GPS航向與姿態(tài)測量系統(tǒng)定點測試分析

葉 松，王曉蕾，周樹道，慕新倉

（解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

1 Beeline航向、姿態(tài)系統(tǒng)[1]

測試中選用了NovAtel公司的雙天線16通道的GPS姿態(tài)測量和動態(tài)定位系統(tǒng)Beeline OEM板，最多可以同時接收8顆衛(wèi)星信號，采用兩天線共用一個接收機(jī)的測量航向、姿態(tài)方式。

GPS天線接收來自衛(wèi)星的信號，并經(jīng)過前置放大器送入射頻部分進(jìn)行頻率變換，以便接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤、處理和量測。前置放大器是寬帶低噪放大器，用來改善信噪比。為了確保系統(tǒng)在艦船航行中的各種惡劣的氣象環(huán)境下能正常工作，天線與前置放大器應(yīng)密封為一體；天線應(yīng)呈全圓極化，天線的作用范圍為整個上半球，在天頂處不形成死角，以保障能同樣地接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號；天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)與屏蔽措施，以盡可能地減弱信號的多路徑效應(yīng)，防止信號的干擾；天線的相位中心與其幾何中心之間的偏差應(yīng)盡量小，并且保持穩(wěn)定。由于GPS測量的觀測量是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而在實際應(yīng)用中，天線的安置卻是以其幾何中心為準(zhǔn)[2]，所以應(yīng)盡可能選擇具有良好的中心一致性和相位中心穩(wěn)定性的GPS天線，如Model501、Model531、Model503、Model502。該文采用了Model531天線。Beeline OEM板外觀如圖1（a）所示；圖1（b）展示了上文提到的各種GPS天線。

Beeline OEM板可選擇輸出的電文共計13種，均可以選擇二進(jìn)制碼或ASCII碼形式發(fā)送，研究中選擇其中的 5種電文，分別是SATTA、SVLHA、SPOSA、SDOPA和SETSA。

SATTA電文的更新頻率可以根據(jù)需要最高設(shè)定為10 Hz，其中的姿態(tài)解算的狀態(tài)分為5級，為0時表示姿態(tài)解算狀態(tài)最差，為4時表示整周模糊度解算成功，姿態(tài)解算狀態(tài)最好。SPOSA電文主要提供動態(tài)定位數(shù)據(jù)。SDOPA電文數(shù)據(jù)主要反映了衛(wèi)星星座幾何形狀對定位解算精度的影響情況。SETSA電文提供了各個觀測衛(wèi)星的詳細(xì)情況。

2 航向、姿態(tài)定點測試實驗設(shè)計

利用自行編寫的“實時GPS姿態(tài)測量”軟件[3]，于2003年5月，在東南大學(xué)逸夫科技館樓頂對Beeline航向、姿態(tài)系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行測試?；€長度為2782mm，測試地點的位置是東經(jīng)118.7860°、北緯32.05735°。實驗儀器以及實驗場地如圖2所示。

測試實驗設(shè)計如下：

（1）選擇理想的測試場地。場地的周圍和上空保持開闊，沒有遮擋，周圍電磁干擾小，使姿態(tài)解算能夠順利進(jìn)行[4-5]；地面平整，便于雙軸轉(zhuǎn)臺的使用。

（2）兩只天線固定于鋼管支架的兩端，測量兩只天線幾何中心間的距離（即基線長度）并記錄，再將天線支架固定于雙軸轉(zhuǎn)臺之上。

（3）將天饋線兩端分別與天線和GPS接收機(jī)連接，并將GPS接收機(jī)的輸出信號線與計算機(jī)COM口連接；接通GPS接收機(jī)和計算機(jī)電源，運(yùn)行測試程序。

（4）進(jìn)行航向角測試。保持雙軸轉(zhuǎn)臺水平，基線矢量由正北方向開始，首先保持靜止30 min以上，測試數(shù)據(jù)的均值作為轉(zhuǎn)動起始點的真值，再以向北、西、南、西、北的順序旋轉(zhuǎn)；每次轉(zhuǎn)臺水平軸轉(zhuǎn)動10°，穩(wěn)定時間20s（前5 s用于穩(wěn)定支架，后15 s的數(shù)據(jù)作為精度分析的有效數(shù)據(jù)）；轉(zhuǎn)動過程和穩(wěn)定過程均需要盡量減小天線支架的抖動。

（5）進(jìn)行縱搖角測試。保持雙軸轉(zhuǎn)臺水平，基線矢量指向正東方向，首先保持靜止30 min以上，測試數(shù)據(jù)的均值作為轉(zhuǎn)動起始點的真值；然后，縱軸從0°開始增長至 20°，再返回至 0°，每次縱搖軸轉(zhuǎn)動 2°，穩(wěn)定時間20s；轉(zhuǎn)動和穩(wěn)定過程均需要盡量減小天線支架的抖動。

