基于GPS系统的测向定位研究.doc
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1、摘要摘要如今GPS系统已经广泛的应用于空中、陆地和海洋的定位与导航.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,为全球用户提供服务。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一个新的GPS应用研究领域.本文针对双天线GPS接收机的载体姿态测定技术进行了探讨,在GPS载波相位测量载体姿态的理论基础上,设计了一种低成本、高灵活性的GPS测姿应用系统。本文首先讲解了GPS系统的原理,GPS接收机的各个功能单元和GPS定位的基本原理。接着介绍了GPS载波相位测量的基本原理,及其在载体姿态测定中的应用.重点阐述了应用双天线载波相位测量解算载体姿态的差分模型算法和
2、快速求解整周模糊度的新方法。在此基础上应用加拿大NovAtel公司的两块OEMV1板卡和飞利浦公司的ARM7芯片给出了系统软、硬件实现方案。用C语言编写了卫星载波相位测量和星历参数等原始数据的接收、解算程序以及模糊度求解算法后的处理程序。最后通过姿态后处理程序对测得的卫星数据进行解算,得出了实验结果.结果表明该系统能够满足二维常规姿态测量的要求并具有较高的解算精度。关键词GPS;载波相位; 姿态测定; 整周模糊度;OEM;ARMVAbstractAbstractCurrently, the Global Positioning System (GPS hereafter) has been w
3、idely used in the air, land and marine positioning and navigation。 GPS provides services for customers all around the world as its functions of navigation, positioning and timing with globalization, real time performance, all weather, fast speed and high precision。 The research of attitude determina
4、tion explores a new area in GPS applicationby using GPS carrier phase measurement. Aiming at carrier attitude determinationby the twoantenna GPS receiver, this thesis discusses the principle and designs a method to measure the carrier attitude by using twoantenna, with lower cost and higher performa
5、nce。This thesis firstly explains the theory of GPS system and the parts of GPS receiver. Secondly the article introduces the principle of determination carrier attitude using carrier phase, especially puts focus on the differential model algorithm using twoantennacarrier phase and fast ambiguity res
6、olution to compute the carrier attitude。Thirdly, it is put forward the implementation scheme of system software/hardware by using the NovAtel OEMV-1 receiver and the Philips ARM7 chip and the C language program is compiled to pick up the satellite carrier phase data, ephemeris data and other data, w
7、hich resolutes the ambiguity for data post processing。Finally, the attitude solution program is given to calculate the determination data。 The experimental results demonstrate that the system meets the common required specifications and reaches a high precision resolution.KeywordGPS; Carrier Phase;
8、Attitude Determination; Integer Ambiguity; OEM; ARM目录目录摘要IABSTRACTIII第1章绪论11.1引言11。2 国内外研究的现状及动态21。3 课题的科学意义和应用前景41.4 课题研究工作及论文主要内容4第2章GPS卫星导航定位系统52。1 GPS概述52。2 GPS系统的组成62。2。1 空间星座部分62.2。2 地面监控部分72。2.3 用户设备部分82。3 GPS接收机92。3.1 GPS信号接收机的主要单元92。3.2 GPS接收机的工作原理102。4参考坐标系112.5 GPS信号的基本结构142.6导航电文152。7本章小
