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1、摘要 I 摘 要 如今 GPS 系统已经广泛的应用于空中、陆地和海洋的定位与导航。GPS 以其全 球性、实时性、全天候连续、快速、高精度的导航/定位/授时功能，为全球用户提供 服务。利用 GPS 载波相位技术对载体进行定向和测姿的研究开辟了一个新的 GPS 应 用研究领域。本文针对双天线 GPS 接收机的载体姿态测定技术进行了探讨，在 GPS 载波相位测量载体姿态的理论基础上，设计了一种低成本、高灵活性的 GPS 测姿应 用系统。 本文首先讲解了 GPS 系统的原理，GPS 接收机的各个功能单元和 GPS 定位的基 本原理。接着介绍了 GPS 载波相位测量的基本原理，及其在载体姿态测定中的应用
2、。 重点阐述了应用双天线载波相位测量解算载体姿态的差分模型算法和快速求解整周模 糊度的新方法。在此基础上应用加拿大 NovAtel 公司的两块 OEMV-1 板卡和飞利浦 公司的 ARM7 芯片给出了系统软、硬件实现方案。用 C 语言编写了卫星载波相位测 量和星历参数等原始数据的接收、解算程序以及模糊度求解算法后的处理程序。 最后通过姿态后处理程序对测得的卫星数据进行解算，得出了实验结果。结果表 明该系统能够满足二维常规姿态测量的要求并具有较高的解算精度。 关键词 GPS； 载波相位； 姿态测定； 整周模糊度； OEM； ARM 江苏科技大学工学硕士学位论文 II Abstract III A
3、bstract Currently, the Global Positioning System (GPS hereafter) has been widely used in the air, land and marine positioning and navigation. GPS provides services for customers all around the world as its functions of navigation, positioning and timing with globalization, real time performance, all
4、 weather, fast speed and high precision. The research of attitude determination explores a new area in GPS application by using GPS carrier phase measurement. Aiming at carrier attitude determination by the two-antenna GPS receiver, this thesis discusses the principle and designs a method to measure
5、 the carrier attitude by using two-antenna, with lower cost and higher performance. This thesis firstly explains the theory of GPS system and the parts of GPS receiver. Secondly the article introduces the principle of determination carrier attitude using carrier phase, especially puts focus on the d
6、ifferential model algorithm using two-antenna carrier phase and fast ambiguity resolution to compute the carrier attitude. Thirdly, it is put forward the implementation scheme of system software/hardware by using the NovAtel OEMV-1 receiver and the Philips ARM7 chip and the C language program is com
7、piled to pick up the satellite carrier phase data, ephemeris data and other data, which resolutes the ambiguity for data post processing. Finally, the attitude solution program is given to calculate the determination data. The experimental results demonstrate that the system meets the common require
8、d specifications and reaches a high precision resolution. Keyword GPS; Carrier Phase; Attitude Determination; Integer Ambiguity; OEM; ARM 江苏科技大学工学硕士学位论文 IV 目录 V 目 录 摘 要 I AbstractIII 第 1 章 绪论1 1.1 引言1 1.2 国内外研究的现状及动态2 1.3 课题的科学意义和应用前景4 1.4 课题研究工作及论文主要内容4 第 2 章 GPS 卫星导航定位系统 5 2.1 GPS 概述5 2.2 GPS 系统的组
9、成6 2.2.1 空间星座部分.6 2.2.2 地面监控部分.7 2.2.3 用户设备部分.8 2.3 GPS 接收机9 2.3.1 GPS 信号接收机的主要单元 .9 2.3.2 GPS 接收机的工作原理 .10 2.4 参考坐标系11 2.5 GPS 信号的基本结构14 2.6 导航电文15 2.7 本章小结16 第 3 章 GPS 定位原理及相关技术 .17 3.1 利用到达时间测量值测距的原理17 3.1.1 二维位置确定.17 3.1.2 通过多个球面的相交实现三维定位.18 3.2 伪距法定位测量原理19 3.3 载波相位定位测量原理24 3.3.1 多普勒频移测量.25 3.3.
