测绘与空间地理信息
GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY
第44卷第3期2021年3月
Vol.44,No.3Mar., 2021
闫国锋1，刘立加2
（1.天津海事测绘中心，天津300171；2.61206部队，天津300140）
摘要：基于卫星导航系统的姿态测量可作为一个新型姿态测量系统，代替传统昂贵的姿态测量设备，具有极大
的应用潜力。本文首先介绍了利用卫星进行姿态测量的基本原理，在此基础上采用上海司南卫星导航技术股份
有限公司的一块K728 GNSS OEM 开发板和一块PCB 板，设计了一个基于双天线的姿态测量系统，进 行载体姿态 测量的实验，并实现了 PC 机直接获取K728板卡实时解算的数据。最后，利用Matlab 对测得的数据进行处理，评 估了该开发板在测姿应用中的精度。实验结果表明，在系统正常工作的情况下，解算出的方位角精度高于0.2。/ R （R 为双天线基线长），俯仰角的精度高于0.4。/R 。初步实验表明，该姿态测量系统可以应用在车辆自主驾驶控
制以及飞行器、轮船的常规姿态测量。
关键词：多导航系统；姿态测量；K728 ；精度评估中图分类号：P228
文献标识码：A 文章编号：1672-5867（ 2021） 03-0149-03
Attitude Measurement and Accuracy Evaluation
Based on Multi-navigation System
YAN Guofeng 1 , LIU Lijia 2
(1.Tianjin Hydrography Center , Tianjin 300171, China ； 2.61206 Troops , Tianjin 300140, China )
Abstract ：As a new attitude measurement system, attitude measurement based on satellite navigation system has great application po
tential of replacing traditional expensive attitude measurement equipment. This article first introduces the basic principle of attitude measurement by using satellites. Based on this , a K728 GNSS OEM development board and a PCB board from Shanghai Sinan Satellite
Navigation Technology Co., Ltd. are used to design an attitude measurement system based on dual antennas. The experiment of carrier attitude measurement is conducted , which realizes the direct PC real-time data acquisition from K728 board. Finally , Matlab was used to process the measured data and evaluate the accuracy of the development board in two-dimensional attitude measurement applica
tions. The experimental results show that the accuracy of the calculated azimuth angle is higher than 0.2°/R ( R is the baseline length of the dual antennas ) , and the accuracy of the elevation angle is higher than 0.4°/R , when the system works normally. Preliminary ex
periments show that the attitude measurement system can be applied on vehicle autonomous driving control and two -dimensional con ventional attitude measurement of aircra
fts and ships.
