基于雙天線GPS接收機航向姿態測量方法

郭萬祿，潘玉純，翟崢嶸

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島 125000;2.中國人民解放軍91851部隊，遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

在新裝備研制論證過程中，擬選用JAVAD公司的JNSGyro-4T四天線GPS測姿設備作為航向姿態(偏航、縱搖、橫搖)測量設備，該設備內部含有4路GPS接收機，有較高的航向姿態測量精度，但購置經費昂貴。這里提出采用2套雙天線GPS實現載體航向姿態測量，通過2套GPS雙天線測姿系統分別測量得到2個基線在空間中的航向角和縱搖角。由1套GPS天線2個天線測姿系統輸出的航向角和縱搖角，利用另一套GPS兩天線構成的測姿系統輸出值計算出橫搖角。

問題提出后，在項目研制前對此專門進行了預研分析和實驗驗證，實驗驗證了采用此方法可以完成載體的航向姿態測量，結果能夠滿足該型測量裝備對載體姿態實時測量的要求，節省了大量經費。

1 航向姿態測量方法

通常采用幾種姿態探測器及其相應的數據處理方法確定目標或載體相對于某個基準確定航向姿態。其航向姿態確定的精度取決于數據處理方法與姿態探測器所能達到的精度。

1.1 慣性導航(INS)方法

慣性導航測量利用慣性敏感元件測量載體相對慣性空間的運動參數，根據初始條件計算出目標的姿態、方位、速度和位置參數，從而完成航向姿態的測量任務。INS是一個自主式的空間基準保持系統，慣性測量裝置包括3個加速度計和3個陀螺儀，前者用來測量運載器的3個平移運動的加速度;后者用來測量運載器的3個轉動運動的角位移。對測出的加速度進行2次積分，可解算出運載器在所選擇的導航參考坐標系的位置。

1.2 GPS航向姿態測量方法

GPS測姿是在一個運動載體的幾個不同位置上分別安裝GPS接收天線，利用GPS載波相位測量求解出運動載體的三維姿態參數。GPS測姿平臺的平面只能由3點或2個非重疊或平行的矢量來確定，因此最少需要在運動載體上安裝3根GPS信號接收天線，這樣才能形成2條獨立的基線來實施GPS姿態測量。

1.2.1 兩天線測姿

使用2根GPS天線進行運動載體的姿態測定，只能估計出2個姿態角。GPS天線在載體坐標系中的配用示意圖如圖1所示。

圖1 GPS天線在載體坐標系中的配用

如圖1(a)所示，L12為A1，A2基線的長度。天線A1到天線A2的矢量方向可以確定偏航角，天線A1的坐標為(L12，0，0)T，將天線設置為載體坐標系和當地水平坐標系的原點，而不必利用姿態參數矩陣，可以采用直接計算法來計算偏航角和俯仰角:

通過對GPS載波相位的觀測，能夠極其精確地測定天線A2相對天線A1在WGS－84地心系坐標的三維位置，再將其變換成以天線A1為原點的當地坐標系的坐標，然后就可以由式(1)和式(2)解算出偏航角和俯仰角。

1.2.2 多天線測姿

采用3根天線時，組成2條獨立的基線，其中基線12用于測定偏航角和俯仰角，基線13用于測定橫滾角，天線1、2、3在XOY平面內，且知基線12和基線13的夾角為α，可以精確測定。用前述兩天線測姿的公式可以確定偏航角和俯仰角。通過求出天線3的水平坐標系到載體坐標系轉換矩陣，從而得到橫滾角，如圖1(b)所示。

2 可行性分析

2.1 必要性

某型測量設備，采用DMU慣性導航類裝置測量載體航向姿態，在試驗準備過程中，需要對DMU航向姿態測量裝置進行海上消磁作業，以消除設備所處載體鐵磁物質環境對DMU測量結果的影響。海上消磁作業時，該設備安裝固定在載體上，拖船以最小半徑拖帶載體旋轉，有效測量數據不小于2圈，操作過程復雜，人員至少需要進行2次靠幫作業，尤其當海況條件惡劣時，容易出現斷纜現象，載體容易失控，存在較大安全隱患。因此，在建設此類新型測量裝備時，采用GPS測量載體航向姿態參數，避免海上消磁和跳幫等危險作業十分必要。

2.2 可行性

根據GPS多天線測姿原理方法，采用四天線測姿，4根天線配置成正方形，利用基線平面布局的特殊性，解算出幾個姿態矩陣元素，進而解算姿態角，不需要知道初始姿態，從理論上是可行的。選用2套雙天線GPS接收機，通過對2個天線接收到的GPS信號進行處理獲得以2個天線連線為基準的航向和俯仰角度，同時為了得到載體航向、俯仰和橫滾三維角度，將2套GPS接收機天線交叉放置，通過標校得到各天線的位置及輸出角度值，即可獲得GPS輸出角度與載體航向姿態間的轉換關系，根據姿態測量原理進行綜合處理，得到滿足要求的航向、俯仰/橫滾測角精度，并且研制經費會大幅下降。

