基于GPS的嵌入式船舶测姿系统关键技术研究

摘要

利用GPS载波相位进行载体姿态测量是近几年来新发展起来的一项GPS应用技术，具有全天候、精度高、无需对准、无累计误差、成本低等优点，正越来越多的应用于航天、航海等行业并逐步取代传统的姿态测量方式。该系统通过对安装在同一载体上的多个GPS天线接收到的载波相位进行差分处理，实时求解得到载体的两维或三维姿态角。
　　 整周模糊度快速搜索和周跳探测与修复是基于GPS船舶姿态测量系统的两大关键技术。本文从GPS载波相位差分技术、载波相位测姿原理、周跳探测与修复算法和整周模糊度搜索算法等几方面对载体姿态测量进行了介绍，特别对关键技术方面进行了深入研究，设计并实现了基于GPS OEM板卡的船舶测姿系统，并对影响系统测量精度的各误差源进行了分析。
　　 针对现有整周模糊度搜索算法存在搜索时间长、解算正确率低等问题，结合Kalman模型和基线长度等限制条件对LAMBDA算法进行了改进与优化，并采用基于冗余度法对实时数据进行周跳探测与修复，有效的缩短了模糊度搜索时间、提高了成功率和系统的可靠性，对GPS测姿系统商业化具有重要意义，整个系统基于嵌入式ARM+DSP平台实现。
　　 通过大量动态和静态仿真实验测试，结果表明所设计的基于GPS的实时测姿系统，在基线为0.5米左右的情况下，所测航向角的测量精度为0.3°，俯仰角或横滚角的测量精度为0.5°，满足实际应用要求。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究的现状及动态

1.3 论文的主要工作和内容安排

2 GPS系统及其基本观测量

2.1 GPS系统概述

2.1.1 GPS系统组成

2.1.2 GPS信号结构

2.2 GPS误差分析

2.3 GPS测量的基本观测量

2.3.1 伪距观测方程

2.3.2 载波相位观测方程

2.4 本章小结

3 基于GPS的船舶测姿基本原理

3.1 船舶姿态角定义

3.2 坐标系及转换

3.2.1 常用坐标系

3.2.2 GPS测姿坐标变换

3.3 船舶测姿基本原理

3.4 本章小结

4 系统总体方案设计

4.1 系统主要硬件及功能简介

4.2 数据采集与处理

4.3 系统软件流程图

4.4 本章小结

5 系统关键技术研究

5.1 周跳探测与修复算法研究

5.1.1 多项式拟合法

5.1.2 伪距\载相组合法

5.1.3 基于冗余度的周跳探测与修复算法

5.2 整周模糊度求解

5.2.1 LAMBDA算法

5.2.2 改进的LAMBDA算法

5.2.3 算法性能分析

5.3 本章小结

6 系统实验结果与讨论

6.1 船舶测姿系统调试

6.2 实验结果与分析

6.2.1 静态基线测量

6.2.2 动态基线测量

6.3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果