3 航向角和縱搖角測試情況

采用上述方法共做了7天實驗，圖3～圖12均為所有實驗中姿態(tài)解算達(dá)到最好時段內(nèi)（即解算狀態(tài)為4時，下文簡稱Best時段）的測試結(jié)果的典型實例。

經(jīng)計算分析，測試結(jié)果見表1和表2。在這些時段內(nèi)，航向角、縱搖角的最大誤差均小于0.14°，符合Beeline系統(tǒng)標(biāo)稱的航向角（Azimuth）和縱搖角（Pitch）精度指標(biāo)，即在1m基線上兩者精度均為0.4°，并隨著基線長度的增長呈近似的線性提高特點。但是，實驗中發(fā)現(xiàn)，GPS姿態(tài)測量中由于種種原因，存在姿態(tài)解算不可靠時段。而短時間的測試無法很好分析其中的原因，需實施長期靜態(tài)測試實驗方可進(jìn)行詳細(xì)分析。

4 測試結(jié)果分析

關(guān)于航向角定點測試結(jié)果的分析如下：

由圖3可見，航向角從360°轉(zhuǎn)到180°又轉(zhuǎn)回到360°，曲線的階梯水平線比較光滑。由于支架轉(zhuǎn)動過程中的顫動，使得圖中階梯水平線的左端出現(xiàn)的毛刺現(xiàn)象明顯高于其他部分，說明該系統(tǒng)在航向測量方面具有較高的靈敏度和實時性。

由圖4可見，圖形呈正弦形，因為轉(zhuǎn)臺與水平面之間存在一定的夾角，使得鋼管軸線在轉(zhuǎn)動過程中與水平面存在一個呈正弦形變化的夾角，具有周期性。支架在轉(zhuǎn)動過程中的上下顫動也會改變天線基線與水平面之間的夾角，圖中縱搖角在一定范圍內(nèi)的變化反映了這一影響。說明該系統(tǒng)在縱搖角測量方面具有較高的靈敏度和實時性。

由圖5可見，天線轉(zhuǎn)動的水平速度范圍從0～0.105m/s，大部分集中在0m/s附近，這與實驗者轉(zhuǎn)動支架的快慢和鋼管的抖動有關(guān)。

由圖6可見，天線轉(zhuǎn)動的垂直速度范圍為-0.057～0.057m/s，大部分集中在0m/s附近。存在垂直速度，主要由支架的上下顫動分量所引起；轉(zhuǎn)臺平面與水平面之間的夾角也有一定的影響，使得天線轉(zhuǎn)動時與水平面之間的夾角變化，產(chǎn)生垂直速度分量。

從圖7得，天線的運(yùn)動軌跡呈兩個同向的半圓弧，這與實際的實驗過程是相吻合的。兩個半圓弧不吻合是由于GPS定位誤差造成。

關(guān)于縱搖角定點測試結(jié)果的分析如下：

表1 姿態(tài)穩(wěn)定解算期間航向角測試實驗結(jié)果（單位：度）

表2 姿態(tài)穩(wěn)定解算期間縱搖角測試實驗結(jié)果（單位：度）

從圖8可知，縱搖角基本上是從0°轉(zhuǎn)到20°再轉(zhuǎn)到0°。由于轉(zhuǎn)臺平面的略微傾斜，天線支架在轉(zhuǎn)動過程中會上下顫動等因素改變了天線基線的縱搖角，使得縱搖角-時間圖的曲線不很平滑。

從圖9可知，航向角基本上保持不變，在0.8°偏差范圍內(nèi)漂移。由于實驗過程中鋼管的抖動、轉(zhuǎn)臺平面的傾斜和人為引入的誤差以及風(fēng)等因素都會引入偏差，使得航向角-時間曲線存在毛刺現(xiàn)象。其中，轉(zhuǎn)臺平面的傾斜是主要影響因素。

從圖10可知，天線轉(zhuǎn)動水平切向速度范圍0～0.4m/s，大部分為0 m/s左右，轉(zhuǎn)臺平面會發(fā)生轉(zhuǎn)動，天線支架在轉(zhuǎn)動過程中的抖動等因素產(chǎn)生水平速度分量。

從圖11可知，天線轉(zhuǎn)動的垂直速度范圍為-0.441～0.441m/s，大部分為0 m/s左右。天線基線的轉(zhuǎn)動、天線的上下顫動、轉(zhuǎn)臺平面與水平面之間的夾角變化等因素引入誤差。

