專利名稱：一種基于gps載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型運(yùn)載體的一種實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量方法，特別是涉及的是一種基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法。
背景技術(shù)：
為了滿足不同應(yīng)用平臺(tái)對(duì)姿態(tài)信息的需求，目前已有大量的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備問(wèn)世，例如用于空間載體姿態(tài)測(cè)量的星敏感器、地平跟蹤器、太陽(yáng)敏感器、地磁儀等；用于為陸上或水下載體提供航向的磁羅盤(pán)、電磁羅盤(pán)；用于為各種飛行器、陸上運(yùn)輸設(shè)備、船舶、潛器、空間載體提供姿態(tài)信息的慣性器件等等。而這其中，星敏感器易受天氣、地形或者其它客觀因素的影響，不能實(shí)時(shí)地給出姿態(tài)或方位值；慣性導(dǎo)航設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，當(dāng)工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)慣性器件誤差會(huì)隨時(shí)間積累而引起測(cè)姿精度的降低。運(yùn)用GPS定位信號(hào)進(jìn)行載體姿態(tài)測(cè)量，只需要利用低成本的接收機(jī)即可以提供較高精度的姿態(tài)信息，以此來(lái)取代造價(jià)昂貴的傳統(tǒng)測(cè)姿設(shè)備，同時(shí)還可以完成運(yùn)載體的定位和授時(shí)，并且受環(huán)境的影響小，能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)姿任務(wù)。GPS載體姿態(tài)測(cè)量是利用安裝在載體固定位置上接收天線間的相對(duì)位置，以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)確定姿態(tài)角。具體實(shí)現(xiàn)方法是，利用載體上安裝的高精度定位系統(tǒng)作為基準(zhǔn)站，并在載體固定位置安裝三條(或多條)接收天線，運(yùn)用GPS信號(hào)測(cè)量天線與基站間的相對(duì)位置求出基線在WGS-84 (World Geodetic System-84)系下的坐標(biāo),根據(jù)已知的基線載體系下坐標(biāo)確定姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣最終求出姿態(tài)角。目前，GPS姿態(tài)解算算法主要是基于對(duì)定位結(jié)果的處理來(lái)獲取姿態(tài)角，將常用的數(shù)學(xué)估計(jì)方法應(yīng)用到姿態(tài)解算中，按解算結(jié)果分為求姿態(tài)矩陣和求歐拉角兩類。求解姿態(tài)矩陣的方法確定姿態(tài)角，是利用定位方程建立多顆衛(wèi)星以及多個(gè)歷元的定位方程組，通過(guò)求解超定方程完成基線坐標(biāo)的估計(jì)，利用基線在不同坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)估計(jì)出姿態(tài)矩陣，從而確定出姿態(tài)角。這一類方法中需要運(yùn)用數(shù)學(xué)估計(jì)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)基線坐標(biāo)解算以及姿態(tài)角的確定。常用的方法包括(I)根據(jù)基線在地理系與載體系的坐標(biāo)關(guān)系，利用姿態(tài)矩陣的正交性進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的TRIAD算法；(2)基于 Wahba 問(wèn)題的解算方法如 QUEST (QUaternion ESTimator)算法、FOAM (FastOptimal Attitude Matrix)算法、Euler-q 算法、SVD (Singular ValueDecomposition)算法等；(3)利用多歷元基線坐標(biāo)解算的最小二乘直接估計(jì)法；(4)利用偽距或載波觀測(cè)量以及載體系下基線坐標(biāo)，建立觀測(cè)方程估計(jì)姿態(tài)矩陣的方法。 姿態(tài)角的直接估計(jì)方法一般是利用已知的天線位置與旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角的關(guān)系，分步求解姿態(tài)角。包括使一條基線設(shè)置在載體的主軸方向，先求出偏航角和俯仰角，再利用第二條基線的旋轉(zhuǎn)關(guān)系求出橫滾角的兩天線測(cè)姿法；利用兩天線測(cè)姿公式確定偏航角和俯仰角，將另外天線經(jīng)兩次轉(zhuǎn)動(dòng)得到橫滾角的多天線測(cè)姿法?？偟膩?lái)講，GPS測(cè)姿中存在如下問(wèn)題1.