多波束测深中多天线GNSS/INS松组合船姿测量算法及软件开发

摘要

多波束测深系统在国家海洋经济发展、海底地形调查中发挥着至关重要的作用，而高精度姿态是多波束进行精密水深测量的前提和保障。在实际测量中，船舶转弯、船速变化等因素均会对惯性导航系统(INS)获得的姿态造成影响，特别在岛礁等复杂环境下，测船必然面临非直线、加速等现象，为提高惯性导航系统姿态测量精度，常采用GNSS测姿作为参考，因此，研究GNSS/INS组合测姿方法及其在多波束测深中的应用具有现实意义。本文围绕多波束测深中多天线GNSS/INS松组合船姿测量算法进行了研究，内容主要包括GNSS姿态测量方法、GNSS姿态测量误差分析、GNSS/INS松组合测姿滤波算法和GNSS/INS测姿软件开发。本文主要研究内容和成果如下：　　(1)基于GNSS姿态测量的几何模型，仿真分析了基线长度、基线夹角对GNSS测姿误差的影响；设计海上四天线姿态测量实验，分别采用直接姿态解算方法、姿态解算的LS方法和TLS方法对船舶姿态进行计算，并与高精度的HYDRINS惯导姿态测量结果进行了对比分析。　　(2)构建了GNSS定位、测姿和多波束测深间的误差模型，利用牛顿迭代法实现了模型中非线性方程的数值解算，根据《GB12327-1998海道测量规范》等相关规范对多波束测深的精度要求，仿真分析了GNSS定位、测姿和多波束测深间的误差关系。　　(3)针对船舶加速时惯导测量的姿态信息存在系统误差的情况，实验分析了常规卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、基于M估计的抗差卡尔曼滤波剔除误差的能力，并验证了三种算法运用于GNSS/INS松组合测姿的有效性。　　(4)基于VS2012平台MFC框架开发了GNSS/INS组合测姿软件，该软件可采用不同的定位解算模式进行GNSS数据处理，基于实测数据与NovAtel-IE商业软件进行了对比，实验结果表明研发的测姿软件在PPK模式下姿态解算结果可靠。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 主要研究内容及组织结构

2 GNSS姿态测量方法

2.1.1 相关坐标系转换

2.1.2 GNSS姿态角解算

2.2 GNSS 姿态测量误差分析

2.2.1 姿态误差对测深影响

2.2.2 GNSS基线对测姿的影响

2.2.3 GNSS测姿对定位精度要求

2.3 LS 和 TLS 姿态估计方法

2.3.1 LS估计方法

2.3.2 TLS估计方法

2.3.3实例分析

2.4本章小结

3多天线GNSS/INS松组合测姿方法

3.1 松组合测姿模型

3.2松组合测姿滤波算法

3.2.2 离散线性KF滤波

3.2.3 扩展卡尔曼滤波

3.2.4 抗差 Kalman 滤波

3.3.1实验概况

3.3.2不同单系统测姿方式的测深结果分析

3.3.3 GNSS/INS松组合测姿实验

3.4本章小结

4多波束测深的GNSS/INS松组合测姿软件开发

4.1 GNSS/INS松组合测姿软件设计

4.2 GNSS数据后处理模块

4.3 GNSS姿态解算和组合滤波模块

4.4应用实例

4.4.1基线解算精度分析

4.4.2姿态解算精度分析

4.5本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

硕士期间主要成果与经历

致谢

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