從圖12可知，主天線的位置比較集中，這與實際的實驗情況相吻合，其彌散范圍反映了GPS定位誤差。

5 結(jié)束語

通過上述航向、姿態(tài)測試實驗情況，可以總結(jié)出利用GPS進(jìn)行艦船姿態(tài)測量時應(yīng)注意的一些問題，可歸納如下[6]：

系統(tǒng)的應(yīng)用場地必須開闊，天線上空沒有遮擋物。若發(fā)生遮擋，Beeline系統(tǒng)解算的狀態(tài)都不會最好，需要幾分鐘的過渡時間才恢復(fù)為最好。在應(yīng)用于艦船航向、姿態(tài)測量時，必須選擇艦船上理想的天線架設(shè)位置，同時需注意在艦船穿過橋梁或靠近港口時高大建筑物對系統(tǒng)可能造成的影響，對于要求較高的應(yīng)用場合，僅僅依賴于GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行測量是不能完全滿足所有環(huán)境條件的，必需將GPS測量航向、姿態(tài)測量系統(tǒng)與其它相關(guān)測量系統(tǒng)進(jìn)行組合才能達(dá)到理想效果。

天線安裝必須牢固，隨載體一起運(yùn)動。在實驗過程中保持天線的基線長度不變，若有變化，不宜超過1mm。應(yīng)用于艦船時，需考慮甲板變形的影響。

精確地測量兩個天線的長度，需精確到2mm以內(nèi)，精確的基線長有利于縮短Beeline系統(tǒng)鎖定衛(wèi)星以及解算狀態(tài)的時間。兩個天線之間的距離盡可能的長，雖然這樣會延長模糊度解算的時間，但可以提高系統(tǒng)的精度。對于大型艦船，雖然通過加大基線長度的方法可以提高GPS航向、姿態(tài)測量的精度，但是由于存在較大的甲板變形，天線的基線長度的變化范圍將增大，必然會增加GPS姿態(tài)解算的時間和解算結(jié)果的精度。所以在將GPS姿態(tài)測量系統(tǒng)應(yīng)用于大型艦船時，必須采取其他方法獲得甲板變形的相關(guān)參數(shù)，及時獲取天線的基線長度，并且對由GPS姿態(tài)系統(tǒng)測得的各個姿態(tài)角進(jìn)行修正。

系統(tǒng)開始運(yùn)行時，應(yīng)先估計兩個天線的初始方位角與俯仰角以及它們大概的偏移范圍，并輸入這些參數(shù)，這樣有利于縮短Beeline系統(tǒng)模糊度解算的時間。在應(yīng)用于艦船時，可以通過艦船上的其他測量設(shè)備提供這些參數(shù)。

載體運(yùn)動過程中，盡量使兩個天線的饋線遠(yuǎn)離，以免引入干擾，影響衛(wèi)星信號接收效果。系統(tǒng)應(yīng)用于艦船時，天線饋線的走線線路必須注意避開艦船上可能存在的電磁干擾源[7]。

Beeline系統(tǒng)的成功設(shè)計值得借鑒。在硬件方面，采用單接收板雙天線的設(shè)計方案，可以減小硬件的體積，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體可靠性，同時也有利于降低姿態(tài)解算軟件的復(fù)雜度；在整周模糊度解算方面，Beeline系統(tǒng)采用了相應(yīng)的具有約束條件的解算方案，如基線約束方案和載體運(yùn)動狀態(tài)約束方案，在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的解算效果，能夠有效地縮短整周模糊度的解算過程。

由于條件限制，上述測試只是在陸地上進(jìn)行的，但是通過這些實驗和對測試數(shù)據(jù)的分析，將能夠充分掌握GPS航向、姿態(tài)測量系統(tǒng)在使用中的種種特性，從而對開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)和工程實踐具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]BeeLine GPSCard User Manual[M].NovAtel Inc，1999：4-6.

[2] 蔡宏翔，王昆杰.雙頻GPS接收機(jī)天線相位中心的測定[J].陜西天文臺臺刊，1994（17）：25-32.

[3] 湯景棉，王 慶，葉 松.GPS-Beeline航姿測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理方法[J].導(dǎo)航，2004，40（1）：46-50.

[4] 劉 云.GPS姿態(tài)測量算法的研究與應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué)，2002：34-36.

[5] 趙 偉，袁 信.整周模糊度的瞬時求解[C]∥南京慣性技術(shù)學(xué)會論文集.南京：2001：44-46.

[6]葉 松.FOG捷聯(lián)/GPS組合航姿系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理及信息融合技術(shù)的研究[D].南京：東南大學(xué)，2005：56-60.

[7] 田華明.GPS艦船航姿測量技術(shù)研究[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2002：13-15.

[8] 楊劍宏，施紅兵.雙天線GPS航姿測量系統(tǒng)研究[J].導(dǎo)航，1999，35（4）：1-5.

[9]富 立，成 竹.FPGA多接口功能在航姿計算機(jī)中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2008，24（26）：126-127，148.

[10]朱昀炤，汪順亭，繆玲娟，等.船體變形對航姿參數(shù)的影響及其測量[J].微計算機(jī)信息，2008，24（22）：285-286，57.

[11]鄭智明，曾慶化，祝燕華，等.捷聯(lián)慣性航姿ARINC429接口系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].導(dǎo)航，2007，43（4）：10-14.

[12]朱仕永，祖 靜，范錦彪，等.姿態(tài)角測試研究[J].電子設(shè)計工程，2009，17（1）：12-13，25.