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基于运动载体姿态测量实时性的要求,利用两个GPS模块同步接收卫星的载波相位观测量,运用GPS载波相位差分技术,对卫星数据进行二维遍历搜索,建立快速搜索的模糊度函数,以最小二乘法为基础计算出两个天线中心点的基线矢量长度,最后快速计算出相对基准的航向、横滚和俯仰角;通过实验证明在3 m基线下,航向精度达到1.5 mil,而且定向时间一般只需1 min左右;在6 m基线下,航向精度达到1 mil,定向时间只需60 s。
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基于基于GPS定向测姿系统的研究定向测姿系统的研究
基于运动载体姿态测量实时性的要求,利用两个GPS模块同步接收卫星的载波相位观测量,运用GPS载波相位
差分技术,对卫星数据进行二维遍历搜索,建立快速搜索的模糊度函数,以最小二乘法为基础计算出两个天线
中心点的基线矢量长度,最后快速计算出相对基准的航向、横滚和俯仰角;通过实验证明在3 m基线下,航向精
度达到1.5 mil,而且定向时间一般只需1 min左右;在6 m基线下,航向精度达到1 mil,定向时间只需60 s。
0 引言引言
(1)功能单一、大部分只具有定位功能,不能够定向和测量载体
(2)价格相当昂贵。大部分定向、测姿态设备采用惯性导航系统[4],价格超过100万元。
(3)输出信息不具有二次开发性。
(4)信息输出不具有实时、可靠、准确、快速性。
(5)坐标输出信息不全,与外接设备无信息交换。
因此,研究一种集定位定向、测姿功能的系统十分必要。
1 GPS定向测姿相关理论研究定向测姿相关理论研究
1.1 利用载波相位测量建立误差方程利用载波相位测量建立误差方程
GPS卫星信号接收机有很多种类,一般都有两类基本的观测量:一个是伪距观测量,另一个是载波相位观测量[5]。
GPS载波分为:L1,其波长为0.19 m,频率为1 575.42 MHz,观测误差为1.9 m[6]。
设GPS的卫星j在t0时刻发射信号,经过时间t后于ti时刻被GPS终端机接收, 为t对应的相位差, j(ti)为GPS卫星载波信
号在t时刻的相位, i(ti)为接收机本地信号在时刻的相位,则:
其中 为波长。
卫星与接收终端机之间的相位差一般由整数和小数两部分组成:
其中,N0为整周相位数, 为不足一个整周相位部分。
在接收机的鉴相器中,只能测出小数的部分。
ti时刻GPS卫星到接收机的载波相位为:
其中,N0为载波相位测量中出现了一个整周未知数。接收终端机锁定并实时跟踪卫星信号后,并不断测定载波相位的变
化,在ti时刻利用多普勒计数器记录, Nk为ti时刻到tk时刻相位整周变化量。
载波相位测量只能测量小数部分,原因有多种,其中可能产生整周跳变现象,例如接收机天线被遮挡、卫星数量过少、信
号丢失、外界噪声信号的干扰等。理论上可以通过数据处理如滤波来解决一些问题,但滤波是有代价的,数据不能实时反应载
体的运动状态,实现也很复杂[7]。
在实际应用中,如GPS应用在车上、船舶、飞机等载体,GPS接收机由于多路径误差、时钟等多种信号经常在非真空中
传播,会遇到不同的复杂情况,还可能出现电离层、对流层延时误差、接收机测量噪声等多种原因,造成GPS载波相位测量
中存在着误差[8]。误差测量方程为:
1.2 GPS定位技术理论分析定位技术理论分析
GPS定位分为绝对定位和相对定位,即为单点定位和差分定位,精度要求较高,尤其是大地测绘或军事应用采用相对定
位,一般精度都在厘米级,需要8个以上的通道才能够保证精度,跟踪卫星超过7颗。
基本观测方程为[9]:
其中, 为相位观测量;R为接收机到卫星的距离;r为接收机钟差;为对流层和电离层的延迟。式(7)中,?准是相位小
数,N是相位整周数信号通过对流层、电离层的延迟修正;(Xs,Ys,Zs)为卫星的瞬时相对于地心坐标;(Xp,Yp,Zp)为接
收终端机到地心坐标。
GPS终端机的接收天线假如安装在T1、T2两个固定点或测站上,它们在同一时刻同时观测到星历数据[10],利用数据处
理单元记录并建立相位观测量,从而得到基本单差观测方程:
上标为卫星号,下标为测站号,由此可以看出,利用同一时刻观测的两颗卫星的单差方程式来求解双差(DD)的观测方
程。
式(10)双差观测方程中是基线向量与相位整周数差值部分。相位整周数一般情况不会发生变化,不受时间和地点发生变
化。可以根据相邻两个双差观测方程得到三差观测方程。
2 GPS定向测姿系统实现定向测姿系统实现
利用车辆的航向、横滚、俯仰描述车体运动是基于真北向与水平位置的关系,其中载体航向是载体基于地理坐标系中载体
中轴线与真北向的夹角称为航向。车辆坐标X、Y、Z是游动坐标系(b系)和地理坐标系(n系)之间坐标转换,其方位与它们有一
个夹角关系[11]。因此,地理坐标系为北东天地坐标系,游动坐标系xb轴指向车辆前进方向,也就是说我们载体的航向,yb指
向车辆的前进方向车辆侧面,也就是说载体的横滚;zb指向车辆的底盘下方,这样就构成了东北天地的坐标系。则航向角以
北向向东向偏转为正,反方向为负;俯仰角?兹以向上为正;横滚角以载体坐标系xb轴方向为正,相反为负[12]。
游动坐标系和地理坐标系之间的转换矩阵为:
C为姿态矩阵,是地理坐标系和游动坐标系之间的方位关系。
俯仰角的取值范围在±90°范围内,与三角函数中的反正弦函数值一样,有区间问题,但值只有正负之分。而航的定义域
为0°~360°区间内,横滚角的定义域为-180°~+180°区间,所以得到求解的姿态角存在象限判断问题,判断方法如表1、表2
所示。
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