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《华东师范大学》 2017年
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基于共时钟GPS多天线系统的测姿算法研究及应用

蔡苗苗  
【摘要】:GPS短基线测姿技术克服了传统INS(InertialNaviagtion System)系统误差累积、冷启动时间长、价格昂贵的不足,在长期精度和稳定性上体现出明显的优势。随着GPS硬件技术的不断发展,一种新型的接收机——共时钟GPS多天线接收机已经出现并进入市场,该类设备在成本、灵活性和精度上都具有很大优势。但是,目前市面上已有的共时钟GPS接收机产品在算法上仍然沿袭传统测姿的双差模型,并未真正发挥时钟同步的硬件优势来提高测姿系统的精度。而且除了应用于姿态测量外,这款接收机在其他高精度应用方面的研究也非常有限。因此,本文的研究旨在探讨共时钟GPS多天线接收机在高精度测姿算法研究及应用扩展方面的潜力。本研究以国家自然科学基金项目"一机多天线高精度北斗/GPS定位模型和关键技术研究"和上海市科委科技创新行动计划项目"GPS/北斗共时钟一机多天线接收机的研发与示范应用"为课题背景和技术目标,对共时钟单差测姿模型的理论误差和精度分析、共时钟单差测姿模型的整周模糊度固定方法研究及共时钟单差模型引发的创新应用三个方面的内容展开深入的研究。论文的研究内容主要包括:1.共时钟单差测姿模型的理论误差和精度分析。首先从理论上证明了共时钟单差模型与双差模型基线解的形式误差的非等价性,然后创新的采用渐进分析从统计上给出了两种模型基线解的离散度的差别,并通过大量的实验验证了这一理论结果。理论分析和实验结果表明共时钟单差模型能够提高测姿的精度和稳定性,尤其是在俯仰角方面,在动态场景下能够捕捉到小幅的俯仰角变化,而这是双差模型和目前商用测姿软件所无法达到的。2.共时钟单差测姿模型的整周模糊度置换法(Ambiguity Substitution Approach,ASA)。整周模糊度固定是共时钟单差测姿模型首要解决的难题,ASA方法的提出不仅可以避免由于估计UPD参数造成的秩亏,而且保持了模糊度的整数特性,基于模糊度参数间的高度相关性分析理论提出了分步渐进固定模糊度的思路。该方法实现简单、模糊度搜索效率很高,充分保证了测姿系统的实时性和精度。然后以共时钟单差测姿模型和ASA算法为核心完成基于共时钟GPS多天线系统的载体实时测姿系统(Real-time Positioning and Attitude Determination system,RPAD)。实验结果表明RPAD系统在动态模式时,2米基线情况下航向角实时解算精度约为0.23°,俯仰角约为0.20°。3.基于 GPWU(Ground-based carrier Phase Wind-Up)效应的单天线测向方法。在共时钟单差测姿模型的研究过程中成功的分离出GPWU效应,并初步验证了 GPWU效应与航向角变化的相关性。利用这一相关性,我们实现了基于GPWU效应的单天线航向角测量,并对GPWU高阶效应对测向精度的影响进行理论和仿真分析,弥补了目前GPWU效应理论模型中高阶分量讨论的不足。该方法主要面向低速载体,与利用GPWU效应进行高速载体测向的早期研究相比影响精度的因素更多且更复杂,而且它长期稳定好,实现简单,仅需一星一天线即可实现航向角测量,因此在卫星可视性较差的城市环境中优势极为明显。4.动态船载环境下的MHM(Multipath Hemispherical Map)方法的可行性验证。在课题组提出的基于多路径效应空域重复性的多路径半天球模型(MHM)的基础上,进一步验证了 MHM方法在动态载体环境(主要是船舶)中可行性。共时钟单差测姿模型能够消除大部分公共误差,因此残余误差主要来自多路径效应,为MHM方法在动态船载环境中的可行性验证提供良好的实验平台。通过静态和动态船载实验证明了 MHM方法在动态载体多路径改正的可行性,结果表明采用MHM方法对上述两种环境的多路径误差改正达到了39.89%和 21.91%。
【关键词】:共时钟GPS多天线接收机 单差测姿 多路径改正 地基相位缠绕
