GPS測姿系統設計與應用

封勇韜，潘文良

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧大連 116023)

0 引言

美國全球衛星定位系統(Global Position System，GPS)具備全球、全天候、24 h連續高精度定位和測速能力［1］。GPS測量系統的不斷成熟和完善徹底改變了傳統的測量手段和方法，特別是GPS高動態、高精度技術的發展，為被傳統的測量手段和技術所困擾的船體姿態測定問題的解決提供了可能，對海道測量結果精度的提高意義重大。

傳統姿態測量［2］一般采用高精度慣性導航系統來實現，具備不受外界干擾和測量精度高等優勢，但其昂貴的造價、復雜的設計及隨著時間的推移越來越大的積累誤差也是很大的劣勢，導致其很難廣泛地推廣和應用。相對來講，利用GPS進行實時的姿態測量具備體積小、安裝及攜帶方便、沒有積累誤差和造價低等優勢，并且其精度能夠滿足大部分的目標測量要求。

這里設計的GPS－2測姿系統［3］主要通過在運動載體布置3套GPS－2定位系統，利用實時傳輸的數據差分信息進行實時解算，精確地測量出運動目標的航向角、橫滾角和俯仰角。測量中載體坐標系、當地水平坐標系和WGS84坐標系之間需要轉換，這里不多做贅述。

1 總體設計

GPS－2測姿系統是由3個獨立的GPS接收機、數據傳輸鏈路、數據轉發單元和供電系統等部分構成，通過接收機接收GPS原始數據觀測量，利用數據鏈路傳輸到數據處理單元，通過解析原始數據的結構，提取相應的信息并進行數據處理，利用四元代數的方法計算運動目標的姿態角。

GPS－2測姿系統的GPS天線布置在運動載體的首位線和中垂線上，3個接收機分別通過2個串口連接接口電路［4］和外掛數據記錄器，如圖1所示。連接接口電路的串口輸出采樣頻率為1 Hz的原始數據，傳輸到中心處理單元以待實時差分處理;連接記錄器的串口輸出采樣頻率為20 Hz的原始數據以備事后處理。數據轉發單元同時接收地面基準站發布的載波相位差分改正信息并傳輸至中心處理單元。

圖1 艦船姿態測量系統設計

接收機采用的是美國TOPCON公司的GGD112T OEM板，利用數據轉發單元把接收機串口發出的數據通過并口連接到中央處理工控機。中央處理工控機負責原始數據和差分信息的收集，并完成整個數據的處理和分析工作，同時輸出數據的最后處理結果。

2 系統工作流程

為了優化程序，開發了一種使用VC與Matlab混合編程的方法［5］。利用Matlab強大的數據處理能力來完成載波相位的差分解算和坐標系統轉換等功能，轉換為C#語言進行多線程編譯處理，結合2方面的優勢大大地提高了其運行效率。系統工作流程如圖2所示。

圖2 系統流程

中央處理工控機發出上行指令，使各個接收機接收原始數據并從串口A輸出1 Hz的原始數據到數據轉發單元;數據轉發單元在接收各接收機發來的1 Hz的原始數據和電臺天線接收的相應GPS差分信息，并傳輸至中央處理工控機;中央處理工控機在接收到由數據轉發單元傳輸的原始數據和差分信息后進行相應的分析、處理，輸出解算結果并進行地圖顯示。

3 數據的采集和提取

數據的采集分為兩部分:1 Hz的實時處理數據的采集和20 Hz的事后處理數據的采集。為了完成這項工作，必須發出2條上行指令使接收機分別通過2個串口輸出不同頻率的原始數據。

由自研外掛數據記錄器在連接接收機的同時自動發出上行指令，使接收機通過串口C輸出20 Hz的原始數據流至記錄器;由中央處理工控機發送采樣頻率1 Hz的上行指令，使接收機通過串口A輸出相應的原始數據。中央處理工控機接收原始數據后，通過信息標志來判斷該串信息流是什么信息，把識別出來的數據存放到相應的變量數組中。

