GPS三维姿态测量技术的探究

利用GPS进行三维姿态测量是近年新发展起来的一门应用技术,具有无累计误差、无需对准、精度高、成本低、不受气候影响等优点。通过差分处理多个GPS天线接收的载波相位可以求得载体的三维姿态角。本文从GPS三维姿态测量基本原理、模糊度求解、载波相位差分测姿实验及误差分析等几个方面对该技术进行了研究。其中,对常规模糊度求解技术进行了重点探讨,首次将在模糊度函数法基础上把解析方法应用到载波相位双差观测求解中,利用结果来实现搜索域的确定。     

模糊度二维搜索的姿态测量改进算法

值域算法由于采用遍历姿态角的方式建立搜索空间,从而会造成初始化时间较长的问题,故提出了一种基于窄巷组合的模糊度二维搜索算法:首先基于卫星空间几何关系对参考星与两颗主星间的窄巷主模糊度范围进行约束,利用其与姿态角之间的关系推得全体候选姿态角,从而以一种非遍历且不遗漏正确候选姿态角的途径得到搜索范围。然后基于值域二维搜索模型求解各候选姿态角相对应的窄巷模糊度浮点解,就近取整后依次采用模糊度整数特性法、基线先验信息法以及基线残差平方和最小准则固定整周模糊度。试验结果表明:文中算法相比原算法,不仅初始化时间由先前的153 s缩短至76 s,而且姿态精度总体提高近15%。     

GPS姿态测量并行遗传算法快速搜索技术

提出了一种基于并行遗传算法细粒度模型和模糊度函数法的GPS姿态测量快速搜索技术 (ambiguityfunctionparallelgeneticalgorithms,AFPGA) ,它能够避开整周模糊度的求解而直接解算载体的航向和姿态 .AFPGA采用个体邻域间的进化 ,既具备了较强的全局搜索能力 ,又减小了各处理器之间的数据通信量 ,从而保证在获得全局最优解的前提下加快姿态解算速度 ,并易于算法的硬件实现 .运用AFPGA对一组GPS实测数据进行了 1 0 0次独立搜索 ,得到 :航向角搜索方差为 0 .2 4°,俯仰角搜索方差为 0 .1 5°;平均搜索时间为 0 .6s,成功率为 1 0 0 % ,搜索空间为模糊度函数法的 0 .0 5 % .通过对AFPGA不同的模型进行分析 ,并与SGA(simplegeneticalgo rithm) ,AFGA(ambiguityfunctiongeneticalgorithm)进行对比 ,结果表明AFPGA是一种更为有效的搜索技术     

适用于航天器的GPS姿态测量算法和软件设计

为发展小卫星 ,需要研制成本低、小而轻又能满足精度的姿态测量系统。论述了利用全球定位系统 ( GPS)载波相位观测值进行姿态测量的原理 ,介绍了航天器姿态测量软件 THADS的算法和软件设计。在软件设计时 ,采用了周跳和粗差判定的改进方法 ,编制了相应的模块 ,结合地面实验数据进行仿真计算 ,在 1m左右的基线上姿态均方差小于0 .4°。结果表明利用 GPS载波相位进行航天器姿态测量具有良好的应用前景     

改进型单频非遍历值域姿态测量算法

非遍历值域搜索算法利用二维模糊度搜索范围压缩了姿态角搜索空间,由于二维模糊度搜索空间较大,造成压缩姿态角搜索空间效率较低,提出了一种采用多约束条件以提高压缩姿态角搜索空间效率的方法。选取仰角最高的4颗卫星作为主星,采用最小二乘搜索算法利用单个历元观测数据确定三维模糊度搜索空间,结合基线长度及低成本微机电系统(micro electrical mechanical system,MEMS)提供的俯仰角信息对三维模糊度搜索空间进行筛选,取仰角最高的3颗卫星构成二维模糊度搜索空间,将其代入搜索模型解算整周模糊度候选值,采用残差比例检验法进行模糊度固定。试验结果表明,相比于原算法,姿态角搜索数目由576组降至8组,残差比峰值由16增至1 279,固定所需时长从35 s缩短至单个历元。     

卫星姿态测量系统的故障诊断技术

以挠性陀螺仪、红外地平仪和太阳敏感器组成的对地观测卫星的姿态测量系统为对象,研究了该系统传感器硬件故障的诊断技术．在给出系统方程的基础上,对传感器的故障作了假设,并对该系统进行基于广义简化滤波器（多重滤波器）故障诊断方法的应用．该方法利用测量系统自身的卡尔曼滤波器,故只需增加有限的计算量．结果表明,这一方法有较好的实时性和较高的故障检出率,有利于卫星姿态测量系统可靠性的提高和高精度卫星的研制．     

GPS单频单历元定姿算法性能分析与改进方法

为了提高LAMBDA在单频单历元情况下的性能和成功率,对该定姿算法的性能进行了理论研究,分析了影响搜索效率的因素,并提出了一种新的求解模型.将未知的整周模糊度拟合成噪声,能够显著提高搜索效率,同时利用模糊度存在范围等约束条件对原算法的成功率进行了改善.实验表明:相比于原算法,改进算法能够有效减少GPS姿态解算的时间,同...     