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P228.4
【目录】:
  • 摘要6-8
  • Abstract8-18
  • 第一章 绪论18-34
  • 1.1 研究背景与现状18-27
  • 1.1.1 研究背景18-19
  • 1.1.2 研究现状19-27
  • 1.2 研究目的与意义27-29
  • 1.3 论文的研究内容和创新点29-32
  • 1.3.1 论文的研究内容29-31
  • 1.3.2 论文的创新点31-32
  • 1.4 论文结构安排32-34
  • 第二章 GPS定位测姿原理及关键问题34-51
  • 2.1 GPS定位原理34-37
  • 2.2 GPS测姿原理37-43
  • 2.2.1 载波相位差分组合模型37-40
  • 2.2.2 坐标系统及三维姿态角定义40-43
  • 2.3 共时钟GPS测姿原理43-44
  • 2.4 共时钟单差测姿算法及应用的关键问题44-50
  • 2.4.1 共时钟单差测姿模型研究的意义44-45
  • 2.4.2 共时钟单差测姿模型的关键算法研究45-46
  • 2.4.3 基于GPWU效应的测向方法46-48
  • 2.4.4 基于MHM方法的动态载体多路径改正方法48-50
  • 2.5 本章小结50-51
  • 第三章 共时钟单差测姿模型的理论误差及精度分析51-72
  • 3.1 共时钟单差测姿模型的理论误差研究背景51-53
  • 3.2 共时钟单差测姿模型的理论误差和精度53-63
  • 3.3 共时钟单差测姿模型的精度验证63-71
  • 3.3.1 静态实验63-67
  • 3.3.2 动态车载实验67-71
  • 3.4 本章小结71-72
  • 第四章 共时钟单差测姿模型的模糊度置换法72-91
  • 4.1 整周模糊度固定方法研究现状72-76
  • 4.1.1 双差模糊度固定方法72-74
  • 4.1.2 共时钟单差模型的模糊度固定方法74-76
  • 4.2 共时钟单差测姿模型的ASA方法76-84
  • 4.2.1 高度相关性分析理论76-79
  • 4.2.2 ASA方法的实现79-84
  • 4.3 共时钟单差测姿模型的ASA方法验证84-90
  • 4.3.1 静态实验85-87
  • 4.3.2 动态车载实验87-90
  • 4.4 本章小结90-91
  • 第五章 基于GPWU效应的单天线测向法研究91-116
  • 5.1 GPWU效应的研究现状91-92
  • 5.2 GPWU效应的理论模型92-99
  • 5.3 基于GPWU效应的单天线测向算法99-103
  • 5.4 基于GPWU效应的单天线测向方法验证103-114
  • 5.4.1 旋转台实验103-107
  • 5.4.2 车载实验107-112
  • 5.4.3 船载实验112-114
  • 5.5 本章小结114-116
  • 第六章 基于MHM的动态载体多路径改正方法研究116-137
  • 6.1 多路径效应改正方法研究现状116-118
  • 6.2 MHM方法的原理及实现118-120
  • 6.2.1 MHM方法的理论原理118-119
  • 6.2.2 MHM方法应用于动态载体的实现119-120
  • 6.3 基于MHM的动态载体的多路径改正方法验证120-135
  • 6.3.1 静态船载实验121-126
  • 6.3.2 动态船载实验126-131
  • 6.3.3 影响因素分析131-135
  • 6.4 本章小结135-137
  • 第七章 总结与展望137-140
  • 7.1 论文工作总结137-139
  • 7.2 研究展望139-140
  • 参考文献140-159
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文159-160
  • 攻读博士学位期间参与的科研项目160-161
  • 致谢161-162

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