運(yùn)用數(shù)學(xué)估計(jì)方法對(duì)姿態(tài)矩陣進(jìn)行估計(jì)中，并未直接得到姿態(tài)角結(jié)果，需要進(jìn)行多歷元的信息采集來(lái)完成最終姿態(tài)角計(jì)算，這一點(diǎn)一方面引入了進(jìn)一步估計(jì)誤差，另一方面也影響了姿態(tài)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。2.而運(yùn)用直接測(cè)量方法進(jìn)行姿態(tài)角測(cè)量，不需要對(duì)基線載體系坐標(biāo)，也不用計(jì)算姿態(tài)矩陣，但所有天線基線的載體坐標(biāo) 軸分量為零，坐標(biāo)構(gòu)成的矩陣不滿秩，會(huì)導(dǎo)致姿態(tài)結(jié)果不可靠，精度遠(yuǎn)不及數(shù)學(xué)估計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高估計(jì)過(guò)程精度，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)姿要求的一種基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法包括以下步驟(I)采用三個(gè)GPS接收機(jī)測(cè)量天線采集GPS衛(wèi)星信號(hào)獲取載波觀測(cè)信息%、Ψ'、φ2 ;以直角處O號(hào)天線的載波觀測(cè)信息作為基站信號(hào)；(2)選取公共的可視衛(wèi)星i，i = 1，2，"·，Μ，并以可視衛(wèi)星中仰角最大的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星(將其編號(hào)為1)，接收機(jī)獲取三天線載波觀測(cè)信息后，以基站天線觀測(cè)信息為基準(zhǔn)，分別將各天線相對(duì)同一可見(jiàn)衛(wèi)星的載波信號(hào)向基站信號(hào)作差獲取單差載波相位觀測(cè)量￠4，n=0，I, 2，然后對(duì)應(yīng)不同天線，將各衛(wèi)星單差載波信息向參考衛(wèi)星的單差載波觀測(cè)量作差得到雙差載波觀測(cè)量S1、￠4;(3)利用公式(I)所示載波觀測(cè)量與姿態(tài)角的關(guān)系式，建立姿態(tài)角解算方程
權(quán)利要求
1.一種基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法，其特征在于包括以下步驟(1)采用三個(gè)GPS接收機(jī)測(cè)量天線采集GPS衛(wèi)星信號(hào)獲取載波觀測(cè)信息％、φχ、內(nèi);以直角處O號(hào)天線的載波觀測(cè)信息作為基站信號(hào)；(2)選取公共的可視衛(wèi)星i，i= 1，2，···，M，并以可視衛(wèi)星中仰角最大的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，接收機(jī)獲取三天線載波觀測(cè)信息后，以基站天線觀測(cè)信息為基準(zhǔn)，分別將各天線相對(duì)同一可見(jiàn)衛(wèi)星的載波信號(hào)向基站信號(hào)作差獲取單差載波相位觀測(cè)量2，然后對(duì)應(yīng)不同天線，將各衛(wèi)星單差載波信息向參考衛(wèi)星的單差載波觀測(cè)量作差得到雙差載波觀測(cè)里爐10 'Ψτη ;(3)利用公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法，其特征是 所述的天線采用直角正交式布局，即構(gòu)成直角三角形平面，且安裝距離在IOm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法，其特征是 所述的姿態(tài)角解算方程計(jì)算流程為等號(hào)右邊整周模糊度已 I)由于公式
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于GPS載波雙差方程的姿態(tài)角直接求解方法。主要包括載波雙差方程建立、將載體姿態(tài)信息引入載波雙差方程中及利用非線性最小二乘解算姿態(tài)角。本發(fā)明本提供一種能夠有效減少或消除短基線公共誤差，實(shí)現(xiàn)高精度解算；將姿態(tài)角信息引入雙差方程中，能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)角的直接解算，極大的減小了中間估計(jì)誤差；運(yùn)用非線性最小二乘的方法估計(jì)姿態(tài)角，提高系統(tǒng)解算速度，完成姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)性解算，使本發(fā)明更加適合實(shí)時(shí)性載體姿態(tài)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01S19/54GK102998690SQ201210487249
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者程建華, 王晶, 榮文婷, 陳子謙, 陳岱岱, 陳世同, 吳磊, 羅彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)