9、结16第3章 GPS定位原理及相关技术173。1 利用到达时间测量值测距的原理173。1。1 二维位置确定173.1。2 通过多个球面的相交实现三维定位183。2伪距法定位测量原理193。3 载波相位定位测量原理243。3。1 多普勒频移测量253.3。2 载波波数和整周跳变263.4本章小结28第4章应用GPS载波相位测量载体姿态294.1基于载波技术的载体姿态求解原理294。1。1 GPS测量数学模型294.1.2线性化测量方程324.1。3 GPS差分运算334。2 整周模糊度快速解算技术354。2.1 整周模糊度的求解354.2。2 搜索空间的简约和T矩阵定义384。2。3简约空间内搜
10、索394.3 GPS测姿精度分析404。4 本章小结40第5章实验系统设计415。1 NovAtel OEMV1 板简介415.1.1 NovAtel OEMV-1板的组成425。1。2 NovAtel OEMV1板的硬件系统配置425.2 NovAtel OEMV1板的原始数据采集与处理445。2.1接收机输出的数据格式445。2。2 接收机的具体二进制数据分析455。2。3 原始二进制数据采集与解算495。3 ARM7的系统硬件设计495.3。1 天线单元505.3。2 接收机单元505.3.3 接口单元505。3。4系统数据处理和控制单元515。4 ARM7 LPC2138系统模块515
11、。4.1 LPC2138的硬件资源525。4。2 LPC2138的软件资源535。5 本章小结54第6章实验测试结果556。1测姿系统软件实现流程556.2实验仿真结果566。3本章小结58结论59参考文献61附录165攻读学位期间发表的学术论文67致谢69CatalogCatalog摘要IABSTRACTIIICHAPTER 1 INTRODUCTION11.1 Preface11.2 Research Status Home and Abroad21。3 Scientific Meaning and Future Application41。4 Main Contents4CHAPTER
12、2 GLOBAL SATELLITE NAVIGATION AND POSITIONING SYSTEM INTRODUCTION52。1 GPS Summary52。2 GPS Somposition62.2.1 Constellation Section62。2.2 Control Section72。2.3 Users Equipment82。3 GPS Receiver82.3.1 GPS ReceiverMain Unit92。3。2 GPS ReceiverWorking Principle102。4 Reference Coordinate112.5 GPS SignalBasi
13、c Frame142。6 Navigation Message152.7 Summary16CHAPTER 3 GPSPOSITIONINGPRINCIPLE173.1 Measurement Distance Principle using TOA173.1。1 Determination Planar Position173.1.2 Determination Threedimensional Positon by Multisphere183。2 Pseudorange Positioning Measurement Principle193.3 Carrier Phase Positi
14、oning Measurement Principle243.3。1 Doppler FrequencyMeasurment253。3。2 Carrier Phase Cycle and Cycle Slip263。4 Summary28CHAPTER 4 MEASUREMENT ATTITUDE APPLYING GPS CARRIER PHASE294。1 Attitude Solution based on Carrier Phase Technology294。1。1 GPS Measurement Model294.1。2 Linearized Measurement Equatio
15、n324。1。3 GPS Differential Operation334。2 GPS Fast Integer Ambiguity Resolution Technique354.2。1 GPS Integer Ambiguity Resolution354。2.2 Search Space Reduction and T Matrix Definiton384。2。3 Searchin the Reduced Space394.3 Attitude Measuremnet Precision Analysis404。4 Summary40CHAPTER 5 SYSTEM HARDWARE
16、 DESIGN415。1 NovAtel OEMV1 Card Introducton415。1.1 NovAtel OEMV-1 Card Structure425。1。2 NovAtel OEMV1 Card Hardware425.2 Gathering and Processing Original Data445。2。1 Data Structure445.2。2 Receiver Binary Data Analysis455。2。3 Binary Original Data Gathering and Processing495。3 Hardware System Composi
