GPS船舶姿态测量技术研究
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摘要
作为新一代卫星导航与定位系统，GPS以其全球性、实时性、全天候连续、快速、高精度的导航／定位／授时功能，为确定移动目标的地理位置和空间轨迹行业带来了一场革命。利用GPS载波相位技术对载体进行定向和测姿的研究开辟了又一个新的GPS应用研究领域。
本文对GPS姿态测量技术进行了研究，论证了GPS姿态测量系统的可行性，并详细推导了姿态解算的数学模型。
针对海上船舶的动态特性，本文提出了船舶姿态测量系统的实施方案，对可能影响测量精度的各类误差源进行了分析。
整周模糊度的解算和周跳检测与修复是GPS姿态测量系统的两大关键技术。为缩短模糊度搜索时间，提高模糊度解算的正确率，本文引入了LAMBDA法解算整周模糊度；为实现动态条件下载波相位观测的周跳检测与修复，引入了“基于冗余双差观测的周跳检测与修复”的方法。
Motorola UT+OEM接收机是美国Motorola公司生产的Oncore系列接收机的一种。本文采用两块Motorola UT+OEM板，在Windows95／NT平台下，利用MicrosoftVisual C++串口编程技术，进行了船舶姿态测量系统的软件设计，通过对试验数据的后处理能获取载体的二维姿态(航向角和俯仰角)，并通过试验验证了系统的性能。
论文的最后列举了在理论和工程上尚需做进一步研究和完善的一些问题。
The research on attitude determination by GPS carrier phase measurement explores a new area in GPS application.
This dissertation studies the theory of GPS-based attitude determination. The feasibility of GPS-based attitude determination system is tested and the algorithm on attitude determination is deducted in detail.
Based on the nature of moving ships on the sea, this study proposed the way to measure ship's attitude. Various factors which might influence the measurement's accuracy are also analyzed.
The GPS carrier phase integer ambiguity solution and cycle-slip detection are the two key technologies for GPS-based attitude determination system. To shorten the time of the solution of integer ambiguity and improve its validity, the LAMBDA algorithm is introduced. The method of "Detection and Fixing of Cycle-slip Using Redundant Double Difference Observations" is applied to realize the detection and fixing of cycle-slip under dynamic conditions.
Using two Motorola UT+ OEMs, this study develops a software on Ship's Attitude Determination System by Microsoft Visual C++ using Windows95/NT to realize the inspection of ship's true course and roll. Experiments are conducted to validate the system's performance.
At last, some problems in theory or project which still need further studying are pointed out.
本文对GPS姿态测量技术进行了研究，论证了GPS姿态测量系统的可行性，并详细推导了姿态解算的数学模型。
针对海上船舶的动态特性，本文提出了船舶姿态测量系统的实施方案，对可能影响测量精度的各类误差源进行了分析。
整周模糊度的解算和周跳检测与修复是GPS姿态测量系统的两大关键技术。为缩短模糊度搜索时间，提高模糊度解算的正确率，本文引入了LAMBDA法解算整周模糊度；为实现动态条件下载波相位观测的周跳检测与修复，引入了“基于冗余双差观测的周跳检测与修复”的方法。
Motorola UT+OEM接收机是美国Motorola公司生产的Oncore系列接收机的一种。本文采用两块Motorola UT+OEM板，在Windows95／NT平台下，利用MicrosoftVisual C++串口编程技术，进行了船舶姿态测量系统的软件设计，通过对试验数据的后处理能获取载体的二维姿态(航向角和俯仰角)，并通过试验验证了系统的性能。
论文的最后列举了在理论和工程上尚需做进一步研究和完善的一些问题。
The research on attitude determination by GPS carrier phase measurement explores a new area in GPS application.
This dissertation studies the theory of GPS-based attitude determination. The feasibility of GPS-based attitude determination system is tested and the algorithm on attitude determination is deducted in detail.
Based on the nature of moving ships on the sea, this study proposed the way to measure ship's attitude. Various factors which might influence the measurement's accuracy are also analyzed.
The GPS carrier phase integer ambiguity solution and cycle-slip detection are the two key technologies for GPS-based attitude determination system. To shorten the time of the solution of integer ambiguity and improve its validity, the LAMBDA algorithm is introduced. The method of "Detection and Fixing of Cycle-slip Using Redundant Double Difference Observations" is applied to realize the detection and fixing of cycle-slip under dynamic conditions.
Using two Motorola UT+ OEMs, this study develops a software on Ship's Attitude Determination System by Microsoft Visual C++ using Windows95/NT to realize the inspection of ship's true course and roll. Experiments are conducted to validate the system's performance.
At last, some problems in theory or project which still need further studying are pointed out.
