BDS/GPS姿态测量方法研究

摘要

随着卫星导航系统性能的提升，利用卫星导航系统进行载体的姿态测量已成为卫星导航系统应用中十分重要的一个分支，在陆、海、空、天多个领域均有广泛应用，包括无人机飞行姿态控制、坦克火炮系统和导弹的指向瞄准、雷达天线的照准等军事应用和港口龙门塔吊姿态实时监控、大跨度桥梁姿态实时监控、工业机器人姿态实时监控、工程车辆姿态实时监控等民用。与传统惯性导航系统相比GNSS姿态测量系统具有结构简单、精度稳定、无误差积累、固体化和体积小、价格低廉、集成度高等特点。然而，单一系统卫星数量有限，成为限制GNSS姿态测量系统的性能的重要因素。将北斗和GPS进行组合解算，能够充分利用两个系统的卫星资源，实现优势互补，提高姿态测量系统的精度、可用性以及安全性。但是，双系统丰富的卫星资源带来的解算效率的损失，给实时姿态测量造成了困扰。如何提高姿态解算的实时性已成为GNSS姿态测量应用中亟待研究的问题。本文围绕利用GNSS进行姿态测量的理论及方法，着重研究了BDS/GPS组合单历元姿态测量过程中整周模糊度的在航解算方法和实时性提高方法。编制了相关程序，对GNSS姿态测量技术相关算法进行了验证分析。
　　本研究主要内容包括：⑴回顾了世界上主要卫星导航系统的发展历程及现状；总结了多卫星导航系统融合解算算法的研究现状以及目前存在的若干问题；介绍了多频组合观测量理论的研究现状和成果；阐述了载体姿态测量的意义以及GNSS姿态测量的研究现状。⑵介绍了姿态角的表示方法和GNSS姿态测量过程中涉及到的坐标系统；总结了GNSS原始观测量、适用于姿态测量的差分观测量和组合观测量模型；分析了姿态测量过程中受到的主要误差项及处理方法；理论推导了接收机天线布局对姿态角解算精度的影响，基线越长姿态角精度越高，且横滚角精度与两条基线夹角大小相关，在两基线正交时精度最高；简要介绍了 GNSS姿态测量的主要步骤及精度、可靠性评价指标 BRMS和MRMS。⑶阐述了BDS/GPS组合姿态测量的时空基准统一和组合测量数学模型，实验结果表明双系统组合能够在精度和可用性方面均有改善；设计了一种适用于BDS/GPS组合姿态测量的动态选星算法，在精度损失不大的情况下，增强了解算实时性；介绍了附加基线长度约束的LAMBDA算法，在模糊度解算过程中能够有效提高解算成功率及正确率，尤其对于单系统单频数据解算，效果明显；提出了一种顾及伪距多路径改正的三频模糊度解算算法，实测数据表明该算法与LAMBDA算法解算精度相同，解算时间比双频和三频数据通过LAMBDA算法解算分别节约50％和60%左右。⑷对比了姿态角解算的四种常用算法，分别编程实现并利用实测数据进行了姿态角解算精度对比，直接法和TRIAD算法获得相同精度，ATRIAD和QUEST算法得到相近的精度，与主流定向精度相当；利用实测数据分析了不同频点进行姿态测量的性能，单频解算成功率不足，双系统组合单频姿态测量能够实现较高的精度和成功率；将三维无约束平差引入三天线姿态测量解算模型中，提高姿态角解算的精度和可靠性；解算车载三天线数据，在BRMS阈值10cm、MRMS阈值1cm和Ratio阈值为3的情况下，姿态角解算成功率达到92%。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及现状

1.2 本文主要研究内容

第二章 GNSS姿态测量的数学模型

2.1 姿态角表示方法

2.2 坐标系统

2.3 GNSS观测量

2.4 GNSS姿态测量的观测模型

2.5 GNSS姿态测量的主要误差项

2.6 天线布局及长度对姿态角的影响

2.7 GNSS姿态测量的评价指标

2.8 GNSS测姿基本流程

第三章 GNSS姿态测量的关键技术

3.1 BDS/GPS组合姿态测量

3.2 GNSS测姿动态选星算法

3.3 载波相位模糊度的在航解算

第四章 GNSS姿态测量的结果分析

4.1 姿态角解算方法

4.2 不同频点及频点组合观测数据测姿能力研究

4.3 基线结果平差

4.4 动态实验

第五章 总结及展望

致谢

参考文献

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