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GPS姿态测量分析系统设计

2020-04-12 来源:步旅网
第29卷第3期 文章编号:1006—9348(2012)03—0090—05 计算机仿真 2012年3月 GPS姿态测量分析系统设计 程建华 .袁书明 (1.哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;2.海军装备研究院舰船所,北京100073) 摘要:研究导航系统定位优化问题,GPS载波相对定位进行载体姿态测量会受到信号传播误差、天线布局、姿态信息解算方 法等因素的干扰,从而导致测姿精度下降。为了有效分析各种干扰因素对测姿系统影响程度,采用GPS载波相位双差定位 和直接求解姿态矩阵算法,设计了GPS姿态测量分析系统,开发出能综合分析GPS测姿系统性能的分析软件,并通过实例 进行了仿真。仿真结果表明,系统能完成GPS测姿系统定位性能优化的有效性。 关键词:姿态测量:系统误差分析:载波相位;软件设计 中图分类号:TP301.6 文献标识码:B Design of GPS Determination Analysis System Based on Carrier Phase Differential Technique CHENG Jian—hua .YUAN Shu—ming (1.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin Heilongjiang 150001,China; 2.The Research Institute of Ships,Navy Academy of Armament,Beijing 100073,China) ABSTRACT:The accuracy of GPS attitude determination by carrier phase can be influenced by signal transmitting errors,aerial configurations,attitude calculation errors and other factors.For analyzing the degree of the disturbers in the attitude determination system,this paper designed a GPS determination analytic system based on algorithm of car— rier phase differential positioning technique and direct attitude solution method.The whole software frame,the main function and the design method were given,and the software correctness was certified by comparison simulation. Computer simulation shows that this system can analyze the characteristic of GPS determination system effectively. KEYWORDS:Attitude determination;System error analysis;Carrier phase;Software designation 1 引言 GPS载波相位测量通过测量载波相位变化实现测距的 目的,其精度大大高于码伪距测量精度,且不受精码(P码或 Y码)保密的限制,因而成为GPS高精度定位的主要方法…。 GPS载体姿态测量系统通过确定载体上GPS天线间的 设计及使用过程中避免或解决误差因素的影响,对于提高姿 态解算精度具有重要的实际研究意义。 目前,针对误差对测姿结果影响程度进行了大量的理论 分析,但没有形成具体的分析软件设计。