全球定位系统及其在工程测量中的应用

全球定位系统(Globa Positioning System-GPS)是美国从上世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用,并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。本文针对GPS的这些特点,论述了它在工程测量中的应用。     

基于粒子滤波的姿态测量动态系统设计

利用GPS载波信号来确定载体的姿态是一种新的应用,介绍了一种利用粒子滤波和OpenGL的双天线GPS测姿系统,该系统具有结构简单、精度高、实时性强等特点。在测量航向和姿态的同时,也可以进行测速和定位,仿真表明使用粒子滤波的OpenGL动态显示系统不仅能够实时显示被测目标的姿态,还能得到相比直接法更为精确的测姿结果。     

基于BP神经网络的GPS/SINS姿态测量融合算法

针对传统全球定位系统/捷联惯性导航系统(global positioning system/strapdown inertial navigation system,GPS/SINS)组合系统信息融合技术存在的不足,设计了适用于GPS/SINS组合系统姿态测量的反向传播(back-propagation,BP)神经网络模型,并在标准BP算法基础上,采用限制初始权值和阈值?动态删减隐含层节点数和修改激活函数的改进算法,从而减小BP算法在GPS/SINS组合姿态测量过程中的训练误差,提高网络训练的相应速度及精度?最后通过算法仿真和分析结果图得出改进后的BP神经网络算法在GPS/SINS组合姿态测量系统中高效可行,且测姿性能优越?     

Micro-Satellite Attitude Determination Using GPS Carrier Phases

GPS is an attractive attitude sensor for micro-satellites due to small package and advantage for cost savings. However, the major difficulty in attitude determination for a micro-satellite is that baseline lengths are short (less than a meter) . Thus , to obtain precise accuracy of attitudes for a micro-satellite, the algorithm selection and error source calibration are important. In this paper, a technique based on the attitude cost function is proposed. To verify the method proposed, the experiments have been conducted. The results indicate that attitude errors are less than 1 deg.     

GPS姿态测量中四元数迭代算法的改进

为抑制实际观测中GPS姿态测量系统受环境影响而出现的较强的观测噪声,提出了一种在迭代过程中对噪声进行抑制的方法. 该方法利用改进后的布洛伊登法进行迭代运算,减小了基本算法的计算量. 该算法在强噪声的情况下能较精确地收敛到真值. 仿真结果表明,该方法对噪声的抑制效果较好,所得收敛结果的误差比传统方法小,且减少了时间消耗.     

基于多台GPS接收机的三维姿态确定与精度分析

根据一个模拟动态定位实例,采用多台GPS接收机动态定位,得到单历元定位结果,然后采用不同的天线组合解算姿态.结果显示,对于约5 m长宽的基线组合,获得的航向角精度约为0.05°,横滚角和纵摇角的精度约为0.2°;对于约10 m长宽的基线组合,航向角精度约为0.03°,横滚角和纵摇角的精度约为0.11°.可知,姿态角的精度与纵横向的基线长度有关.当基线长度相同时,航向角的精度高于横滚角和纵滚角.其中,航向角和纵滚角的精度主要与航向长度有关,而横滚角则与横向长度有关.基线越长,对应的姿态角的精度越高.     

基于视觉/GPS/MEMS-SINS的微型飞行器姿态确定系统

分析了微型飞行器姿态确定系统的现状,提出利用视觉/GPS/MEMS-SINS组合导航系统确定微型飞行器姿态的方案.微型飞行器获取图像中天空和大地的特征不同,其间隐含了载体的姿态信息,在GPS和MEMS-SINS组合的基础上,将所隐含的载体姿态信息作为新增的观测量.建立了组合系统的卡尔曼滤波器模型,并进行了静态和动态仿真.结果表明,视觉/GPS/MEMS-SINS组合导航系统是微型飞行器自主姿态确定的有效方案,增加视觉姿态后,滤波器中惯性导航系统平台误差角的可观测性得到了增强,姿态估计精度也得到了提高.     

快速整周模糊度求解技术在高精度GPS定位和导航中的应用

通过分析搜索空间中的独立变量，推导出新的传递矩阵，该矩阵将所有的测量残差直接和最小求解搜索空间相关联．该技术不仅可以改善计算效率以及缩短模糊度求解时间，还能提高可靠性．通过仅选择那些与卫星几何尺寸和测量残差一致的模糊度的组合，搜索空间被最小化．实验数据表明了该方法的有效性．     

单天线GPS接收机载体姿态测定分析

该文研究了利用单天线GPS接收机的输出信息来实时确定载体姿态的基本原理与方法。文中的GPS载体姿态是指关于载体飞行速度矢量轴的新系偏航角、航迹角和新系滚转角，亦称为新系姿态。文中对姿态测定的分析包括利用GPS接收机配合软件LABMON46输出的原始信息来分析速度矢量的求解方案；利用卡而曼滤波模型对速度信息进行处理得到相应的加速度信息；根据前面2步求得的速度和加速度给出解算载体新系姿态的方法；最后给出常规姿态与新系姿态的关系和对照说明。