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基于单历元解算的GPS定向技术研究

作 者: 陈晨
导 师: 茅旭初
学 校: 上海交通大学
专 业: 导航、制导与控制
关键词: 全球定位系统 方位角测量 载波相位差分 整周模糊度 解析解
分类号: P228.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


全球定位系统(Global Positioning System,GPS),能够全天候地向全球范围内具有适当接收设备的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息,并具有良好的抗干扰性和保密性,利用GPS载波相位技术来测量载体的姿态已经成为了GPS应用研究领域中的一个热门方向,该技术被广泛地运用于交通工具的定向、以及飞行器或舰船的姿态测量上。本论文主要研究工集中于GPS精确定向技术原理的研究和实现,具体内容如下:1.系统论述了GPS的基本原理,对利用TOF的伪距定位原理、载波相位差分姿态测量原理、导航电文信息等内容进行了介绍;讨论了GPS测量误差、测量精度等要点。2.深入探讨了利用GPS进行测量的三维姿态角定义、基线姿态角与载体姿态角的几何关系;并对各坐标系之间的相互转换、载体三维姿态角的计算方法进行了探讨与推导。3.查阅了国内外利用GPS载波相位差分技术进行方位解算方法。简要介绍了确定整周模糊度的一般流程与经典方法。提出基于双差解析的模糊度搜索方法来求解整周模糊度的方法,利用载波相位的双差观测量,根据组成双差的两颗卫星的相对位置矢量结合载体基线长度可以精确测量的特点,来计算双差整周模糊度的可能值。然后对由不同的卫星之间构成的双差载波相位方程的解析解取交集,从而完成定向功能。4.根据提出的双差解析的模糊度函数搜索方法原理,在VB环境下编写了GPS卫星数据采集与卫星位置解算界面。并编写Matlab程序,利用GPS卫星的双差载波相位作为观测量,实现以双差解析的模糊度搜索方法作为基线姿态角真值的搜索策略,在双差模糊度候选解的剔除的判断标准方面进行了探讨分析与比较。5.利用所提出的算法,开展了GPS单基线姿态测量实验。实验结果表明,在基线长为2米左右的情况下,使用单历元数据解算载体航向角,其测量精度在0.15°左右。针对实验结果以及算法性能,对定向精度、算法的计算量、以及初始化时间等进行了分析,论证了其可用性和可行性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 引言  10-11
  1.2 研究的背景和现状  11-12
  1.3 研究内容与方法  12-13
  1.4 本文的工作和内容安排  13-14
第二章 GPS 系统概述  14-30
  2.1 引言  14-15
  2.2 GPS 导航系统的组成  15-18
    2.2.1 空间卫星星座部分  15-16
    2.2.2 地面控制部分  16-17
    2.2.3 用户接收设备  17-18
  2.3 GPS 轨道参数和导航电文  18-21
    2.3.1 GPS 卫星的轨道参数  18-19
    2.3.2 GPS 卫星导航电文格式  19-21
  2.4 GPS 定位原理简介  21-26
    2.4.1 伪距定位原理  21-25
    2.4.2 载波相位观测方程  25-26
  2.5 GPS 载波测量误差分析  26-29
    2.5.1 卫星时钟误差  26-27
    2.5.2 星历预测误差  27
    2.5.3 相对论效应  27
    2.5.4 大气层效应  27-28
    2.5.5 接收机噪声和分辨率  28
    2.5.6 多径效应和遮挡效应  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章 GPS 三维姿态测量原理  30-41
  3.1 引言  30-31
  3.2 坐标系定义与变换矩阵  31-36
    3.2.1 常用坐标系  31-35
    3.2.2 GPS 坐标系之间的相互转换  35-36
  3.3 三维姿态角的定义与求解  36-40
    3.3.1 三维姿态角的定义  36-37
    3.3.2 三维姿态角的求解  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 GPS 载波差分定向的关键技术与具体实现  41-58
  4.1 引言  41-42
  4.2 整周模糊度求解的一般流程  42-45
    4.2.1 模糊度的估计  43-44
    4.2.2 模糊度的搜索  44-45
    4.2.3 模糊度的确认  45
  4.3 基于载波相位双差的改进模糊度搜索算法  45-57
    4.3.1 算法思想与推导  46-52
    4.3.2 载波相位差分定向流程  52-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章 GPS 载波差分定向测量实验与结果分析  58-72
  5.1 GPS-OEM 板数据参数与性能分析  58-60
  5.2 卫星位置计算及数据采集软件的实现  60-64
    5.2.1 卫星位置计算  60-62
    5.2.2 伪距修正  62-63
    5.2.3 数据采集与卫星位置计算的软件界面  63-64
  5.3 GPS 定向实验与数据分析  64-70
    5.3.1 静态定向实验  64-69
    5.3.2 数据分析  69-70
  5.4 定向实验中的其他问题  70-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章 总结与展望  72-75
  6.1 本文总结  72-73
  6.2 后续工作及研究方向  73-75
参考文献  75-78
攻读硕士期间已发表或录用的论文  78-79
致谢  79-81

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 卫星大地测量与空间大地测量 > 全球定位系统(GPS)
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