本文针对GPS姿态 测量技术的关键技术,设计了GPS载波相位差分的姿态测量 相对位置,从而实现载体姿态参数的测量。由于GPS载波相 位在测量精度方面的优势。使得利用该技术实现的载体姿态 测量系统不仅能提供高精度的位置、速度等基本信息,还能 提供高精度且不随时间发散的姿态信息l2]。 分析系统,能自动完成原始测量数据的GPS姿态信息解算、 误差因素分析及姿态测量算法的验证等功能。 2 GPS载体姿态信息原理 GPS载体姿态测量是基于超短基线下的定位解算。旨在 测量出三维基线矢量。从而得出载体的姿态角信息。测姿点 然而,在利用GPS进行姿态测量过程中,接收机本身的 误差、姿态算法的误差,以及信号传播过程中受到的星历误 差、大气层折射、多路径误差的影响,导致GPS测姿精度下 降_3]。因此,对影响姿态解算精度的因素进行深入分析,在 定位信号的相关性相对较高,采用一般的单点定位方法会使 姿态结果具有很大误差。利用载波相对定位可以有效的减 小定位信号中的公共误差,能够满足GPS载体姿态解算的特 殊需求 基线矢量测量原理图如图1所示。 基金项目:国家自然科学基金(61104036,60974104);中央高校科研业 务费专项资金(HEUCF110401) 如图1中所示.基线矢量的求取方法采用相对定位原 收稿13期:2011—07—18修回日期:2011—09—24 —理、这样无需测量天线的精确位置即可完成姿态角的计算。 90一 图1 姿态测量中基线原理图 2.1 双差相位观测值相对定位 由于在观测过程中受到卫星误差、电离层、对流层等误 差的影响,导致载波相位测量绝对定位精度不高,如式(1)所 示的接收机k对卫星S的载波相位测量的观测方程 4]: △ (‘) p( ) ( ) t唧( )] f1) fSt (t)一fst (t)一 式中,6 (t)一接收机钟差, (t)一卫星钟差, (t)一电 离层延迟,4o (t)一对流层延迟。 1)单差相位观测值相对定位 设两个接收机观测点k 和k ,于t时刻同步观测同一颗 卫星S,载波相位观测值分别为△ (t)和△ (t),将两站观 测值作差,由式(1)可得单差相对观测值△ (t): △ 2(£)=寺【 ( )一 (£)] 寺【 一 ]一 , tNi—Ni】 々[ 2-fl (f)一 1,tiop(t)]+ /’[&2(t)一 (t)] (2) 由(2)式可知,单差形式消除了卫星钟差的影响。而且 当两个观测点距离较近时.可认为卫星轨道误差、电离层延 迟等近似相等,经两站做差,可以忽略不计。 2)双差相位观测值相对定位 设两个接收机观测点k。和k,,t时刻选取一颗参考卫星 s ,与其它卫星 的单差观测值作差,构成双差观测值 △ (t): △ (t)=[(△ (t)一△ (t))一(△ (t)一△ ( ))] = _f[p (f)一 (£)一p (£)+ (t)]一 [ 一 一 + ] (3) 由式(3)所示的双差观测值方程中可以看到,双差模式 不仅消除了卫星钟差,而且还消除了站间钟差,降低了方程 的阶数。 由此可知,采用相对定位可有效消除或减弱各种误差的 影响,能够达到很高的精度。而双差观测模型的位置参数个 数比较少,解算过程也比较简明,因此载波相位测量相对定 位一般都采用双差模型。 2.2 直接求解姿态矩阵算法 采用GPS载波相位观测相位差或相对定位仅完成了 GPS测姿的第一步工作,GPS测姿系统还需根据观测相位差 或相对定位结果完成运载体姿态解算。相比较基于矢量观 测或最优估计的姿态解算方法,直接解算姿态矩阵法,利用 坐标系相对关系求解姿态矩阵,算法容易实现。且计算精度 也能满足实际需求 ] 如图1所示,A△ =一e・ =I l・cos0。其中,△ 为 t时刻载波相位双差定位观测值,将其代人式(3)中,得到: e ・6=A・(△ (t)+△ ) (8) 式中,△心=[ 一 一 + ]。 设t时刻两个接收机能同时观测到 颗卫星可用.则可 以构成17,一1个双差观测方程,通过计算卫星高度角,选取第 i颗卫星为主星,写成矩阵形式为: △ : (t) ANJl 6:A △ (t) △ .+A (9) ● : △ (t) △ 由式(9)可知,一旦确定整周模糊度,就能够解算出基 线向量b。 