GPS罗经测姿方法与展望

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1、DOI:10.13442/j.gnss.2013.01.024第３８卷第１期全球定位系统Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１２０１３年２月ＧＮＳＳＷｏｒｌｄｏｆＣｈｉｎａＦｅｂｒｕａｒｙ，２０１３＊ＧＰＳ罗经测姿方法与展望陈允约１，刘智敏１，２，３（１．山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛２６６５９０；２．海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东青岛２６６５９０；３．山东省基础地理信息与数字化技术重点实验室，山东青岛２６６５９０）摘要：罗经用于指示船舶、舰艇、火箭等运动载体在水平面内相对地球基准方向。与传统的电罗经和磁罗经相

2、比，ＧＰＳ罗经是一种新型的电子导航罗经，它集合了ＧＰＳ与ＩＮＳ测姿技术，具有更多的优点。叙述了ＧＰＳ罗经的组成原理及发展现状，详细阐述了ＧＰＳ罗经的三维测姿原理，并给出了算法流程，针对现有的研究现状和技术难点，分析了其发展趋势。关键词：ＧＰＳ；罗经；ＩＮＳ；姿态测量中图分类号：Ｐ２２９．２，Ｐ２４文献标志码：Ａ文章编号：１００８－９２６８（２０１３）０１－００６７－０６［２］和卫星指北修正，从而达到稳定指北的效果。传０引言统的电罗经具有漂移误差，系统误差会随工作时间罗经（Ｃｏｍｐａｓｓ）是一种指示船舶、飞机、火箭增加；磁罗经容

3、易受到仪器附近磁场强弱的影响，等运动载体在水平面内相对地球基准方向的仪表，与前两种罗经相比，ＧＰＳ罗经能够快速准确地指［３］简言之，它是一种测定方向基准的仪器，用于确定出航向且不受磁场强度和漂移误差的影响，具有航向和观测物标方位。传统罗经分为电罗经和磁体积小、精度高、定位速度快、易安装、免维护、价格罗经两种，其中，电罗经自１８５２年法国物理学家列低廉等诸多优点，因此，ＧＰＳ罗经正受到越来越多昂·傅科提出利用陀螺仪作为方向指示器的设想，的重视，在导航、测姿等领域具有相当广阔的应用［１］至今已使用一百多年。前景。２０世纪７０年代，

4、美国开始研制全球定位系统１ＧＰＳ罗经组成原理与发展现状（ＧＰＳ），该系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，具有高精度的导航、定位和授时等多种功能，１．１组成原理能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的ＧＰＳ罗经，通常也称作卫星罗经，是一种能够瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服满足现代导航定位需要的新型航向指示设备。它务。在ＧＰＳ实际应用中，除确定ＧＰＳ接收机载体可与雷达、自动舵、电子海图、船舶自动识别系统的位置外，有时还需了解载体的速度、姿态和航向（ＡＩＳ）、船载航行数据记录仪（ＶＤＲ）、以及卫星通［１］等运动信

5、息。利用ＧＰＳ载波相位测量技术能够实信设备等共同完成航海导航和通信任务。现载体的姿态测量，该技术现已被用于越来越多的ＧＰＳ罗经一般由ＧＰＳ接收机、数据处理器行业，尤其是各种飞行器和舰船的姿态确定。ＧＰＳ（或微处理器）和显示器三个部分组成，如图１所罗经则是利用了ＧＰＳ本身的特点对载体进行姿态示。ＧＰＳ接收机用于接收来自ＧＰＳ卫星的导航数测量，不仅能提供载体的位置、航迹、速度等基本信据，数据处理器则是根据ＧＰＳ罗经导航算法模型息，而且能提供载体航向、姿态信息。作为一种新和动态实时解算整周模糊度算法，解算出基线向量型的电子罗经，ＧＰ

6、Ｓ罗经利用接收到的ＧＰＳ信号，在大地坐标系中的解，继而得到运动载体的方位基于卫星定位解算出指北，然后采用三维惯性陀螺角、俯仰角和横滚角等技术参数。采用惯性陀螺的＊收稿日期：２０１２－１０－２０联系人：陈允约Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｙｕｎｙｕｅ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ·６８·全球定位系统第３８卷三维偏向参数，结合卫星定位精确指北数据进行循设备，ＧＰＳ罗经的出现不仅是船用导航罗经的技术环修正，达到稳定指北的目的。显示器则是显示处创新，也会对现行船行设备产生深远的影响。鉴于理器得出的相关技术参数。其中，数据处理器是ＧＰＳ罗经广阔的应用

7、前景，研发具有自主知识产权ＧＰＳ罗经的核心部分。惯性陀螺仪是惯性导航系的ＧＰＳ罗经不仅能够打破国外的垄断，而且具有极统（ＩＮＳ）中的主要惯性测量装置，用于测量载体的其重要的意义，也是ＧＰＳ技术发展与应用的必然趋三维角运动，经过积分运算求出载体姿态与航向。势。同时，ＧＰＳ罗经测姿也存在着一些技术难题，如与ＧＰＳ不同的是，ＩＮＳ具有自主式、全天候、不受整周模糊度的确定、ＧＰＳ与惯性导航系统（ＩＮＳ）的外界干扰和无信号丢失等优点，但其测量误差会随技术融合等，对此，国内外许多学者提出了一些解决着时间而累积。ＧＰＳ罗经正是利用了ＧＰＳ和

8、ＩＮＳ方法，其中有些方法旨在减少确定整周模糊度的计［５］各自优点和性能的互补性进行组合测姿。ＧＰＳ罗算量，如刘志俭提出了一种基于金字塔的搜索方［６］经采用的主要技术有载波相位差分测量技术、坐标法，王永泉、刘若普提出了基于解析法的整周模糊［７－８］系转换技术、整周模糊度解算与固