Key words ： multi - n avigation system ； attitude measurement ； K728； accuracy evaluation
0 引 言
GNSS 系统虽是为了提供精确定位和授时服务而设
计的，但它潜在的测姿能力早在系统设计的初期已被认 识。从1978年发射第一颗GPS 试验卫星以来，该系统有 关定位的研究、开发和试验工作发展异常迅速[1]o 1978
年麻省理工学院的Coumselman 和美国宇航局喷气推进实 验室（JPT ）的MacDoran 等人通过采用载波相位差分测 量，精确地测定出天线之间构成的基线向量，测得了基线 所确定的载体平面姿态[2]o
20世纪90年代以来，国外各大公司竞相开展GPS 姿
态系统的研制和试验，欧美几家大公司早已推出了 GPS 姿态测量接收机，如1998年美国Trimble 公司研制和生产 出GPS 姿态测量系统TANS VECTOR ，其定姿精度为0.2°； 美国Adroit 系统公司开发出的姿态确定系统ADS，其定姿 标称精度为0.067 5°o 此外,Ashtech 公司的3DF ADU 系 统和欧洲空间技术研究中心（SETE ）研制的GLNAS 导航 姿态综合系统，姿态测量精度也达到了0.1°[3-4]。上
述系 统试验结果表明其姿态测量精度能达到0.03°—0.5°，实 际精度指标还要取决于GPS 天线的配置和多路径影响。
总之，国外利用GPS 进行姿态测量的研究正在向高动态、 高精度的方向发展，并与惯性导航系统组合研制出逐步
收稿日期：2019-12-23
作者简介：闫国锋（1984-），男，山西定襄人，工程师，学士，主要从事海道测量及工程测量等方面的应用研究工作
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测绘与空间地理信息
2021 年
应用于军事、航天等部门的导航和定姿一体化、微型化的 综合智能系统。
在国内，研究工作偏向于提高利用伪距法的导航系
统精度。东南大学、武汉大学、国家GPS 工程中心、西安 导航研究所、三所航空大学、海军工程大学等都取得了很 多应用成果。北斗三号卫星采用的铷原子钟天稳定度为
E-14量级，氢原子钟天稳定度为E-15量级，其精度相当
于每300万年误差仅为1 s，亚太地区定位精度2.5—5 m, 全球定位精度10 m [5-6] °目前，姿态测量系统的研究热点 集中在算法研究、系统组合研究和超短基线研究，总的发 展趋势是提高实时应用的精度，简化系统结构、减低 成本。
2基于OEM 开发板的姿态测量系统设计
1导航卫星姿态测量原理
在导航定位测量时，卫星信号接收机一般需要实施 下列主要操作：校验自身性能，捕获和跟踪可视待测卫 星，校正接收机时钟，采集和记录导航定位数据，不断选 用适宜的定位星座，实时计算点位坐标和行驶速度。随 着超大规模集成电路和固件技术的迅速发展，许多接收 机不仅能够自动地按序完成这些作业程序，而且还能够 实行无人值守地采集卫星导航定位数据，并将它们传送 到数据处理中心或导航数据处理器中。
姿态定位定向仪器一般是利用连接在同一块OEM 板卡的两个天线同时对卫星进行数据接收，确定基
线向 量，得到两天线之间的方位角和俯仰角或者横滚角，从而 获得姿态信息。测姿的系统硬件如图1所示。
基于卫星导航系统的姿态测量一般包含两个及以上 的GNSS 天线。选择一个GNSS 天线做主天线，另一个做
从天线，它们组成的基线向量一般称之为亍°
基线向量的长度一般为几米至几十米，两个GNSS 天 线的载波观测量经过做差消掉了大部分与空间有关的误 差。GNSS 天线与GNSS 卫星的视矢量几乎相同，记为
无线2
无线1
OEM 处理器
=|PC 机 L O
本节以单个GNSS 基线为例建立姿态的观测方程。
同一颗卫星的两个GNSS 天线的距离差AP 约等于亍和7
的点积，如公式(1)所示。
Ap 八-b (1)两个GNSS 天线空中可视n+ 1个GNSS 卫星，则单差
伪距和载波观测量如公式(2)、式(3)所示。
y P D 二[町…p ；；1 ]T
(2)用二[號…①] T
(3)
则单个历元中两个接收机间单差观测方程表示如公
式(4)所示。
y SD 二 G SD b +A z sd + cAdt SD + \严 1
+ ©SD (4)
丿 F A8m
图1系统原理框图
Fig ・1 Functional diagram of the system
本文采用的K728 GNSS 主板是由上海司南卫星导航 技术股份有限公司自主开发的定位定向板卡。该板卡支
持双天线输入，接口丰富、算法先进，支持Web 网页在线 配置，可广泛应用于对高精度定位、定向或授时有要求的 领域，包括智能汽车、精准农业、机械控制、港口船舶及航 空航天等。K728 GNSS 主板是一款设计紧凑、功耗低的产 品。它支持GNSS 双天线输入，支持BDS B1/B2、GPS L1/ L2和GLONASS G1/G2共3个系统双频信号定位和定向。