根据坐标变换原理和姿态矩阵的定义 6].分别将当地水 平坐标系依次绕 轴、 轴、 轴转动Y(偏航角)、p(俯仰 角)和r(横滚角)角度,可得姿态矩阵: R =R(r) R(P) R(Y) (10) 由于基线在当地水平坐标系和载体坐标系中的坐标存 在如下关系: b =R(r)yR(P) R(Y)zb (11) 获取m组坐标数据后,可以组成如下方程组: b b b =R(r),R(P) R(Y): (12) ● ● : : 6 6: 根据式(12),可以通过最/j ̄--乘法解得姿态矩阵 (r),R(P) R(y) ,再根据(10)式可解得姿态角: P=sin—R23 ] Y=cos (R22/cosp)} (13) r=cos (R”/cosp)J 其中,b 可以通过事先的精密测量,b 则由载波相位差 分方程(9)求取。 一91— 3 姿态测量分析系统的设计 GPS姿态测量系统需能自动完成原始测试数据的实时 解算、误差因素分析及姿态测量算法的验证等功能。根据设 计需求,系统软件由初始信息设置、导航解算设置、文件导入 读取、DOP值信息、定位解算及文件处理、周跳的探测与修 复、信息显示及查询组部分组成,总体软件结构如图2所示。 见测文件 初始信息设置 l导航解算设置 星历文件 土 土 土 土 卫 D星 O  簋 伪 模 载 基 解 导 星 距 糊 波 线 算 航 委 位 P置 值  差 度 相 矢 结 信 分 的 位 量 果 息 蒺 计 计 算 算 藿 定位 解 差 解 存 算 分 算 储 查  询 釜 l j : : l l 解算结果显示 f 解算结果存储 图2 GPS姿态测量分析系统总体软件结构 3.1数据结构设计 针对卫星导航数据处理数据量大、结构复杂、数据处理 效率要求高等问题,系统设计采用链表结构进行数据信息的 处理及存储。 导航数据类定义星历接收历元的GPS时和同一时刻收 到的卫星轨道参数链表,该链表存入一颗卫星的轨道参数结 构体指针。链表最大节点数定义为32,导航数据的存储结构 如图3所示。 导航数据 导航数据 导航数据 …表佃一.回…圃・ 向圃…・圃 …・ I I I  ;V V V 卫星轨道参数 卫星轨道参数 卫星轨道参数 圈3导航数据的存储结构 周跳链表存储卫星编号、周跳发生的历元、周跳发生的 卫星数量、周跳值等。通过周跳链表存储的信息查询发生周 跳的正确位置.将计算后的正确值对原载波相位值进行替 换,实现修复。 一92— 3.2代码的复用及数学运算 考虑到系统各子模块之间的关联性,并为了快速构建整 个程序和实现代码复用,系统软件采用了基于ATL创建 COM组件的方法。不仅提高了系统代码的高效、简洁性.而 且大大方便了后续新模块的嵌入和衔接。 在程序运程过程中,由于涉及矩阵相关计算和图形绘 制,因此使用MATCOM工具实现VC++调用MATLAB功能 的结构,在vc++环境进行相关的配置,从而实现MATCOM 与VC混合编程,利用MATCOM强大的数学运算和便捷的图 形实现功能方便分析系统软件设计[7]。 3.3系统软件功能设计 为了充分研究分析GPS姿态测量系统的关键技术.更好 的完成算法验证及误差分析.软件设计的主要功能如下: 1)数据文件读入及文件类型过滤 导航解算需导人的数据文件包括观测文件和导航文件, 为方便数据处理并兼容不同型号的接收机完成数据读入.系 统实现并支持RINEX格式的观测和导航文件。同时,在数 据读人过程中.根据文件头的相关信息判断数据的数据类 型,并将读取结果进行显示提示。 2)导航解算的仿真 在导航解算上,提供GPS伪距单点定位、伪距差分定位、 载波相位差分定位、基线姿态信息解算等功能。并可根据观 测值类型、任务模式、输出形式、卫星仰角设置、基线模式、 BOP值等选择不同的模式。解算结果输出包括直角坐标系 和大地坐标系.基线模式包括单基线和双基线,DOP值提供 曲线显示。 3)周跳的探测与修复 通过对观测文件形成副本文件,在副本中进行周跳探测 与修复的方式。在探测与修复的方法上,采用基于拟合思想 的周跳探测与修复方法 j,周跳探测后可直接输出发生周跳 的历元信息、载波信息等,周跳修复直接对副本文件进行修 复工作,完成后直接输出程序运行的时问信息,周跳修复的 结果。