10、2 载波波数和整周跳变.26 3.4 本章小结28 第 4 章 应用 GPS 载波相位测量载体姿态 29 4.1 基于载波技术的载体姿态求解原理29 4.1.1 GPS 测量数学模型 .29 4.1.2 线性化测量方程32 4.1.3 GPS 差分运算 .33 4.2 整周模糊度快速解算技术35 4.2.1 整周模糊度的求解.35 4.2.2 搜索空间的简约和 T 矩阵定义38 4.2.3 简约空间内搜索N39 4.3 GPS 测姿精度分析40 江苏科技大学工学硕士学位论文 VI 4.4 本章小结40 第 5 章 实验系统设计41 5.1 NOVATEL OEMV-1 板简介.41 5.1.1
11、 NovAtel OEMV-1 板的组成.42 5.1.2 NovAtel OEMV-1 板的硬件系统配置.42 5.2 NOVATEL OEMV-1 板的原始数据采集与处理 .44 5.2.1 接收机输出的数据格式.44 5.2.2 接收机的具体二进制数据分析.45 5.2.3 原始二进制数据采集与解算.49 5.3 ARM7 的系统硬件设计49 5.3.1 天线单元.50 5.3.2 接收机单元.50 5.3.3 接口单元.50 5.3.4 系统数据处理和控制单元.51 5.4 ARM7 LPC2138 系统模块51 5.4.1 LPC2138 的硬件资源 .52 5.4.2 LPC213
12、8 的软件资源 .53 5.5 本章小结54 第 6 章 实验测试结果55 6.1 测姿系统软件实现流程55 6.2 实验仿真结果56 6.3 本章小结58 结 论59 参考文献61 附录 1.65 攻读学位期间发表的学术论文67 致 谢69 Catalog VII Catalog 摘 要 I AbstractIII Chapter 1 Introduction1 1.1 Preface1 1.2 Research Status Home and Abroad2 1.3 Scientific Meaning and Future Application4 1.4 Main Contents.4
13、 Chapter 2 Global Satellite Navigation and Positioning System Introduction5 2.1 GPS Summary 5 2.2 GPS Somposition6 2.2.1 Constellation Section .6 2.2.2 Control Section 7 2.2.3 Users Equipment.8 2.3 GPS Receiver8 2.3.1 GPS Receiver Main Unit9 2.3.2 GPS Receiver Working Principle.10 2.4 Reference Coor
14、dinate.11 2.5 GPS Signal Basic Frame.14 2.6 Navigation Message .15 2.7 Summary.16 Chapter 3 GPS Positioning Principle.17 3.1 Measurement Distance Principle using TOA.17 3.1.1 Determination Planar Position.17 3.1.2 Determination Three-dimensional Positon by Multi-sphere18 3.2 Pseudo-range Positioning
15、 Measurement Principle.19 3.3 Carrier Phase Positioning Measurement Principle.24 3.3.1 Doppler Frequency Measurment25 3.3.2 Carrier Phase Cycle and Cycle Slip.26 3.4 Summary.28 Chapter 4 Measurement Attitude Applying GPS Carrier Phase29 4.1 Attitude Solution based on Carrier Phase Technology.29 4.1.
16、1 GPS Measurement Model29 4.1.2 Linearized Measurement Equation 32 4.1.3 GPS Differential Operation33 4.2 GPS Fast Integer Ambiguity Resolution Technique 35 4.2.1 GPS Integer Ambiguity Resolution .35 4.2.2 Search Space Reduction and T Matrix Definiton 38 4.2.3 SearchNin the Reduced Space39 4.3 Attitude Measuremnet Precision Analysis .40 江苏科技大学工学硕士学位论文 VIII 4.4 Summary.40 Chapter 5 System Hardware Design41 5.1 NovAtel OEMV-1 Card Introducton41 5.1.1 NovAtel OEMV-1 Card Structure .42 5.1.2 NovA