17、ng495。3.1 Antanna Unit505。3.2 Receiver Unit505。3.3 Interface Unit505。3。4 Data process and Control Unit515。4 ARM7 LPC2138 Nodel515。4。1 LPC2138 Hardware Resource525.4.2 LPC2138 Software Resource535。5 Summary53CHPTER 6 EXPERIMENT RESULT556。1 Attitude Measurement Software Flow556.2 Experiment Result566。
18、3 Summary58CONCLUSION59REFERENCES61APPENDIX 165PUBLISHED PAPER67ACKNOWLEDGE69第1章 绪论第1章 绪论1。1引言GPS(Global Positioning System)即全球卫星定位系统,是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的1.自1994年7月美国全球定位系统全部建成并投入使用以来,短短几年内,这一技术发展极为迅速。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,为确定目标的地理位置和空间轨迹行业带来了一场革命
19、。GPS成为了全球范围内的一项重要信息源,并且相关产业和服务市场迅速扩大,年产值达上百亿美元,成为当今国际公认的八大无线产业之一2.有鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义,卫星导航系统得到了许多国家的关注:俄罗斯也拥有自己的全球卫星导航定位系统GLONASS,并将该系统演变成一个与GPS一样的军民两用系统;欧盟于2002年3月正式启动伽利略计划,打造自己的全球卫星导航定位系统;日本也在加紧实施其“准天顶卫星系统;此外,印度卫星导航系统也将被投入使用。2000年10月31日和12月21日,我国成功发射了第一颗和第二颗导航定位实验卫星,2003年5月25日,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号
20、运载火箭,成功地将第三颗-“北斗一号导航定位卫星送入太空,这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统“北斗导航系统”,但由于起步较晚尚未得到广泛应用。目前在我国应用最多的还是美国的GPS系统.全球定位系统(GPS)自问世以来,其相关技术不断发展,迅速渗透到科技、军事、生活的各个领域。自主定位的GPS接收机取代了原有的导航定位设备,提供更为准确、可靠的位置信息。高精度的GPS接收机及其相应的算法正逐步取代原有的旧的GPS接收机。而利用GPS载波信号来确定载体的姿态则是一种新的应用。从上世纪八十年代初开始,借鉴GPS载波相位差分技术和干涉仪原理,便不断有人提出利用GPS来测量载体的航向和姿态。这一
21、技术迅速成为GPS研究的又一热点。建立在基线(长度从几米到数千公里)测量的精确载体导航和动态定位,仅仅是GPS应用领域的一部分.多GPS天线组合测量系统(通常由2、3或4个GPS天线集成,并采用天线配置技术安装在一个载体上)已成为GPS应用的重要分支.多GPS天线组合测量系统不仅可以提供载体的位置和速度信息,而且能够提供一定精度的载体姿态信息。利用相位干涉原理,采用天线布阵技术,可以实现载体的航向及姿态的测量3。传统的惯性导航系统(INS)或平台罗经系统是一种自主式导航系统,不受外界干扰,具有良好的隐蔽性。但它的定位误差随时间而积累,工作前的准备时间达数小时。不仅价格昂贵、设备复杂、体积庞大,
22、而且需要经常进行维护和检修.而GPS姿态测量系统利用GPS本身特有的优点,不仅能提供载体的位置、航迹、速度等基本信息,而且能提供载体航向、姿态信息。可以说是多种设备功能集于一身,并有精度高,实时性好,抗干扰能力强等特点。同时体积小,重量轻,稳定性高,成本低廉,最大特点是误差不随时间累积,无需实时校正和经常维护。因此非常适合装备于现代化船只、路上交通工具及飞行器等载体。随着GPS技术的不断发展,用GPS独立来进行定位测姿或与其它导航系统组合定位测姿已成为一种必然趋势4。1。2 国内外研究的现状及动态国外的GPS技术发展较早,美国在GPS系统1993年实现民用化以前,就开始进行GPS姿态系统的研究
23、了5。尽管GPS是为了提供精确定位和授时服务而设计的,但它潜在的测姿能力早在系统设计的初期就已被认识。1978年麻省理工学院的Coumselman和美国宇航局喷气推进实验室(JPT)的MacDoran等人提出了无码接收机的概念。通过适当的布局安装在同一平面上且不在同一线上的3个GPS天线,采用载波相位差分测量,天线之间构成的基线向量能够被精确地测定。因此,由基线所确定的载体平面姿态也同时被确定6。20世纪80年代初期,由于受GPS硬件性能和昂贵价格的制约,研究人员局限于系统仿真研究。利用GPS来确定姿态的第一次实验是由美国海军水面武器中心(NAVSWC)完成的。NAVSWC在1982年11月重
24、新处理了1980年5月收集的相位测量数据(作为GPS灵敏度的实验部分)。采用的方法是:单天线围绕一个精确的边长为2m的正三角的每个顶点停留数分钟收集数据。GPS接收机是由斯坦福通信公司(STI)制造的单卫星跟踪接收机。这次试验验证了当相位测量不中断时,它具有高精度改变位置估算的潜力。1985年1月,美国天宝(Trimble)公司开始了一个由NAVSWC提供的小型新技术研究(SBIR)合同,研制能确定位置和姿态的GPS接收机。1988年7月,该接收机在美国海军Yorktown号导弹巡洋舰上进行了试验,航向和姿态接收机(HAT)采用3个排成直角形阵列的天线.用于确定航向和纵摇的第一基线长60cm,
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