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(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高動態(tài)、高精度技術的發(fā)展，為被傳統(tǒng)的測量手段和技術所困擾的船體姿態(tài)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(tǒng)姿態(tài)測量［2］一般采用高精度慣性導航系統(tǒng)來實現，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、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(tài)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(yōu)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(tǒng)［3］主要通過在運動載體布置3套GPS－2定位系統(tǒng)，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(tǒng)是由3個獨立的GPS接收機、數據傳輸鏈路、數據轉發(fā)單元和供電系統(tǒng)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(tài)角。

GPS－2測姿系統(tǒng)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(fā)單元同時接收地面基準站發(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)設計

接收機采用的是美國TOPCON公司的GGD112T OEM板，利用數據轉發(fā)單元把接收機串口發(fā)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(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(tǒng)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(yōu)勢大大地提高了其運行效率。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

中央處理工控機發(fā)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(fā)單元;數據轉發(fā)單元在接收各接收機發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(wèi)星星歷struct GPS Ephemeris，并進行效驗和有效性檢驗。

4 姿態(tài)解算方法

目前關于姿態(tài)解算方法［7，8］有很多種，這里主要采用利用四元代數［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(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(tài)陣，進而解出航姿角來。

5 實踐應用及結果分析

系統(tǒng)設計及研制經過實驗室靜態(tài)解算和動態(tài)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(tài)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(xù)歷元的姿態(tài)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(tài)測量系統(tǒng)為原有GPS測量系統(tǒng)的擴展和完善，完全從實踐應用出發(fā)，為在本專業(yè)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(tài)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(tài)測量系統(tǒng)的設計、原始數據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(tǒng)(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(tài)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(wèi)星測量原理與應用［M］.北京:測繪出版社，1992.

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［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.

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

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