引文
[1] 周儒欣等，中国的GPS，交通，2002，第12期，P．111～114
[2] 张杏谷，民用卫星导航系统——Galileo(伽利略)，世界海运，2001，第6期，P．39～40
[3] 陈曦、王厚基，Galileo计划、GPS和GLONASS，舰船导航，2001，第3期，P．16～21
[4] 吴秋平等，GPS惯性组合导航系统研究进展，导航，1998，第4期，P．1～2
[5] 易维勇，惯性导航及组合导航研究及仿真，中国人民解放军信息工程大学，硕士学位论文，2002，P．1～7
[6] Trimble NavigatiOn，李文革译，TANS VECTOR姿态和位置测量GPS接收机，导航，1993，P．115～116
[7] 郑国忠，论Ashtech GPS 3DF姿态测量系统，地矿测绘，1994，第2期，P．15
[8] Gang Lu, Development of a GPS Multi-Antenna System for Attitude Determination, Ph.D Thesis, University of CALGARY, 1995,107-122
[9] V.A. Hoyle and G.Lachapelle,Low-Cost GPS Receivers and Their Feasibility for Attitude Determination, Proceedings of National Technical Meeting, ION, Alexandria, VA, 251-160
[10] (美)Kaplan，E．D．著，GPS原理及其应用，邱致和等译，第一版，2002，北京：电子工业出版社，P．1～6
[11] 李洪涛等，GPS应用程序设计，第一版，1999，北京：科学出版社，P．1～21
[12] 刘基余，GPS动态载波相位测量定位，导航，1994，第3期，P．52
[13] 季善标等，精密GPS卫星钟差的改正和应用，空间科学学报，2001，第1期，P．42～48
[14] 贾炘，GPS误差分析与模型建立之探讨，导航，1994，第3期，P．64～72
[15] 李微晓，GPS测量误差来源及消除措施，连云港化学高等专科学校学报，2001， 第1期，P．42～44
[16] 宋茂忠、王永澄，电离层对普通GPS和位置差分GPS定位误差的影响，南京
航空航天大学学报，1994，第6期，P．782～788
[17] 张瑜，提高GPS导航定位精度的方法——电波折射修正，系统工程与电子技术，2000，第4期，P．94～96
[18] 杨力，大气对GPS测量影响的理论与研究，解放军信息工程大学，博士学位论文，2001，P．57～99
[19] 张孟阳等，GPS系统中的多径效应分析，电子学报，1998，第3期，P．10～14
[20] 兰贵亭，GPS测量多路径误差的分析，太原大学学报，2002，第3期，P．54～56
[21] 孙礼等，多径效应对GPS载波相位观测量的影响，航空学报，1998，第7期，P 75～77
[22] J.K. Ray and M.E. Cannon, Characterization of GPS, Presented at ION NTM-99, San Diego, 25-27
[23] 宋茂忠，GPS多径误差特性与抗多径方法，江苏航空，1999，第3期，P21～25
[24] 张革、杨文辉，GPS接收机系统噪声，导航，1994，第4期，P．47～52
[25] 罗和平、刘基余，GPS测定船体姿态方法研究，中国电子学会导航分会，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会，昆明，2000，西安：导航编辑部，P．44～61
[26] 许春明，GPS动态载波相位测量定位技术研究，哈尔滨工程大学，硕士学位论文，2002，P．9～20
[27] 邓强、黄顺吉，最大似然估计在GPS定位中的应用研究，电子科技大学学报，1996，第1期，11～15
[28] 黎勇等，基线平面布局的GPS定姿算法，航天控制，1999，第1期，24～28
[29] 段志勇等，基于四元数方法的GPS航姿解算，南京航空航天大学学报，1999，第5期，492～496
[30] Jiangning Xu and T. Arslan, GPS Attitude Determination Using a Genetic Algorithm, IEEE, 2002, 998-1002
[31] Gang Lu, M. E. Cannon, G. Lachapelle, Attitude Determination in a Survey Launch Using, Proceedings of National Technical Meeting,ION, Alexandria, VA, 251-160
[32] 徐绍铨等，GPS测量原理及应用，修订版，2003，武汉：武汉大学出版社，P．11～43
[33] 胡丛玮、刘大杰，单历元确定GPS整周模糊度的分析，南京航空航天大学，2001，第3期，P．267～271
[34] 王爱朝、高飞，GPS快速静态定位中的模糊度函数法，合肥工业大学学报，1994，第4期，138～145
[35] 曾元萍等，利用约束方程求解整周模糊度，导航，1999，第4期，P．37～41
[36] 柴洪周，模糊度搜索的优化算法，全球定位系统，2002，第1期，P．10～12
[37] 王惠南、应金栋，GPS载体姿态测量中的LAMBDA方法研究，航空学报，2001，第1期，P．61～63
[38] FreiE and BeutlerG, Rapid Static Positioning Based on the Fast Ambiguity Resolution Approach(FARA), ManuscriptGeodetic,1990, 15:325—356
[39] 杨玉钦、陈亚陵，系统辨识，第1版，1990，厦门：厦门大学出版社，P．68～112
[40] Donghyun Kim and Richard B. Langley, Instantaneous Real-time Cycle-slip Correction of Dual-frequency GPS Data, Presented at KIS 2001, Banff, Alberta, Canada, 5-8, June, 2001
[41] 廖向前、黄顺吉，GPS载波相位的周跳检测方法，电子科技大学学报，1997，第6期，P．590～594
[42] 廖向前等，GPS姿态测量中缩小相位模糊空间的方法，电子科技大学学报，1998，第4期，P．380～384
[43] 吴江飞，小波包分析在GPS数据处理中的应用，信息工程大学学报，2001，第2期，P．63～65
[44] 范胜林等，GPS姿态系统中周跳的检测及修复方法，数据采集与处理，2002，
第1期，P．50～53
[45] Motorola Oncore系列用户手册(UT／GT)
[46] 求是科技，Visual C++串口通信工程开发实例导航，第1版，2003，北京：人民邮电出版社，P．3～10
[47] 龚福祥等，GPS原始观测数据的双串口实时采集方法，电子测量与仪器学报，2001．P．51～54
[48] Leica MX 9400 DGPS Receiver Installation And Maintance Manual
[49] (荷兰)Teunissen P．J．G，可逆的GPS模糊度转换，陆敏译，测绘科技情报，第1期，1996，P．13～21
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