结合工程应用实际，分析了包括测姿系统结构和天线配置方法在内的姿态测量系统模型。
　　研究了基于载波相位双差观测量的整周模糊度固定和姿态解算问题。针对多历元联合观测的高阶矩阵求逆问题，应用了QR分解技术去除观测方程中的方向阵坐标参数，只在模糊度域估计浮点解，减小了计算量。针对模糊度浮点解之间的强相关性导致的模糊度搜索困难问题，通过乔里斯基分解和可逆的整数Z变换有效地压缩了可能的模糊度组合数目，提高了模糊度的搜索效率。采用了直接法和最小二乘法进行姿态参数解算，通过基于MATLAB的仿真姿态测量实验结果表明，本文所述的整周模糊度解算算法有效进行了模糊度固定，同时采用最小二乘法的姿态解算精度相比直接法有所改进。
　　针对高速铁路动车组运行安全检测中的车体姿态角检测问题，首次引入北斗姿态测量技术，在新疆进行了大风条件下的动车组车体测姿试验，有效采集了车体航向角、侧滚角姿态数据和三维坐标、实时车速等运行状态参数，表明了北斗测姿技术的可用性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．1．1 论文研究背景

1．1．2 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 卫星测姿技术发展历程

1．2．2 姿态测量算法研究

1．2．3 北斗测姿技术研究

1．3 论文的主要研究内容

2 北斗导航系统与定位基本原理

2．1 引言

2．2 北斗卫星导航系统

2．2．1 系统组成

2．2．2 北斗卫星信号

2．3 北斗卫星基本观测量

2．3．1 码伪距观测量

2．3．2 载波相位观测量

2．4 用户位置定位及误差源

2．4．1 定位基本原理

2．4．2 定位方式分类

2．4．3 定位误差源分析

2．5 本章小结

3 载波相位姿态测量模型

3．1 引言

3．2 姿态测量参数描述

3．2．1 姿态角参数

3．2．2 姿态测量中的坐标系

3．2．3 姿态测量坐标系的变换

3．3 载波相位姿态测量模型构建

3．3．1 载波相位线性组合观测

3．3．2 载波相位双差测姿模型

3．4 多天线姿态测量系统模型分析

3．4．1 测姿系统结构

3．4．2 天线配置方法

3．4．3 天线配置方法对姿态的影响

3．5 本章小结

4 整周模糊度求解及姿态解算

4．1 引言

4．2 载波相位整周模糊度概述

4．2．1 整周模糊度求解问题描述

4．2．2 整周模糊度求解基本方法

4．3 OR分解结合LAMBDA的模糊度求解

4．3．1 模糊度域的模糊度求解流程

4．3．2 基于QR分解的模糊度浮点解

4．3．3 基于LAMBDA的模糊度固定解

4．4 姿态解算算法

4．4．1 姿态参数直接法解算

4．4．2 姿态参数最小二乘法解算

4．5 算例仿真分析

4．6 本章小结

5 基于北斗的动车组测姿试验

5．1 动车车体姿态检测试验背景

5．2 北斗姿态检测系统简介

5．2．1 北斗姿态检测装置

5．2．2 北斗姿态测量软件

5．3 姿态检测试验及数据分析

5．3．1 试验设备安装

5．3．2 试验数据分析

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果