基于DSP的GPS/SINS组合姿态测量关键技术研究

摘要

GPS与SINS单独工作时都存在一定的限制，而两者的组合具有导航性能优越、动态性能好、可靠性好、抗干扰性强等特点，利用GPS/SINS组合导航系统进行姿态角测量，有着重要的研究价值和应用前景。本文研究内容主要包含以下几个方面:
　　在第二章中，首先重点介绍了GPS卫星导航系统的工作原理，详细推导了GPS载波相位观测方程及其差分方程，阐述了GPS应用于姿态测量的原理并推导了相关公式。其次，本章介绍了INS基本原理，并重点阐述了四元数法解算姿态矩阵的方法和特点，介绍了INS解算载体姿态的相关理论，为后续章节打下了理论基础。
　　在应用GPS载波相位进行姿态测量时，关键问题在于初始整周模糊度的确认。本文第三章介绍了整周模糊度解算的相关算法，对研究热点基于模糊度域的解算方法进行了详细的公式推导和理论阐释，对该方法中关键的模糊度搜索部分进行了更深入的研究，针对性选取了基于遗传和Lambda算法进行模糊度搜索，详细阐述了相关原理并进行了公式推导，通过实际数据进行了仿真运算，并验证了Lambda算法的优越性。
　　在第四章中，介绍了GPS姿态测量中整周跳变的问题及其相应解决方法，针对该问题，提出了在GPS姿态测量中基于基线限定条件下快速探测和修复周跳的新方法。此外，本文建立了GPS三天线姿态测量方案，并通过对实际三天线数据的处理，验证了基于载波相位数据测量姿态的优越性，指出了基线误差对姿态测量精度造成的直接影响以及利用单GPS系统进行姿态测量的局限性。
　　最后，在论文的第五章中，介绍了GPS/SINS松组合导航系统及卡尔曼滤波，设计了组合姿态测量系统，并做了具体的实验验证，通过对实验数据的处理和结果分析，验证了组合姿态测量系统的优越性。将组合姿态测量算法进行了DSP实现，并对结果进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及章节安排

第二章 姿态测量技术

2．1 GPS概述

2．1．1 GPS的组成

2．1．2 GPS信号

2．1．3 GPS基本观测量

2．2 GPS载波相位测量原理

2．2．1 GPS载波相位观测量

2．2．2 载波相位观测方程

2．2．3 GPS差分技术

2．3 GPS姿态测量原理

2．3．1 GPS测姿的三种坐标系及其转换

2．3．2 GPS测姿方法

2．4 INS概述

2．5 INS解算载体姿态

2．5．1 INS常用坐标系

2．5．2 INS解算姿态的方法

2．5．3 四元数法解算姿态信息

2．6 本章小结

第三章 初始整周模糊度的确认

3．1 整周模糊度快速求解技术

3．2 参数估计的最小二乘方法

3．2．1 最小二乘估计

3．2．2 加权最小二乘估计

3．3 基于最小二乘估计确定整周模糊度

3．4 基于遗传算法的整周模糊度搜索

3．4．1 适应度函数

3．4．2 设计遗传算子

3．4．3 确定遗传算法有关参数

3．5 基于lambda算法的整周模糊度搜索

3．5．1 模糊度去相关

3．5．2 模糊度固定解搜索

3．5．3 模糊度反变换

3．6 仿真结果与比较

3．6．1 遗传算法仿真结果

3．6．2 Lambda算法结果

3．7 本章小结

第四章 GPS姿态测量方案的建立与实现

4．1 整周跳变的探测和修复

4．2 利用小波变换探测周跳

4．2．1 小波变换原理

4．2．2 利用小波探测周跳原理

4．3 基于基线限制的条件下快速探测与修复周跳

4．4 GPS三维姿态测量方案的建立及分析

4．5 本章小结

第五章 组合姿态测量技术研究和DSP移植

5．1 SINS／GPS松组合系统

5．1．1 卡尔曼滤波原理

5．1．2 姿态误差建模

5．1．3 松组合姿态测量系统状态方程和量测方程

5．2 组合测量系统设计与实验验证

5．2．1 组合姿态测量系统设计

5．2．2 组合姿态测量系统的实验验证

5．2．3 组合姿态测量系统实验结果与分析

5．3 基于DSP的算法移植

5．3．1 DSP的选型

5．3．2 数据读取

5．3．3 CMD文件配置

5．3．4 代码优化

5．3．5 结果验证

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的学术成果