[发明专利]基于GPS载波相位姿态的无人船数据融合姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人船姿态测量领域，尤其涉及一种基于GPS载波相位姿态测量的无人船数据融合姿态测量方法。

背景技术

海洋是人类文明重要起源地，从人类诞生以来海洋就是文明发展的一个重要话题。自新时期时代开始，人类就已经迈出对海洋的探索的脚步，在探索中更是逐步形成了以开放为重要特征的海洋文化。从古至今，对海洋的开发利用都是一个国家、一个民族发展的一个重要课题，而进入现代时代以后，对海洋的探索与开发利用水平更是衡量一个国家国力水平的一个重要标准，而加强对海洋的开发利用，也是目前我国发展的一个重要方向。但是，我国地域宽广，拥有1.8万公里大陆海岸线以及1.4万公里岛屿海岸线，拥有海洋面积达470万平方千米，南北跨度大，海域海况复杂，受台风、季风等自然灾害影响大，这对海上工作人员的安全作业带来了极大的挑战。为了应对这一情况，加强对海洋的探索开发，同时保证海上作业人员的安全，研发无人船、无人水下机器人等无人智能设备成了目前我国海洋开发的一个重要课题，而在众多无人智能设备中，无人船更是以其轻便灵活、可控性高、生产成本低、采样测量实现简单等特点脱颖而出，成为目前海洋探索无人智能装备研发的热点。目前，无人船技术集成了智能传感器技术、通信技术、船舶动力技术、计算机控制技术等诸多现代电子技术与动力学技术，在海上救援、海况探测甚至军事应用领域有着巨大的战略意义。

无人船是一个复杂的系统，其研究内容涉及多个方面，且根据不同的工作需要，其有着不同的功能目标。但无论面向何种需求的无人船，其主要的功能目标都应包括能够实现无人驾驶的自动导航和自动避障，即体现 “无人”与“智能”，这也是无人船最基本的特征。要实现这两点，就要求无人船能够做到对自身姿态与周围环境的准确感知，而在这两个要求中，对无人船的行驶与控制而言，对自身姿态的感知显然更为重要，只有实现对自身状态感知，才能保证船的基本行驶功能。目前，应用于无人船姿态感知的主要方式是在船上安装集成了三个分布于三个不同轴陀螺仪的电子罗盘构成惯性导航系统，电子罗盘对三个陀螺仪读数进行解析转换，直接输出无人船的三轴姿态角。这种感知手段较为单一，且由于电子罗盘在使用中受磁场干扰较大，而无人船上由于集成了诸多电子设备，再加上无人船本身对于通信的依赖性，在行驶过程中磁场往往会对电子罗盘产生干扰，降低对无人船自身姿态测量的准确度，且面对复杂、恶劣的工作环境，使用单一的测量手段，对电子罗盘可靠性的要求高，这在无形之中也提高了无人船的制造成本。

此外，在震动频率较高的工作条件下，惯性导航系统由于自身测量缺陷，测量值会趋于发散，大大增加了测量误差，为了使无人船能更广泛应用于海洋勘探、环境监测等各方面，迫切需要一种低成本、高精度的无人船姿态测量系统。因此，建立一种符合无人船发展趋势的无人船姿态测量方法具有重要的研究意义和前瞻性。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于GPS载波相位姿态测量的无人船数据融合姿态测量方法。所述技术方案如下：

一种基于GPS载波相位姿态的无人船数据融合姿态测量方法，包括步骤：

构建两根单基线的三天线阵列，使其相互垂直；

采集基线上天线阵列所收集到的各观测卫星的原始GPS载波相位信号；

采用多次差分信号方法将各天线获取到的原始GPS载波相位信号进行作差得到差分信号；

对所述差分信号进行解析计算，获取基线在导航坐标系下的姿态信息；

将基线在导航坐标系下姿态信息进行运动学解析，即将基线在导航坐标系下的向量坐标代入转换矩阵，求得无人船三轴姿态欧拉角；

采集无人船惯性导航系统对无人船三轴欧拉角的测量值；

将两种不同姿态测量系统测量结果进行数据融合，获取最终姿态信息。

进一步地，所述单基线的三天线阵列具体是指三个GPS接收模块在一条直线上依次排列所构成的阵列，其中接收模块1与接收模块2之间距离小于载波信号一个波长距离，接收模块2与接收模块3之间距离为接收模块1与接收模块2之间距离的整数倍，且倍数不大于10。

进一步地，采集所述原始GPS载波相位信号时，各接收模块在同一时刻对各观测卫星的载波信号进行采集。

进一步地，所述采用多次差分信号方法时对同一卫星的观测值进行不同模块之间的作差，再对所述差值进行不同卫星之间的作差。

进一步地，所述对差分信号进行解析计算的步骤具体包括整周模糊度求解及姿态方程的求解。