瞬时GPS测姿试验:解周期模糊度

作为美国海岸警卫队及美国陆军支持的6年研究的成果,Adroit系统公司(ASI)开发出了基于GPS的姿态确定技术。对该技术进行了测试和验证,并已用于具有多种用途的多个系统上。这些系统中的一种设备就是通用导航仪表,目前已可提供海用商业设备。其它应用包括通用导航、水文绘测、浮标定位,瞄准及用于天线瞄准的通信卫星定位。 GPS姿态确定由载波相位干涉测量来完成。从几个天线取出来自至少两颗卫星的相位测量值,并进行比较计算出姿态。GPS姿态确定的关键问题是周模糊,即一对GPS天线之间能嵌入的未知整载波周期数目。解该模糊的常用方法需要多个时刻的观测值。当卫星和/或天线运动时,比较时间上先后获得的测量值,逐渐消除候选解,找到正确的解。该方法存在的问题是,需要一段时间的相关相位测量值才能找到正确的解。这意味着接收机开机后以及信号中断或周滑动后恢复工作(除了接收机重新锁定相位所需的初始化和恢复时间之外)之后,系统需要一段很长的初始化时间。 AS姿态确定的新方法利用单时刻的冗余测量值来获得瞬时姿态解,而不需要初始化或恢复时间。对于接收机可提供相位测量值的每个时刻,大体上都可以计算姿态解并解周模糊,而不依步前时刻的测量值。因此,信号中断及周滑动后系统可立即恢复,接收机一打开刚提     

利用GPS测量空间转移飞行器的姿态

在长时间的运行过程中,空间转移飞行器(STV)的惯性测量系统将积累过大的姿态误差。利用GPS可以对其姿态进行修正,以满足任务的需求。本文考虑了测量姿态的四种不同方法:推力矢量测定、差分GPS、相位时间三差和载波相位测姿。由于非常靠近空间站,空间转移飞行器上天线间隔的限制及相位时间三差求解需要很长的积分时间,我们选用载波相位测姿法。利用人马座顶上级代表空间转移飞行器的结构,载波相位的测量精度为0.2cm,本文证明了利用相位时间三差解初始的不对准误差对大部分飞行任务是可以接受的。GPS和高质量的惯性导航系统(INS)相结合,可以改进姿态测量方法,同时惯导系统还可辅助GPS接收机的载波跟踪环,保持载波相位的锁定。利用载波相位测姿法测量空间转移飞行器的姿态,至少要用4颗卫星。本文给出了一种选择有利卫星几何的几何方法。概括地讲,首先选择一颗最高仰角的卫星作为主星,然后在天线基线相反两侧选择低仰角的2#星和3#星,最后选择4#星,4#星远离其它3颗星,并且最好位于与基线垂直而不是包含基线的平面上。其目的是选择几何分布好的卫星,以便有良好的天线基线方位/俯仰灵敏度和良好的单位矢量差(GDOP)分布。本文介绍了对于一组卫星,一旦主星选定,如何从数学上计算方位/俯仰灵敏度。把方位和俯仰灵敏度及GDOP代入复合排序方程,以确定最佳的一个4颗星的星座,然后采用Magnavox研究的载波相位定位的算法,由这4颗卫星的载波相位,计算空间转移飞行器的姿态。     

基于运动的GPS测姿解整周模糊的新算法

利用GPS载波相位技术可进行近厘米级精度定位。借助几个天线,利用载波相位可测定姿态。本文介绍一种基于运动的解整周模糊的算法,适用于可见GPS卫星较少的场合。当共视卫星数少于3颗时这种算法是一种基本手段。用作直升机自主样机和飞机的测姿设备实验中,这种算法非常成功。     

瞬时GPS姿态确定

本文介绍了瞬时ＧＰＳ姿态确定方法，即只用单时刻测量值解ＧＰＳ积分多普勒波长的模糊度。     

平均场退火算法在GPS姿态确定中的应用

研究了基于GPS载波相位测量载体姿态的技术 ,采用了精度高速度快的平均场退火算法(MFANN)。MEFANN是竞争性的Hopfield神经网络和随机模拟退火算法结合起来的一种算法 ,用来求解最优姿态确定问题。首先阐述了GPS载波相位姿态测量基本原理 ,接下来建立了姿态测量系统数学模型 ,应用MFANN算法来解算整周模糊度和方位角 ,最后给出了应用MFANN方法求解的实例 ,说明该方法是有效的     

一种基于乘性误差四元数的多天线瞬时测姿算法

为进一步拓展全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)测姿应用领域,提升多天线瞬时测姿性能,解决GNSS载波相位观测定姿中的模糊度搜索耗时和周跳探测复杂等问题,提出了一种基于乘性误差四元数的多天线姿态解算方法。使用滤波技术将姿态约束信息通过状态模型和当前观测模型融合,对模糊度进行降权处理,免去周跳探测步骤,从而实现瞬时姿态解算。仿真实验结果表明,新算法既保证了解算效果,又增加了数据处理的灵活性,且耗时更符合实时性需求。     

利用几何约束快速求解整周模糊度

本文以GPS载波相位测量确定载体姿态的应用为背景，针对其中的关键技术问题－载波相位整周模糊度的快速解算，提出了一种充分利用卫星与基线之间几何约束来压缩搜索空间，快速得到正确的双差模糊度组合的方法，并通过对ADUⅡ接收机采集的原始数据进行处理，其结果证明这的确是一种行之有效的模糊度搜索方法。     