由于與JAVAD接收機之間的通信采用的是16進制規范，它不是以字符的形式進行通信的，而是以一種具有數據標志、固定長度和效驗位信息流形式進行。要分析其原始數據格式，必須提取相應的原始數據信息［6］:日期信息 struct RcvDate、時間信息struct RcvTime、位置信息struct Pos、L1載波相位信息 struct Phase P1、L2載波相位信息 struct Phase P2以及衛星星歷struct GPS Ephemeris，并進行效驗和有效性檢驗。

4 姿態解算方法

目前關于姿態解算方法［7，8］有很多種，這里主要采用利用四元代數［9，10］的方法。GPS載波相位雙差測量寫成矩陣形式為:

式中，▽Δφ為載波相位差分觀測量;G為衛星指向矩陣;N為整周模糊度;Rn為WGS84基線矢量矩陣;Rn=Rb，為姿態計算矩陣，Rb為天線基線矢量;v為測量噪聲。

將姿態陣的九元數簡化為四元數:

根據四元數的性質則有約束條件為:

利用拉格朗日算子λ可以把式(4)化為無條件的極值問題:

解出四元數后很容易解出姿態陣，進而解出航姿角來。

5 實踐應用及結果分析

系統設計及研制經過實驗室靜態解算和動態仿真驗證后進行實踐應用。3個接收機天線按照直角三角形的分布安裝在視野開闊的甲板上，以艦船的中軸線及其相應的垂直線交點作為圖形的直角定點，天線極限長度為 1 m，解算［11，12］結果和船載陀螺平臺的數據進行比對。歷元數的3項姿態角的解算結果數據如表1所示。

表1 俯仰角和航向角的計算結果

為了檢驗數據質量及精度指標，取200個連續歷元的姿態角計算結果與船載陀螺平臺的數據進行比對，比對結果如圖3所示。

方向角的測量精度為0.2°，俯仰角的測量精度為0.27°，滾動角的解算結果為0.38°。由上述數據結果證明，此方法和設計方案是有效可行的，但是整體數據解算過程中存在歷元數據丟失的情況。

6 結束語

設計的GPS姿態測量系統為原有GPS測量系統的擴展和完善，完全從實踐應用出發，為在本專業實際應用提供擴展的思路。在實際應用中多次出色的完成了外場運動載體姿態測量任務，數據記錄完整有效，數據處理結果良好。實踐證明證明姿態測量系統的設計、原始數據解碼軟件可行性和可用性，姿態測量方法理論研究的正確性和實用性。在數據丟失和精度上仍然需要進一步分析和完善。 ■

［1］劉大杰，施一民，過靜君.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理［M］.上海:同濟大學出版社，1997.

［2］許江寧，朱 濤，卞鴻巍.GPS姿態測量技術綜述［J］.海軍工程大學學報，2003(3):17－22.

［3］周忠謨，易潔軍，周 琪.GPS衛星測量原理與應用［M］.北京:測繪出版社，1992.

［4］李現勇.Visual C++串口通信技術與工程實踐［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［5］戚科駿，宰金珉，梅國雄.C++和Matcom混合編程在數值計算編程的應用［J］.南京建筑工程學院學報，2002(4):32－35.

［6］李洪濤，許國昌，薛鴻印，等.GPS應用程序設計［M］.北京:科學出版社，2003.

［7］劉瑞華，張 鵬.基于改進LAMBDA算法的GPS載波相位測姿技術研究［J］.航天控制，2010(3):98－102.

［8］李獻球，甘興利，李 雋.GPS衛星導航系統多頻姿態測量技術研究［J］.無線電工程，2012，42(4):27 －29.

［9］段志勇，袁 信.基于四元數方法的 GPS航姿解算［J］.南京航空航天大學學報，1999，10(5):492 －494.

［10］陳萬春，肖葉倫，趙麗紅.四元數核心矩陣及其在航天器姿態控制中的應用［J］.航空學報，2000，9(5):389－392.

［11］郭萬祿，潘玉純，翟崢嶸.基于雙天線GPS接收機航向姿態測量方法［J］.無線電工程，2012，42(5):49 －52.

［12］王立紅，郝繼平，湯 云.基于最小二乘法的GPS多天線測姿及精度分析［J］.測試技術學報，2007(1):330－332.