基于GPS系统的测向定位研究

摘要I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 OEMV-1 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； ARM江苏科技大学工学硕士学位论文IIAbstractIIIAbstractCurrently, the Global Positioning System (GPS hereafter) has been widely 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 determination explores a new area in GPS application by using GPS carrier phase measurement. Aiming at carrier attitude determination by the two-antenna GPS receiver, this thesis discusses the principle and designs a method to measure the carrier attitude by using two-antenna, with lower cost and higher performance.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 two-antenna carrier phase and fast ambiguity resolution 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, which 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.Keyword GPS; Carrier Phase; Attitude Determination; Integer Ambiguity; OEM; ARM江苏科技大学工学硕士学位论文IV目录V目 录摘 要 .IAbstract .III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 简约空间内搜索 N.394.3 GPS 测姿精度分析 .40江苏科技大学工学硕士学位论文VI4.4 本章小结 .40第 5 章 实验系统设计 .415.1 NOVATEL OEMV-1 板简介 .415.1.1 NovAtel OEMV-1 板的组成 .425.1.2 NovAtel OEMV-1 板的硬件系统配置 .425.2 NOVATEL OEMV-1 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 .515.4.1 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 1.65攻读学位期间发表的学术论文 .67致 谢 .69CatalogVIICatalog摘 要 .IAbstract .IIIChapter 1 Introduction.11.1 Preface .11.2 Research Status Home and Abroad .21.3 Scientific Meaning and Future Application.41.4 Main Contents.4Chapter 2 Global Satellite Navigation and Positioning System Introduction.52.1 GPS Summary .52.2 GPS Somposition.62.2.1 Constellation Section .62.2.2 Control Section .72.2.3 Users Equipment.82.3 GPS Receiver.82.3.1 GPS Receiver Main Unit.92.3.2 GPS Receiver Working Principle.102.4 Reference Coordinate .112.5 GPS Signal Basic Frame.142.6 Navigation Message .152.7 Summary.16Chapter 3 GPS Positioning Principle .173.1 Measurement Distance Principle using TOA .173.1.1 Determination Planar Position .173.1.2 Determination Three-dimensional Positon by Multi-sphere.183.2 Pseudo-range Positioning Measurement Principle.193.3 Carrier Phase Positioning Measurement Principle .243.3.1 Doppler Frequency Measurment.253.3.2 Carrier Phase Cycle and Cycle Slip .263.4 Summary.28Chapter 4 Measurement Attitude Applying GPS Carrier Phase .294.1 Attitude Solution based on Carrier Phase Technology.294.1.1 GPS Measurement Model .294.1.2 Linearized Measurement Equation .324.1.3 GPS Differential Operation.334.2 GPS Fast Integer Ambiguity Resolution Technique .354.2.1 GPS Integer Ambiguity Resolution .354.2.2 Search Space Reduction and T Matrix Definiton .384.2.3 Search Nin the Reduced Space.394.3 Attitude Measuremnet Precision Analysis .40江苏科技大学工学硕士学位论文VIII4.4 Summary.40Chapter 5 System Hardware Design .415.1 NovAtel OEMV-1 Card Introducton.415.1.1 NovAtel OEMV-1 Card Structure .425.1.2 NovAtel OEMV-1 Card Hardware .425.2 Gathering and Processing Original Data .445.2.1 Data Structure .445.2.2 Receiver Binary Data Analysis .455.2.3 Binary Original Data Gathering and Processing.495.3 Hardware System Composing .495.3.1 Antanna Unit .505.3.2 Receiver Unit .505.3.3 Interface Unit .505.3.4 Data process and Control Unit .515.4 ARM7 LPC2138 Nodel.515.4.1 LPC2138 Hardware Resource.525.4.2 LPC2138 Software Resource .535.5 Summary.53Chpter 6 Experiment Result .556.1 Attitude Measurement Software Flow.556.2 Experiment Result .566.3 Summary.58Conclusion.59References .61Appendix 1 .65Published Paper.67Acknowledge.69第 1 章 绪论- 1 -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。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”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。不江苏科技大学工学硕士学位论文- 2 -仅价格昂贵、设备复杂、体积庞大，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