基于gps的某型舰船姿态测量算法和天线布局研究

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1、基于GPS的某型舰船姿态测量算法和天线布局研究孙海文，欧阳中辉，杜亚杰（海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台264001）摘要：利用载波相位GPS在舰船上进行GPS接收机布局设计和测姿实施过程中，如何快速求解出姿态角和布局GPS接收机来提高测量精度是当前研究的热点。在此采用直接法计算出舰船的姿态角，进一步通过分析基线长度研究GPS接收机的布局与舰船姿态测量精度的关系。首先介绍舰船测姿的基本概念及各坐标系之间的关系；然后通过直接法分析推导出测量航向角的模型，建立基线长度对测量精度的影响，从而得到基线越长，测角精度越高的结论。通过仿真试验进行验证，该结论为架设GPS接收机提高测角精

2、度提供了参考依据。关键字：姿态测量；直接法；测量精度；基线长度中图分类号：TN98?34文献标识码：A：1004?373X（2015）14?0042?03收稿日期：2014?12?220引言利用载波相位技术进行定位是目前研究的热点话题，由于GPSL1载波波长很短为19cm，载波相位测量噪声很小，因此测量精度高，所以可以达到很高的定位精度。对此许多人做了研究，并将此技术应用到姿态测量领域[1?3]。利用载波相位GPS进行测姿已逐渐应用于卫星、导弹、飞机、船舶、汽车等高动态载体上[4?6]。本文重点研究舰船姿态角的测量，尤其是航向角度的测量问题[7]（船上的惯导设备可以提供符合要求的纵横

3、摇角的精度）。对于姿态解算算法有很多，例如融合TRIAD算法[8]、四元数算法[9]、直接算法[10]等。直接算法是通过代数方法求解载体的姿态角，其优点是原理简单易懂，计算速度快，实时性好。1舰船测姿的基础概念1.1舰船姿态角定义舰船姿态角[11?12]一般是指船舶甲板坐标系相对当地水平坐标系之间关系的角度，姿态角包括纵摇角（P）、横摇角（R）、航向角（Y）。用坐标系O?xyz来表示水平坐标系，姿态角定义如图1所示。舰船相对于水平坐标系x轴的相对旋转角度定义为纵摇角，右手定则x轴正方向沿着手指方向转为正，否则为负；y轴的相对旋转角度定义为横摇角，右手定则y轴正方向沿着手指方向转为正，

4、否则为负；z轴的相对旋转角度定义为航向角，右手定则z轴正方向沿着手指方向转为正，否则为负。1.2舰船测姿的坐标系（1）地心地固坐标系。地心地固坐标系（ECEF）是非惯性坐标系，在地心惯性系中，它以地球自转的角速度旋转。如图2所示，地心地固坐标系的原点Oe位于地球质量中心，ze轴指向地球北极，xe轴指向地球赤道与本初子午线的交点，ye轴在赤道平面上，它与xe轴和ze轴构成右手直角坐标系。其下坐标用（xe，ye，ze）表示，该系统的实现称为协议地球参考框架（TRF）。GPS采用的D，OHSD.Three?axisattitudedeterminationfromvectorobserva

5、tions[J]．JournalofGuidanceandControl，1981，4（1）：72?77.[10]李俊毅.GPS姿态测量及相关技术的研究[D].南京：信息工程大学，2004.[11]杨铁军，张晓玲，付毓生，等.基于DSP的GPS双天线实时姿态测量系统实现[J].电波科学学报，2002，17（6）：661?665.[12]黄德武.GPS变形监测中多路径效应影响研究[D].成都：西南交通大学，2005.简介：孙海文（1990—），男，山东烟台人，硕士。主要研究方向为软件工程。