GPS三維姿態測量技術研究

梁挺+韓瑞+丁昨凱+柳井莉

【摘要】 隨著科技的進步，GPS在近幾年來有了不錯的發展，運用GPS三維動態的方式測量載體的姿態信息。GPS的姿態測量速度快而且精準度高，所以受到人們的廣泛運用。在人們的不斷的改良，尋找到一種合適的光纖來替代電纜，降低電纜的功耗，而且還能減少電磁的干擾，研制了一種光載GPS一機多天線的系統。在GPS三維姿態測量基本原理，載波相位差分測姿態等方面分析，進行研究。

【關鍵詞】 GPS 姿態測量 載波相位差分 模糊度函數 雙查解析

前言：GPS三維姿態測量是隨著科技的進步，新型發展起來的一門技術。它的特點是無累計誤差、無需對準。成本低，精確度高，不會受到氣候影響等優點，這與傳統的GPS系統有了很大的不同。傳統的GPS系統是有電纜所構成的，成本高，而且精確度不高，GPS三維姿態測量的出現，為GPS的運用做出了重大的貢獻。

一、國內外的發展情況

利用GPS載波相位差來測量載體早在很久以前就被人們所所想到了，但在1978年的時候，被美國科學家所研究出來，確立了載波相位差分測量和天線之間基線向量所能夠做到精確的測量，但在80年代的時候由于硬件的價格昂貴，所以研究人員一直都是仿真的研究，直到一次偶然的機會，在美國海軍水面武器上得到了運用，在此之后，由一個美國公司提供資金，研制出姿態的GPS接收機，并在美國的海軍上再一次的試用，取得了不錯的成功。

隨著技術的不斷進步，在90年代的時候，美國的各個公司開始爭相的進行研制，由最初的基線長度1m增加到了5m，姿態測量的精準度也有0.331。增加到了0.06。，美國對GPS姿態測量技術有著不錯的研究，而中國在GPS定位應用等方面進行了研究，還取得了不錯的發展。國家重視GPS的研究，與之相關的大學都進行了對GPS定位的研究，驗證出GPS載波相位干涉儀的測姿原理，姿態的測量度也有了很大的改變，精確度得到了提高。

二、GPS的工作原理

GPS系統的構成是有三個部分：GPS衛星星座圖、地面監控和GPS信號接收器。GPS衛星星座的作用是給用戶設備提供數據電文和相關的數據信息，地面監控系統顧名思義就是對空間里的各個衛星進行監控和定位，監控衛星的信號是否良好，定位衛星是否在軌道上行駛，也是確立一些用戶的位置、速度和時間的定位。前面兩部份的完成，由GPS接收機所完成，三個系統相互配合所完成。利用載波相位和偽距進行進行組合測量，主要有兩種方法：

2.1偽距ρ（t）與載波相位Φ（t）的近似關系式：

載波相位的調節能力有限：載波相位的數據相對偽距很小，單次測量對結果影響較小，衛星中通過長時間跟蹤的總體累計產生影響。用載波相位雙差計算可以減少計算量，而且計算結果準確性也相對較高。載波相位雙差在三維姿態上得到了廣泛的應用。

三、三維姿態測量系統誤差來源分析及消除方法

GPS衛星站測距會產生誤差，產生誤差的原因有很多種，而且是不同的來源造成誤差產生的效果也不同。

1、衛星星歷誤差。在衛星測量中，GPS衛星是作為動態已知的點進行運算的，但實際上我們是從GPS導航電文中所記錄下來的衛星星歷的數據，然后記做是衛星的實時坐標，這就與之前的坐標所產生誤差，但這種誤差是已經記錄在用戶位置中的結果，從而導致了GPS衛星定位上的誤差，這對定位的影響是非常的大，這也是GPS定位系統產生誤差的主要原因之一。

2、傳播誤差。在地球的表面50到1000千米之間，有一層電離層，由于太陽光線的照射導致電離層的中性氣體分子被電離，GPS在穿過電離層時，會導致GPS信號的路徑改變，GPS的傳播速度也會減慢，從而產生延誤差，機器與機器之間會差生時間上的延遲誤差。

3、多路徑誤差。GPS接受機到衛星站的距離是衛星發射的過程，在這個過程中產生一種信號叫做直接波，但在衛星的實際運作中，衛星要受到物體、衛星反射等一些干擾因素的困擾，那就接收器所產生的GPS信號就是由直接波和間接波所產生的合成波，這就造成了多種路徑的誤差，從而破壞了衛星站距離的測量，削弱了用戶接受信息的能力。

結論：GPS在創造之出以來，在軍事、地質勘測、交通等各個領域得到了廣泛的應用，而GPS姿態測量又是一個新領域，有很多的發展空間。GPS三維姿態測量可以增加增量的準確性，不會受到環境的影響，而且在使用的成本上也有所降低。GPS三維姿態測量所推出的新算法有改善了原來大量計算的缺點，促進GPS的效率，但GSP三維姿態測量在性能上還有待加強。

參 考 文 獻

[1]劉若普. GPS三維姿態測量技術研究[D].上海交通大學，2015.

[2]廖國軍. GPS三維姿態測量技術的研究[D].西華大學，2011.

[3]張靜. 車載平臺姿態及天線位置確定技術研究[D].山東科技大學，2015.