3 驗證實驗

3.1 基本情況

實驗設備:Vector GPS航向測姿設備2套，設備支架1個，Leica TCA1201全站儀1套，筆記本電腦1臺。GPS四個天線呈正方形布設如圖2所示。

實驗過程:首先將2套Vector GPS航向測姿設備固聯在設備支架上，2套GPS天線的基線長均為50 cm，且它們之間相互正交。將全站儀調平，建立一個全站儀鉛垂體系，測量GPS航向測姿設備4個天線在其中的坐標;同時，利用筆記本電腦通過串口獲取GPS航向測姿設備的姿態測量結果輸出。通過對不同航向姿態情況下獲取的數據進行事后分析處理，驗證GPS航向測姿設備的航向和傾角測量精度。根據GPS航向測姿固聯坐標系的定義，由GPS天線主1和GPS天線從1構成測姿系統的輸出即為GPS航向測姿系統輸出的航向角和縱搖角，利用GPS天線主2和GPS天線從2構成的系統輸出值計算出橫搖角。

圖2 GPS四個天線布設支架結構

3.2 原理

利用全站儀測量得到全站儀鉛垂坐標系下GPS航向測姿系統4個GPS天線的坐標，利用這些坐標值可計算得到GPS航向測姿系統傾角輸出，即可得到其傾角測量精度。

將設備支架的航向姿態進行調整，利用全站儀測量得到全站儀鉛垂坐標系下調整后的4個GPS天線后的坐標值。通過計算獲得GPS天線在航向姿態調整后航向的變化真值，與利用2次GPS航向測姿系統輸出計算的航向差值進行比較，從而評定其航向角的測量精度。

假設設備在第1組情況下輸出的航向和傾角分別為α1、β1，對應的全站儀此時測量得到的GPS坐標分別為:GPS主1=［X主1Y主1Z主1］和 GPS從1=［X從1Y從1Z從1］;設備在第 2 組情況下輸出的航向和傾角分別為α2、β2、對應的全站儀此時測量得到的GPS天線坐標分別為 GPS主2=［X主2Y主2Z主2］和 GPS從1=［X從2Y從2Z從2］。由此可計算得到在2種姿態情況下的方位角變化量真值為:

而利用GPS航向測姿設備輸出的方位角計算可得到其方位角變化量為:ΔαGPS=α2－α1。則GPS航向測姿設備的方位角測量誤差為:Δα=ΔαGPSΔα全。與方位角類似，可計算得到俯仰角真值為:則GPS航向測姿設備的俯仰角測量誤差為:Δβ=β1－ β全。

3.3 實驗數據處理結果

在實驗中，每次測量后，對設備的航向姿態進行調整，共進行了8次航向姿態測量，得到8組全站儀鉛垂坐標系下的GPS天線坐標和相應的實驗組號對應的GPS輸出測姿結果。利用8組測姿文件可計算出每組的方位和俯仰角均值。全站儀測量得到的全站儀鉛垂坐標系下的GPS天線坐標第1組和第5組數據如表1所示。

表1 全站儀測量得到的GPS天線位置

圖3給出了8組實驗2套設備中1套設備中的1組輸出的方位和俯仰數據二維圖，其中實線是實時采樣數據，虛線是采樣時間內采樣數據計算得到的平均值。

圖3 第1組實驗設備1輸出的數據

根據前述實驗原理對數據進行分析和處理，計算出每組GPS測量數據的均值，利用全站儀測量每次設備的航向姿態調整后得到的4個GPS天線的坐標值。以某一序列數據為基準，計算GPS和全站儀各自的角度差，將全站儀的角度差作為數據真值，就可獲得GPS方位角、俯仰角的角度誤差和均方根誤差。從而評定其系統方位和俯仰角的測量精度，最后得到方位和俯仰角均方根誤差分別為0.9531°和1.34°。以上數據處理結果，GPS航向測姿設備的方位角和俯仰角測量數據能夠滿足某型測量設備對航向姿態測量指標要求。

4 結束語

在現有載體環境條件下，利用2套GPS雙天線測量設備實現多GPS天線測量載體實時的航向姿態，是根據現有的測量技術及設備實際情況，總結有關經驗進行的新嘗試，在項目建設工程實踐中，得到了充分驗證，取得了較好的效果，可以提高效率，節約經費。研制成功的裝備在實際使用中，航向姿態測量信息滿足了裝備使用要求。 ■

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