GPS整周模糊度及其在姿态测量中的应用研究

摘要

利用载波相位观测量对载体姿态进行测量是GPS应用的一个新领域。GPS测量姿态不仅成本低，而且可以提供较高的精度，满足一般载体的需要。由于GPS本身具备了导航定位的能力，GPS姿态测量系统在航路导航、精密着陆、自动驾驶等方面可以广泛应用。因此，GPS姿态测量具有巨大的应用潜力，是一个新的姿态测量发展方向。 本文在CPU1.70GHz，内存256M，操作系统为Windows XP的环境下，利用MATLAB 7.0软件编程，重点研究分析并仿真实现了确定整周模糊度算法及GPS姿态测量算法。 本文完成的主要工作包括整周模糊度搜索算法的仿真实现和GPS单历元单频测姿算法的设计和仿真实现。整周模糊度搜索算法方面，基于LAMBDA算法和MLAMBDA算法的理论基础，利用MATLAB编程，仿真实现这两种搜索算法，并从去相关处理、运行时间和成功率三个方面对它们进行性能分析。结果表明：在成功率相当的情况下，MLAMBDA算法去相关效果更佳，各过程运行时间均更短，从而提高确定整周模糊度的效率。GPS测姿算法方面，设计了一种单历元单频测姿算法，采用L1载波，将LAMBDA算法和MLAMBDA算法应用于其中，并利用MATLAB编程，仿真实现了整个单历元单频测姿算法过程。首先，分析了RINEX数据交换格式，完成了从实际的卫星星历数据中对姿态测量算法所需关键数据的读取。其次，仿真出七颗卫星的位置。再次，采用伪距观测量C/A码，通过将伪距观测方程微分并线性化，迭代计算出接收机位置。接着，研究了最佳星座选择原则，实现了卫星高度角计算和GDOP因子选星，并仿真出接收机和选择的四颗卫星的位置。之后，根据选择的主星辅星完成载波相位双差方程的建立，引入LAMBDA算法和MLAMBDA算法分别完成整周模糊度的确定，并给出它们的各过程运行时间，由此验证了在整周模糊度的确定一章中得到的结论。最后，完成了基线矢量的解算，计算出单历元时刻姿态角中的航向角和俯仰角，并分析解算连续十个历元姿态角的精度，得出了该单历元单频测姿算法具有较好精度的结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2 GPS姿态测量系统的历史与发展现状

1.3论文内容安排

第2章GPS载波相位测量定位技术

2.1 GPS系统的组成

2.1.1空间星座

2.1.2地面监控

2.1.3用户设备

2.2 GPS测量的基本观测量

2.2.1伪距观测量

2.2.2载波相位观测量

2.3载波相位测量原理

2.3.1载波重建

2.3.2载波相位测量原理

2.4载波相位测量定位原理

2.4.1时间归算

2.4.2载波相位测量的基本观测量

2.4.3载波相位测量的观测方程

2.4.4载波相位测量观测方程的线性化

2.5载波相位测量相对定位

2.5.1单差相位观测值相对定位

2.5.2双差相位观测值相对定位

2.6本章小结

第3章整周模糊度的确定及仿真实现

3.1确定整周模糊度的流程

3.2整数最小二乘估计法

3.3 LAMBDA算法

3.3.1 LAMBDA的缩减过程

3.3.2 LAMBDA的搜索过程

3.4 MLAMBDA算法

3.4.1改进的缩减过程

3.4.2改进的搜索过程

3.5两种算法的仿真实现

3.5.1构造输入数据

3.5.2去相关后的协方差矩阵

3.5.3固定解

3.6两种算法的性能分析

3.6.1去相关处理

3.6.2运行时间

3.6.3成功率

3.7本章小结

第4章GPS姿态测量算法及仿真实现

4.1参考坐标系

4.1.1地心惯性(ECI)坐标系

4.1.2地心地固(ECEF)坐标系

4.1.3站心坐标系

4.1.4载体坐标系(BFS)

4.2坐标系间的转换关系

4.2.1 ECI坐标系和ECEF坐标系的转换

4.2.2地心地固两坐标系的转换

4.2.3 WGS-84坐标系和当地水平坐标系的转换

4.2.4站心直角坐标系和站心极坐标系的转换

4.2.5当地水平坐标系和载体坐标系的转换

4.3姿态测量方案

4.4.姿态测量算法及仿真实现

4.4.1卫星星历数据

4.4.2卫星位置计算

4.4.3接收机位置计算

4.4.4卫星高度角计算

4.4.5 GDOP因子选星

4.4.6选择主星

4.4.7建立载波相位双差方程

4.4.8确定整周模糊度

4.4.9求解姿态角

4.5精度分析

4.6本章小结

第5章总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文