论文题目: 基于载波相位干涉测量的双星定向技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制科学与工程
作者: 逯亮清
导师: 胡德文
关键词: 双星导航定位系统,载波相位,干涉测量,模糊度,定向,定姿
文献来源: 国防科学技术大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文系统地研究了基于“北斗一号”卫星载波相位干涉测量原理实现地球静止双星定向的相关技术,主要研究成果包括以下几方面:首先,建立了利用两颗地球静止轨道卫星进行短基线定向的数学模型,分析了载波相位干涉测量的适用条件;采用传统的线性化解析法及蒙特卡洛随机模拟法两种途径对双星定向的精度进行了详细分析,数学仿真结果表明在高纬度地区线性化解析法由于俯仰角误差分析精度略有下降而不太适合;在分析定向精度确定性影响因素的基础上,提出了双星定向精度衰减因子ODOP的概念,揭示了双星定向误差特殊表现的内部机理,对实际工程应用具有重要的指导意义。其次,通过与GPS等多星系统定向关键技术的对比分析,指出双星定向模糊度确定的难度;在分析现有模糊度求解方法的基础之上,研究了基于交换天线思想的转动基线模糊度确定方法,并提出了适合于静基座的定轴转动极大/极小值FARMM法,以及适合于地面运动载体的等效转动极大/极小值ERMM法,前者降低了对转动机构的要求,后者则提高了天线安装的灵活性;同时,提出了一种借助外部辅助信息的模糊度函数搜索法实现单历元双星定向,并分析了对外部辅助单轴姿态信息的精度要求。再次,在基于运动解模糊的思想基础上,充分利用北斗卫星对地静止的特性,提出了一种非共面基线的双星定姿方法,并重点分析了对运动特性的要求,提出通过伴随小幅俯仰扰动的大角度偏航运动方式来有效解决载体平面运动的观测矩阵秩亏问题。数学仿真实验表明:当俯仰扰动幅度不小于5°时,可在30s(1Hz采样率)内以97%的成功率实现双星定姿模糊度初始化,并且利用5m基线可达到偏航0.0742°、俯仰0.0671°、滚动0.0867°的实时姿态解算精度。最后,对双星定向技术进行了工程实现,集成了一套实用的2.55m基线双星定向原型系统。通过大量实验,验证了FARMM与ERMM模糊度确定方法的可行性,以及全面的定向精度指标:在5min内的系统静基座定向重复精度为方位角最优0.007°、俯仰角最优0.006°,初步方位最优绝对精度为0.1038°,以及动态实时定向精度为方位角0.620°、俯仰角0.208°。此外,利用静态短基线及零基线实测数据,对双星载波相位单差噪声特性进行了统计分析,为所建立的双星定向数学模型中的随机模型部分作了实验验证。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
缩略语说明
第一章 绪论
1.1“ “北斗”卫星导航定位系统简介
1.1.1 系统组成及功能
1.1.2 系统定位体制及原理
1.2 卫星定向及其关键技术的发展及研究现状
1.2.1 卫星定向技术的发展及研究现状
1.2.2 模糊度技术的发展及研究现状
1.3 论文的研究意义
1.4 论文的研究内容、组织结构和主要贡献
1.4.1 研究内容及组织结构
1.4.2 主要贡献及创新点
第二章 双星定向方法研究
2.1 卫星定向基本原理
2.1.1 载波相位观测方程
2.1.2 载波相位干涉测量模型
2.1.3 多星系统单历元定向模型
2.1.4 双星系统单历元定向模型
2.2 基于转动基线的双星定向模糊度确定方法
2.2.1 基于运动思想的转动基线解模糊法
2.2.2 基于交换天线思想的转动基线解模糊法
2.3 基于外部辅助信息的双星定向模糊度函数方法
2.4 单星寻北方法探讨
2.4.1 解析法单星定向
2.4.2 检测法单星确定方位
2.5 周跳检测方法
2.6 本章小结
第三章 双星定向精度分析
3.1 观测方程线性化分析
3.2 双星定向精度线性化分析数学仿真
3.2.1 载波相位、基线长度测量精度对定向精度的影响
3.2.2 基线初始二维姿态对定向精度的影响
3.2.3 用户位置对定向精度的影响
3.2.4 基线长度与观测历元数对定向精度的影响
3.3 蒙特卡洛仿真分析
3.3.1 应用蒙特卡洛仿真的动机
3.3.2 随机数、正态分布随机变量的生成及采样点数的确定
3.3.3 蒙特卡洛仿真结果及与线性化分析的对比
3.4 双星定向误差特殊表现原因探析
3.5 本章小结
第四章 运动载体的双星定姿方法研究
4.1 非共面四天线定姿数学模型
4.2 双星定姿模糊度确定
4.2.1 基于运动的单差模糊度初值确定方法
4.2.2 卫星视线方向单位矢量初值解的存在性分析
4.3 定姿误差影响因素分析
4.4 双星实时定姿数学仿真
4.4.1 基本仿真参数及运动方式参数的设置
4.4.2 定姿成功率及精度分析
4.5 本章小结
第五章 双星定向技术的实现
5.1 双星定向系统组成
5.2 天线相位中心偏移标校实验
5.2.1 单天线瞬时相位中心漂移幅度标校
5.2.2 单天线稳定相位中心偏移标校
5.2.3 双天线稳定相位中心相对关系标校
5.3 双星定向静态实验
5.3.1 静态重复精度测试
5.3.2 静态绝对精度测试
5.4 双星定向车载动态实验
5.4.1 等效转动极大/极小值解模糊方法有效性验证
5.4.2 车载双星实时定向精度验证
5.5 双星定向实验精度分析
5.6 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 论文总结
6.2 研究展望
致谢
参考文献
博士就读期间发表和录用论文
附录 双星载波信号统计特性分析
1 相关性分析
2 正态性分析
3 结论
发布时间: 2006-09-14
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