一种基于GPS的单频单历元姿态解算算法

本文提出了一种将GPS L1波段的载波相位观测方程和码相位观测方程相融合的新算法,使得单历元之内就可以求解整周模糊度的浮点解,克服了传统方法中仅用载波相位观测方程无法在单历元获得浮点解的缺点并提出了一种将低精度浮点解映射到固定解的方法,降低了LAMBDA算法对高精度浮点解的依赖性,避免了多个历元求解高精度浮点解,从而实现了单频单历元的整周模糊度估计,对于快速动态定姿具有重要意义。通过实际数据测试,该算法在10°俯仰角约束的条件成功率约为96%,能够有效地用于实时动态姿态解算。     

利用GPS射频多普勒确定低轨地球卫星的轨道

本文研究了使用这样一种GPS测量值——双差分GPS射频多普勒确定低轨地球卫星的轨道。该测量值很容易获得,而且不受时钟误差的影响,还可对用户卫星连续定轨。分析表明:使用18颗GPS卫星的星座和13个地面站,在两小时跟踪后,可使1300km高度用户星(TOPEX)的定轨精度达5cm。考察了使用少于13个地面站的影响,不同求解方法的影响以及引入虚假推力参数以减小重力模型误差(主要误差源之一)的影响。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

GPS载波相位在大型载体姿态测量中的应用

本文针对舰船等大型栽体的姿态测量，采用GPS载波相位双差测量法来确定载体的姿态，应用载波相位确定栽体的姿态需要解决的关键问题是整周模糊度的确定。文中利用空间几何关系，来压缩模糊度的搜索空间，以加快模糊度的解算速度。通过静态和动态试验对文中的方法进行了检验，在静态用3．48米长的基线其偏航角精度优于0．06度，动态时用3．48米长基线来验证了算法的正确性。通过试验该测姿系统在实时性、精度、可靠性等方面能满足精确定姿要求，是实现动基座惯性导航系统快速初始对准的重要手段之一。     

GPS载体姿态测量中的LAMBDA方法研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用 GPS载波相位干涉测量基线矢量,引入 LAMBDA法解算整周模糊度,由 CPU时间图可以看出这种方法能快速而准确地解算整周模糊度,对于实时姿态测量(RAD)系统具有很好的应用价值。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法，在消除钟差的主项（低频）误差后，将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，并对其建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，利用实测的GPS数据进行轨道确定计算，计算结果表明，采用历元间差分算法，利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其径向精度优于10m，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

差分GPS载波相位测量整周模糊度的快速求解

对Cholesky分解整周模糊度的求解进行了改进,在求解整周模糊度的过程中,首先采用LAMBDA法对整周模糊度进行整数线性变换再作Cholesky分解,然后利用最优剪枝法（bestcut）对整周模糊度进行搜索,实验结果表明该方法具有快速搜索整周模糊度的能力,可以满足采用GPS载波相位测量确定姿态以及GPS载波相位测量与INS组合的实时性。     

船用低成本GNSS测向系统研究

GNSS导航星座主要由GPS、GLONASS、Galileo、BDS四大系统卫星组成,到2020年,用户有望同时观测到40多颗导航卫星,大幅提升导航性能的同时,也扩展了其应用领域。针对靶船、渔船对航向测量的需求,基于GNSS接收机应用现状,设计了低成本GNSS测向系统,使用2块Ublox LEA-M8T模块和STM32F407处理器搭建原理样机硬件平台,开展基于Kalman滤波器的载波相位差分姿态测量算法研究和基于Kalman滤波器的伪距差分姿态测量算法研究。静态实验表明,在8.5m基线的情况下,航向角测量标准差为0.0396°,俯仰角测量标准差为0.0889°。使用伪距差分算法,纬度方向上测量误差标准差为0.5923m,经度方向上测量误差标准差为0.4609m,高度方向上测量误差标准差为1.0766m。     

导航卫星载波相位模糊度自主解算方法

当有4颗以上导航卫星同步观测航天器(卫星、导弹)时,本文提出应用自主定位和自校准技术来自主解算导航卫星载波相位整周模糊度的方法,并以此获取航天器的高精度飞行轨道。     

基于载波相位增量的消模糊度和精确定位方法

利用高精度的导航卫星载波相位测量数据来确定目标位置是一种非常优良的技术途径，特别是用于准实时和事后处理确定运动目标的轨迹，更是有着显著的应用前景。然而，载波相位测量因存在整周模糊度，从而限制了它的应用。本文提出了基于载波相位增量建模思想，以及消除载波相位测量的整周模糊度和解算目标飞行轨迹的方法，可以有效地解决相应的问题，从而可以精确获取飞行器的高精度运动轨迹。     

GPS差分相对定位应用于航天器自主交会对接的研究

提出了一种适用于飞船交会对接的GPS差分相对定位导航方案。在远程导引段,采用坐标差分相对定位;在自动寻的段,采用双差载波相位平滑伪距技术;在接近和逼近段,采用双差载波相位浮点解相对定位,求得模糊度后,可采用双差载波相位整数解获得很高的定位精度。仿真试验证明,该方案切实可行。     

带有加权基线长约束的GPS/BDS单历元姿态解算算法研究

研究基于GNSS信号的实时载体动态姿态测量算法具有重要意义,多频多模姿态测量算法是目前的研究热点和难点。本文提出一种基于GPS L1/L2和BDS B1三频点观测数据进行联合定姿的新算法,可实现单历元整周模糊度解算,且该算法对周跳不敏感,克服了单频点定姿可靠性差、精度低的缺点。针对多频多模观测时天线相位中心的差异性问题,采用基于加权基线长度约束和上下边界函数的方法实现整周模糊度搜索空间的压缩,提高了整周模糊度解算的效率。最后基于实际测试数据评估定姿精度,实验表明,采用L1/L2/B1三频点联合估计,航向角和俯仰角的精度可达0.1?/m和0.2?/m,比单频观测的精度高约2倍。