GPS測姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

封勇韜，潘文良

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧大連 116023)

0 引言

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

傳統(tǒng)姿態(tài)測量［2］一般采用高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，具備不受外界干擾和測量精度高等優(yōu)勢，但其昂貴的造價(jià)、復(fù)雜的設(shè)計(jì)及隨著時(shí)間的推移越來越大的積累誤差也是很大的劣勢，導(dǎo)致其很難廣泛地推廣和應(yīng)用。相對(duì)來講，利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)測量具備體積小、安裝及攜帶方便、沒有積累誤差和造價(jià)低等優(yōu)勢，并且其精度能夠滿足大部分的目標(biāo)測量要求。

這里設(shè)計(jì)的GPS－2測姿系統(tǒng)［3］主要通過在運(yùn)動(dòng)載體布置3套GPS－2定位系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)差分信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，精確地測量出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航向角、橫滾角和俯仰角。測量中載體坐標(biāo)系、當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系和WGS84坐標(biāo)系之間需要轉(zhuǎn)換，這里不多做贅述。

1 總體設(shè)計(jì)

GPS－2測姿系統(tǒng)是由3個(gè)獨(dú)立的GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元和供電系統(tǒng)等部分構(gòu)成，通過接收機(jī)接收GPS原始數(shù)據(jù)觀測量，利用數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，通過解析原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，提取相應(yīng)的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用四元代數(shù)的方法計(jì)算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的姿態(tài)角。

GPS－2測姿系統(tǒng)的GPS天線布置在運(yùn)動(dòng)載體的首位線和中垂線上，3個(gè)接收機(jī)分別通過2個(gè)串口連接接口電路［4］和外掛數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，傳輸?shù)街行奶幚韱卧源龑?shí)時(shí)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(shù)據(jù)以備事后處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元同時(shí)接收地面基準(zhǔn)站發(fā)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(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收機(jī)采用的是美國TOPCON公司的GGD112T OEM板，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元把接收機(jī)串口發(fā)出的數(shù)據(jù)通過并口連接到中央處理工控機(jī)。中央處理工控機(jī)負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)和差分信息的收集，并完成整個(gè)數(shù)據(jù)的處理和分析工作，同時(shí)輸出數(shù)據(jù)的最后處理結(jié)果。

2 系統(tǒng)工作流程

為了優(yōu)化程序，開發(fā)了一種使用VC與Matlab混合編程的方法［5］。利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力來完成載波相位的差分解算和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等功能，轉(zhuǎn)換為C#語言進(jìn)行多線程編譯處理，結(jié)合2方面的優(yōu)勢大大地提高了其運(yùn)行效率。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

中央處理工控機(jī)發(fā)出上行指令，使各個(gè)接收機(jī)接收原始數(shù)據(jù)并從串口A輸出1 Hz的原始數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元在接收各接收機(jī)發(fā)來的1 Hz的原始數(shù)據(jù)和電臺(tái)天線接收的相應(yīng)GPS差分信息，并傳輸至中央處理工控機(jī);中央處理工控機(jī)在接收到由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)和差分信息后進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理，輸出解算結(jié)果并進(jìn)行地圖顯示。

3 數(shù)據(jù)的采集和提取

數(shù)據(jù)的采集分為兩部分:1 Hz的實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的采集和20 Hz的事后處理數(shù)據(jù)的采集。為了完成這項(xiàng)工作，必須發(fā)出2條上行指令使接收機(jī)分別通過2個(gè)串口輸出不同頻率的原始數(shù)據(jù)。

由自研外掛數(shù)據(jù)記錄器在連接接收機(jī)的同時(shí)自動(dòng)發(fā)出上行指令，使接收機(jī)通過串口C輸出20 Hz的原始數(shù)據(jù)流至記錄器;由中央處理工控機(jī)發(fā)送采樣頻率1 Hz的上行指令，使接收機(jī)通過串口A輸出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。中央處理工控機(jī)接收原始數(shù)據(jù)后，通過信息標(biāo)志來判斷該串信息流是什么信息，把識(shí)別出來的數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的變量數(shù)組中。

由于與JAVAD接收機(jī)之間的通信采用的是16進(jìn)制規(guī)范，它不是以字符的形式進(jìn)行通信的，而是以一種具有數(shù)據(jù)標(biāo)志、固定長度和效驗(yàn)位信息流形式進(jìn)行。要分析其原始數(shù)據(jù)格式，必須提取相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)信息［6］:日期信息 struct RcvDate、時(shí)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(wèi)星星歷struct GPS Ephemeris，并進(jìn)行效驗(yàn)和有效性檢驗(yàn)。

4 姿態(tài)解算方法

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

式中，▽?duì)う諡檩d波相位差分觀測量;G為衛(wèi)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(tài)計(jì)算矩陣，Rb為天線基線矢量;v為測量噪聲。

將姿態(tài)陣的九元數(shù)簡化為四元數(shù):

根據(jù)四元數(shù)的性質(zhì)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(shù)后很容易解出姿態(tài)陣，進(jìn)而解出航姿角來。

5 實(shí)踐應(yīng)用及結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研制經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)解算和動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證后進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。3個(gè)接收機(jī)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(yīng)的垂直線交點(diǎn)作為圖形的直角定點(diǎn)，天線極限長度為 1 m，解算［11，12］結(jié)果和船載陀螺平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。歷元數(shù)的3項(xiàng)姿態(tài)角的解算結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 俯仰角和航向角的計(jì)算結(jié)果

為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量及精度指標(biāo)，取200個(gè)連續(xù)歷元的姿態(tài)角計(jì)算結(jié)果與船載陀螺平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)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(dòng)角的解算結(jié)果為0.38°。由上述數(shù)據(jù)結(jié)果證明，此方法和設(shè)計(jì)方案是有效可行的，但是整體數(shù)據(jù)解算過程中存在歷元數(shù)據(jù)丟失的情況。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)為原有GPS測量系統(tǒng)的擴(kuò)展和完善，完全從實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，為在本專業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供擴(kuò)展的思路。在實(shí)際應(yīng)用中多次出色的完成了外場運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)測量任務(wù)，數(shù)據(jù)記錄完整有效，數(shù)據(jù)處理結(jié)果良好。實(shí)踐證明證明姿態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原始數(shù)據(jù)解碼軟件可行性和可用性，姿態(tài)測量方法理論研究的正確性和實(shí)用性。在數(shù)據(jù)丟失和精度上仍然需要進(jìn)一步分析和完善。 ■

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