姿态测量中GPS双频观测的应用
姿态测量中GPS双频观测的应用
摘要:随着GPS定位技术的发展和完善，利用GPS进行动态载体的姿态测量具有广阔的发展前景。姿态测量问题中，实时、高精度的解算整周模糊度是关键。利用双频观测,RATIO检验等方法进行单历元整周模糊度的解算，得到较好的结果。因此，这一方法可以应用到动态载体姿态测量当中去。
关键词:GPS;双频观测;姿态测量姿态 测 量 一般应用于卫星、航天器、载人机、无人机、船舶、汽车等高动态的载体上，这些载体要求姿态测量系统具有精度高、实时性强、安装方便等特点。全球定位系统的发展和各种算法的出现使得应用GPS进行姿态测量成为必然和发展趋势。动态载体姿态的确定，其关键问题在于单历元解算整周模糊度。对于GPS静态定位时通过一定的时间求取整周模糊度已经不是什么困难的事了。但是，在动态定位中，尤其是在高动态定位中，如何高效、准确地解算整周模糊度是GPS定位中最重要的一个课题。为此，国内外许多学者对此进行研究，并提出了许多解决的方法，如:OTF,LS ,LA MBDA等等。但是，这些方法，由于其整周模糊度搜索空间过大，不能很好地符合单历元解算整周模糊度的要求。本文利用双频观测以及实际测量中的约束条件，来缩小周模糊度的搜索空间，从而达到快速解算整周模糊度并进行高精度姿态测量的目的。
其中,}oti(i二1,2)为载波相位观测值
i(i二1,2)为码观测值，他们又可以是各类差分观测值的组合，对应的频率分别为fI和介;“为未知的电离层影响，u二P/c+A8(P为卫星至接收机的距离;c为光速;08为钟差及对流层等影响的有效距离偏差)。由式 ( 1) 可以得到
一、双频观测
利用 双 频 P码和相位观测值的线性组合实施扩频技术是最早用于OTF求解模糊度的方法之一。这种方法是由Melbourne和Wuebbena(1985)提出，并有很多人在这方面进行了研究，如:Hatch(1986),Teunissen(1997),S j oberg(1 998,1 9 99)等。其实质是借助两个频率上的P码伪距观测值来求解宽巷整周模糊度，从而大大加快了整周模糊度的求解效率〔’一3]。对于现双频GPS接收机可选择组合码和载波相位观测值建立观测方程中，g=2力介/(片一滩)，h二(片+滩)/(片-邓)lg和h的值分别为3.9674和2.0195，由于码相位P;及P:的高度不确定性，并且在N;和N2的求解中被g和h加以放大，其标准差约为8，这表明，不能直接利用式(2)将整周模糊度固定到正确值。因此可以利用宽巷进行整周模糊度的解算Nw=01一0:一[(f;一f2)1(fl+f2)](P I+P2)(3 )式中，P1+P:的系数为(fl一介)(fl+f2)<1。码观测值P1,P :的噪声受到有效抑制，波长放大为0.86 m，同时也削弱了各项相同误差的影响。所以，求解的宽巷整周模糊度N，的精度比整周模糊度N1和N:的精度要高得多，其理论精度可达0.25周。由于N，二N1一N2，因此如何从高精度的宽巷主要从事GPS动态定位的研究。整周模糊度N,中分解出高精度的整周模糊度N1和N2，便成为非常有意义的研究内容。将 N， 二 N1一N:代人式(1)并假定电离层影响可通过差分得到消除，则得观测值的误差方程式为
e0+}01A1=a+NIA,
e02·T2A2=二、1
一6.5
一7.0
一7.5
2
-15.5
(4) -16.0
式中，a= u c,。为光速;CO,e p 为观测值的随机误差;Ri=pea。则式(4)的最小二乘解为
-17.6
-17.8
-18.0
-18.2
1 . . … 1 .
(5)
2.186
R1+RZ
2.1 i
2.1 87
图1
2. 188 2 .1 89
/周式中，N0二oi- ,(i=1,2)。由式(5)得到的宽宽巷模糊度的求解巷整周模糊度其理论精度为0.08周。可见，对短基线，在忽略电离层影响的基础上，应用式(5)可单历元解求整周模糊度值Ni，并且在理论上达到满意精度。
二、整周模糊度的搜索笔者 利 用 两台分别安装在轰一5飞机的引航舱和轰炸舱的Javad接收机(其天线安装在飞机的中轴线上，基线长为9m，采样频率为20 Hz，实验时间为2003年4月，飞行高度6 000 m)的数据进行计算，发现在实际测量中，利用式(5)求解的整周模糊度抖动较大不能直接应用到实际求解中，图1所示为PRN24,PR N4,PR N10宽巷整周模糊度的计算结果。图2所示为PRN24,PR N4,PR N10由宽巷整周模糊度直接计算得到的L1的整周模糊度。由图可以看出，模糊度的抖动比较大不能直接利用宽巷计算结果，因此，必须在此基础上进行模糊度的搜索[3,410在模 糊 度 搜索空间的建立上，主要有两类:基于整周模糊度建立搜索空间和基于坐标改正建立搜索空间。如果基于整周模糊度建立搜索空间的话，由于利用双频改正后，整周模糊度的精度可达1周左右，但是也有大于1周的情况，为此，可以建立士3周的模糊度搜索空间，则在观测7颗卫星的情况下，搜索次数为46 656。考虑到利用双频观测求解出整周模糊度的精度在1周左右，同时飞机的飞行高度为5
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