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。     

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。     

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。以前解相位模糊所用的大部分技术需要作某种形式的依赖GPS卫星和/或用户运动的时间历程处理,为消除不合理解提供足够的几何变化。本文介绍的算法假定使用两副以上天线(全部姿态确定需用三副以上天线),并从四颗以上卫星由一或两个GPS L波段载波测得积分多普勒测量值。利用专门的双差分处理得到测量误差不相关的观测量,用于计算天线相对位置及两个以上姿态欧拉角。针对利用4颗以上卫星及2副以上天线及一或两个GPS L波段载波频率(包括86cm宽巷道测量值),开发和演示了GPS姿态确定中快速解双差分载波相位模糊的算法。为希望瞬时GPS测姿的用户找出了实际设计极限。姿态快速确定中的重要因素之一是用户接收机跟踪的卫星数目,GPS金星座对此有很大好处。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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     

GPS载波相位测量在高动态飞行器姿态确定中的应用

利用GPS载波相位测量值确定高动态飞行器的姿态,由于受处理速度限制,一般难以实时完成,为此本文提出了利用空间几何约束原理来实现高动态飞行器的姿态快速测定,并进行了大量的仿真计算。     

Development of GPS-based attitude determination algorithms

This paper describes two Global Positioning System (GPS) based attitude determination algorithms which contain steps of integer ambiguity resolution and attitude computation. The first algorithm extends the ambiguity function method to account for the unique requirement of attitude determination. The second algorithm explores the artificial neural network approach to find the attitude. A test platform is set up for verifying these algorithms.     

基于神经网络的航天器GPS/INS组合定姿系统

基于GPS和惯性技术的组合导航系统是近年来导航系统的研究热点和主要发展方向.目前基于卡尔曼滤波方法的算法在稳定性、计算量、算法鲁棒性以及系统可观测性等方面仍然存在问题.基于神经网络技术研究了一种新的GPS/INS组合定姿自适应卡尔曼滤波方法,理论分析表明,该方法不但对姿态信息具有较好的估计性能,而且对系统模型的精确性、噪声特性具备良好的鲁棒性.最后,利用模拟数据对所研究算法进行了分析计算,与传统的卡尔曼滤波方法进行了比较、分析,结果表明所设计组合算法在精度、稳定性以及鲁棒性等方面较传统卡尔曼方法具有良好的特性.     

利用GPS进行姿态估计的一种算法

首先建立了全球定位系统（ＧＰＳ）姿态确定的观测方程;然后给出了利用ＧＰＳ进行飞行器姿态估计的模型,并对该模型进行了线性处理;最后利用攻推广卡尔曼滤波技术,针对某飞行器进行了仿真计算。计算结果表明,对于不同的测量噪声和系统噪声,滤波器都有较好的估计,姿态估计的精度明显高于单纯ＧＰＳ姿态确定的精度,可以满足大多数飞行器对姿态确定的要求,证实了模型和算法可用性。     

Attitude determination with GPS: experimental results

An approach to global positioning system (GPS) attitude determination and the results of an experimental evaluation are presented. The most outstanding features of the method are the fundamental observable used for attitude calculation, the triple difference, and the introduction of a new parameter, the differential dilution of precision (DDOP), which relates the GPS satellite geometry to the GPS accuracy when measuring angular magnitudes. The experiment used two commercial off-the-shelf GPS C/A code receivers delivering integrated Doppler measurements. The algorithm is robust with respect to phase cycle slips and does not require solving the usual integer ambiguity of the measurements. The preliminary results show that absolute attitude determination requires a calibration of the baseline and that the relative attitude accuracy is on the order of 0.1° or 2 mrads for the case of a 2-m-long baseline     

一种基于GPS/磁强计/加速度计的组合导航/定姿方法

针对当前常用的导航、定姿方法存在的不足,提出了一种采用单天线GPS、磁强计和加速度计的组合导航、定姿方法.以常见的匀加速模型作为系统方程,以GPS输出的位置和速度作为观测量,设计了卡尔曼滤波器,获得更精确的载体速度、位置和加速度信息.在获得加速度估值之后,根据地磁场和载体比力在载体坐标系和导航坐标系的投影关系构造姿态矩...     

Integer ambiguity resolution in GPS for spinning spacecrafts

A procedure to compute the integer ambiguity problem when a GPS receiver is used in a multiple antenna configuration attached to a rotating spacecraft is presented. The method is applied to a simulation of an experimental satellite which uses the GPS receiver for attitude determination     

DOA estimation for attitude determination on communication satellites

In order to determine an appropriate attitude of three-axis stabilized communication satellites, this paper describes a novel attitude determination method using direction of arrival （DOA） estimation of a ground signal source. It differs from optical measurement, magnetic field measurement, inertial measurement, and global positioning system （GPS） attitude determination. The proposed method is characterized by taking the ground signal source as the attitude reference and acquiring attitude information from DOA estimation. Firstly, an attitude measurement equation with DOA estimation is derived in detail. Then, the error of the measurement equation is analyzed. Finally, an attitude determination algorithm is presented using a dynamic model, the attitude measurement equation, and measurement errors. A developing low Earth orbit （LEO） satellite which tests mobile communication technology with smart antennas can be stabilized in three axes by corporately using a magnetometer, reaction wheels, and three-axis magnetorquer rods. Based on the communication satellite, simulation results demonstrate the effectiveness of the method. The method could be a backup of attitude determination to prevent a system failure on the satellite. Its precision depends on the number of snapshots and the input signal-to-noise ratio （SNR） with DOA estimation.     

Instantaneous GPS attitude determination

A procedure for instantaneous GPS (Global Positioning Satellite) attitude determination, i.e., a solution for the GPS integrated carrier Doppler wavelength ambiguities using only measurements at a single epoch, is described. Most previous techniques to solve the phase ambiguity problem have required some form of time history processing relying on GPS satellite and/or user motion to provide enough geometry change to eliminate false solutions. The algorithm described assumes three noncollinear antennas and integrated carrier Doppler measurements from four or more satellites. Double-difference processing provides at least three independent observables for the two antenna separation vectors to compute the three attitude Euler angles     

基于预测滤波器的GPS姿态估计

采用预测滤波器,利用全球定位系统的双差相位观测量实现载体姿态估计。该方法对初值的选取具有鲁棒性,可以在天线和可见星较少的情况下快速收敛到姿态精确解。仿真结果显示,该方法的姿态估计结果可以与基于非线性最小二乘的姿态估计结果相比拟,且受初值的影响小;采用双差相位测量比采用单差相位测量可以得到更佳的姿态估计效果;当使用三基线的天线阵时,在飞行机动较大的情况下采用近似正交布局的天线结构可以更好地估计姿态。