如果是双频观测值类型,也可以有选择行的对IJ1载 波或者I2载波进行修复或者全部修复。 4)误差因素分析 提供不同的GPS定位方式、周跳、基线长度、卫星几何分 布、天线安装等主要因素对GPS测姿精度的影响分析功 能 。 5)信息的显示与查询 导航解算后系统自动生成结果文件,并提供文件查看功 能.根据导航解算选择性打开结果文件,查看结果。 显示文件数据头的时间信息、采样信息以及程序运行的 占用时间,通过进度条的形式直观显示程序运行的进度。解 算结果的信息可以显示在信息栏,包括GPS时间、解算结果 的三维坐标、姿态信息等。 根据图2所示的软件结构,所设计的GPS姿态测量系统 分析软件界面如图4所示。 图4 GPS姿态测量分析系统软件界面 4软件功能正确性仿真验证 4.1周跳对基线姿态解算影响仿真 实验数据观测10分钟,共有12000个历元,周跳情况未 知.卫星仰角设为5。。基准站观测文件和流动站观测文件分 别提供了各自的概略坐标,由此可以大致估算基线长度。其 坐标分别为:基准站:(一2484539.4373,4156204.9506, 4137463.2420):流动站:(一2489270.9709,4153843.8382, 4137314.9540).仿真结果如图5所示。 载波相位姿态解算(卫星仰角5o) GPS时间,B 44. 82 耋“・928 誊 图5周跳对姿态角解算影响的比对仿真曲线 由图5中曲线1可知,当基准站某个观测历元存在周跳 时.直接导致俯仰角和偏航角解算结果发生跳变,产生姿态 检测误差。但由于基长较长,周跳对姿态角精度的影响只在 10。度级之内。曲线2由于对周跳进行了修复,基线姿态结 果得到了明显的改善。因此,及时发现观测值中的周跳并进 行及时准确修复.对于GPS载波相位姿态测量系统来说具有 。非常重要的意义。 \般《鹰 4.2基线长度对姿态解算影响仿真 用长基线(5291米)和短基线(9米)两种情况进行仿 真.得到如图6和图7所示的仿真结果。 载波相位姿态解算(卫星仰角5。) l l ● I ● ● ● ● t ● _ ● 艘 ● ● ● ~ … ………J・・-・・・・・………・‘ 肇 喾 : ; i : } l GP¥时间/| 图6长基线下姿态解算结果 载波差分定位方式(卫星仰角t 5。) G'PS时间,8 :: ::: 、,/ GP¥时间,8 图7短基线下姿态解算结果 从图3和图4的仿真结果可知,长基线条件下姿态角的 解算精度明显要优于短基线。这与GPS测姿系统精度与基 线距离的对应关系是相符合的。 4.3定位方式比对仿真研究 以伪距单点定位、伪距差分定位和载波相位差分定位三 种方式进行比对仿真,得到如图8所示的比对仿真结果。 由GPS定位精度分析可知,伪距差分法精度优于伪距单 点定位,而载波相位差分相对定位优于上述两种。图8给出 了三种定位方式中X坐标的定位比对结果与定位精度分析 结论是相符的。 5结论 通过对基于载波相位差分定位的GPS测姿系统的深入 分析和研究,设计了GPS姿态测量分析系统。该系统不仅具 有GPS测姿算法、原始数据比对仿真、周跳探测与修复、误差 因素分析等功能,而且具有良好的人机交互和便捷性,为用 户对高精度GPS姿态测量系统的分析提供了很大的方便,仿 真环节证实了该软件的正确性和实用性。误差因素分析和 一93一 伪距单点定位(卫星仰角5o) 刘瑞华。张鹏.基于改进LAMBDA算法的GPS载波相位测姿 技术研究[J].航天控制,2010,(3):98—102. 杨铁军.GPS实时姿态测量技术与多径误差研究『D].电子科 宴 剖】( 789 船 船 拈 档● 1 79 1 791 1.792 1.793 1.794 1 795 1 796×10’ 技大学硕士学位论文.2003:18-20. 郑庆晖,张育林.GPS姿态测量的载波相位整周模糊度快速解 GPS时间,l 10 蜷 胥{ × 伪照差分定位(卫星仰角5a) 算[J].航空学报,2002,(3):113—116. 周亢.闫建国,屈耀红.全角度姿态角解箅方法研究与仿真 [J].