多天线陈列确定姿态

2.1.5　多天线陈列GPS确定姿态

GPS技术除用于高精度导航定位之外，还可用于海、陆、空各种载体的姿态测定。众所周知，海上、空中、陆地的许多载体都需要知道其姿态，以实现对载体的实时控制，但是直到现在，大都采用高精度的惯性测量系统，这种方法设备复杂，价格昂贵，而且由于军事技术保密等原因不易得到。GPS用于测定载体特别是飞机的姿态参数，同其他的姿态测量系统(惯导、罗经、陀螺等)相比，具有价格低廉、安装方便及不受地球磁场的影响等优点。GPS姿态测量设备重量轻、体积小、成本低，可广泛用于飞行器的飞行控制、航天器的对接、卫星控轨和姿态控制等。GPS姿态测量方式既适合于惯性定向平台，也适用于对地观测平台;既适合于自旋稳定航天器，也适合三轴稳定航天器，可对各种航天器进行无约束的三轴姿态和三维位置的精确测量。测姿型GPS接收机系统在动态载体上安装有以下优点(潘科炎，1995)。

(1)能够实现自行初始化和天线自行测绘

自行初始化适合于运动载体。自行测绘可以测量、存储天线的相对位置和电缆的偏差估计值。姿态解可以天线阵列为基准，提供系统决定的航向和相对于校准时初始平台的仰俯角和侧滚角;或者姿态解以载体平台为基准，航向、仰俯和侧滚角的初值在自行测绘之前输入，使姿态角测量同载体坐标系一致。

(2)具有提高姿态测量精度的有利因素

一般而言，姿态测量系统的GPS天线最好安装在一个平面内，这样有助于姿态角的解算;虽然对于多天线测量系统(多于3个天线)，考虑到载体平台的实际情况，天线共面是很难做到的，但是，初始姿态角可以通过自行测绘或外部采用经纬仪等方法来确定，这样就为天线在载体上的安装提供了便利条件。另外，姿态测量的精度可以通过适当加长天线基线的距离来提高。试验表明，增加基线长度能大大提高姿态测量的精度。

(3)具有实现实时差分的能力

商品型GPS姿态测量系统都具有实时姿态输出的功能，数据更新率一般为2～10Hz。

由于商业型的接收机均采用集成化处理，几个天线可使用一个接收机处理单元，而且所有的跟踪通道使用同一个接收机时钟振荡器，不存在接收机之间的独立钟差问题，能大大提高测量精度。利用GPS进行姿态确定的可信度在很大程度上取决于载波相位模糊度的确定是否正确。国外实验研究表明，目前，GPS测姿可以达到毫弧秒级的精度，但仍存在其他一些制约GPS测姿的因素，主要有多路径效应、整周模糊度解算及信号信噪比等(Cohen，et al，1994;Conway，et al，1996)。

姿态测定就是求解三个姿态角的过程。由于天线基线在载体坐标系中的坐标分量以及基线长度在初始化阶段可以精确测定，可以视为已知值，那么，只要实时测得天线基线在当地水平坐标系中的坐标分量，就能求解出三个姿态角。具体的GPS确定姿态参数的算法和原理可参阅具体文献(Lu，1995)。