系统仿真学报,2009,(6):1697—1700. 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版辛十, 2009:112-116. 载波相位差分定位(卫星仰角5。) 戚科骏.宰金珉.梅国雄.c++和Matcom混合编程在数值计算 委 GPS时间/s 编程的应用[J].南京建筑lT程学院学报,2002,(4):32—35. 程建华,董建明.丁继成.一种有效的GPS周跳探测与修复方 法研究[J].传感器与微系统,2010,(9):70—73. 王立红.郝继平.汤云.基于最小二乘法的GPS多天线测姿及 图8不同定位方式的定位精度比对仿真 精度分析[J].测试技术学报,2007,(1):330—332. 姿态算法验证等功能的引入,拓展了软件的应用,使其具有 较高的工程应用价值。 参考文献: ]j[作者简介] 程建华(1977一),男(汉族),山东莱阳人,博士,副 研究员,硕士生导师,主要研究领域:惯性导航及定 位技术,卫星导航系统技术,计算机仿真; i 1J ] i 1j 一 [1]许江宁,朱涛,卞鸿巍.GPS姿态测量技术综述[J].海军1二程 大学学报,2003,(3):17—22.  袁书明(1965一),男(汉族),安徽砀山人,博士,高 级工程师.主要研究领域:船舶导航论证和技术研究 工作。 (上接第70页) 有效估计出e 。快速算法中,第一位置时能快速估出s ,s , 通过引入第二位置,在快速估出£ 的同时,提高了£ ,s 估 计精度。说明两种方法均能对x,y轴陀螺进行有效标定,标 定精度相当,时间上快速算法明显优于常规算法,同时快速 算法能对z轴陀螺进行标定,而常规算法在短时间内却不 行 汪滔,等.基于转动的光纤陀螺捷联系统初始对准研究[J]. 压电与声光,2007,29(5):519—522. 钱伟行,等.基于转动的SINS初始对准方法研究[J].宇航学 报,2008,29(3):928—932. 高伟熙.缪玲娟,倪茂林.一种引入陀螺角速度信息的快速对 准方法[J].宇航学报,2010,31(6):1597—1601. 熊剑,等.一种陀螺量测信息辅助的快速初始对准方法[J].宇 航学报,2009,30(4):1455—1459. 6 结论 对准精度与速度是初始对准的主要指标,为了解决对准 精度问题,国内外进行了大量研究,引人多位置、摇摆基座等 苏宛新.等.自适应Kalman滤波在SINS初始对准中的应用 [J].中国惯性技术学报,2010,18(1):44—47. 周亢.闫建国.卡尔曼滤波在捷联惯导系统初始对准中的应用 方法来提高系统的可观测度,从而提高对准精度。但却大大 延长对准时间,同时增加了系统的复杂程度,扩大了生产成 本。 [J].计算机仿真,2008,25(9):46—49. ZhangTing,Wang Bo.Analysis on Observability of SINS/GPS [C].Proceedings of 5th World Congress Oh Intelligent Control and Automation.IEEE.2004:1584—1587. 为了解决提高初始对准的速度和精度矛盾。提出了基于 陀螺信息的快速两位置对准算法。该方法将等效陀螺信息引 入到系统观测量,充分利用了惯性装置自身惯性仪表的信息, 提高系统的可观测性和可观测度,加快方位失准角的估计速 度。通过计算机仿真,证明该法能够保持常规两位置对准的 精度,又能有效提高对准时间,具有重要的应用参考价值。 参考文献: [1]万德钧,房建成.惯性导航初始对准[M].南京:东南大学出 版社.1998. 需 [黄研汤授航究技湘霞.硕生术远清士研,(主1究9要865研生一究导),领师男域,作(主汉为者要族导简研)航,究介湖、制领]南 导域省与为岳控惯长阳制性沙市测; 人量,硕和十教导 : 郭理彬(1981一),男(汉族),江西省南康市人,讲师,主要研究领域 为惯性导航。 94・-・—— 

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