式中，
]y P D 1是单差的伪距和相位观测量;
[S ：
]、s =[八―
b 为基线向量的坐标；
z SD =[乳…z ：；1 ]T 、A =知数；
Adf ：包含了钟差与设备延迟；是伪距和载波的多径误差；
SD
y
n+ 1
]T 为空中向量;
入 i ；+1
为整周未
Adm
微型直线电机A8m
V SD 残余误差。
如果多径误差被抑制，则单差伪距和载波相位观测 方程可简化如下递进式分配器
y SD 二 G SD b + A z SD + cAdf ： + v sd尺寸检测
无动力除尘
(5)
通过求解上述方程即可得到基线的姿态。
关于姿态测量系统的数据传输路径如图2所示。
图2数据采集流程图
Fig ・2 Flow chart of data acquisition
本文笔者设计的姿态测量系统中，天线采用高精度
GNSS 天线，与接收机之间使用专用电缆进行连接，长度
一般不超过20 m，否则会增大接收信号噪声。接收机通 过电平转换电路直接与计算机的串口连接。接收机一旦 接上电源，输入相应的命令，就会自动接收、处理卫星数 据，并通过串口以一定的速率(默认为9 600 baud)发送给 计算机。ARM 通过两根天线接收的数据，解算出基线矢 量。PC 将解算出的基线长、方位角和俯仰角等信息实时 地输出，即得姿态信息。如图3所示
。
第3期闫国锋等：基于多导航系统的姿态测量及精度评估151
无线1无线2
\7_______芒更______
57
［接巴电路］［接口里路］
［信.接收］］信/接收］
1处理器1
数据采集
--------——[pc后处理]
图3系统硬件结构
Fig.3Hardware structure of the system 3现场实验与精度评估
为了评估本文设计的姿态测量系统的可用性和精度，笔者在静态条件下做了双天线单基线的测姿实验。实验地点位于某高校开阔地带。
测量结果的评估见表1o通过表1可以发现：1)天线相距越远，测量的姿态信息就越精确。但随着基线的长度增加，多径效应的影响也会更加明显。采用三种不同长度基线的测量结果解算出的方位角精度高于0.2。/R(R 为双天线基线长)、俯仰角的精度高于0.4°/R。2)采用全系统组合的测量精度明显高于双系统。
表1不同长度基线和GNSS组合条件下的姿态测量精度
Tab.1Attitude accuracy with different length of baselines and GNSS observations combination
基线长度(m)多系统组合情况基线长度均方差(m)方位角均方差(。)俯仰角均方差(。) GPS+北斗0.00170.05080.1080 2GPS+GLONASS0.00130.03150.1241
全系统0.00120.03060.1156
GPS+北斗0.00190.30540.0958 4GPS+GLONASS0.00150.16790.0883
全系统0.00140.01880.0836
GPS+北斗0.00220.00730.0170 12GPS+GLONASS0.00160.00480.0163
全系统0.00140.00380.0146
4结束语
本文应用上海司南卫星导航技术股份有限公司的一块K728GNSS OEM开发板和一块PCB板，设计基于双天线的多导航系统载体姿态测量系统。通过实测实验发现，在系统正常工作的情况下，解算出的方位角精度高于0.2°/R(R为双天线基线长)、俯仰角的精度高于0.4°/R。因此，利用文中笔者设计的基于OEM开发板组成的测姿系统进行姿态测量，可以应用在车辆自主驾驶控制以及飞行器、轮船的姿态测量。
参考文献：二氯丙醇
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滚珠滑轨
［编辑：任亚茹］
(上接第148页)
4结束语
本文通过对房产全生命周期管理过程中涉及的多源数据进行整合，建立基础地理信息数据库和房产专题信息数据库，将房产管理过程中的数据进行整合，为各部门间房产数据更新共享提供统一基准；通过建立智慧房产全生命周期管理平台，为政府的政务管理提供平台，为相关业务部门间房产专题数据的共享提供接口，为公众查看和申请房产相关信息提供服务；通过人口与房产数据的整合及分析，实现“以房管人”，助力于社会治安的精细化管理；通过对整合数据中消费者的深入挖掘分析，得出不同体的家庭的潜在需求，为政府产业规划、区域配套、资源分配等提供决策支持。智慧房产整合的数据资源非常丰富，本文仅以“以房管人”和政府规划决策分析为例进行探索，后续可利用大数据分析等技术进行更多应用方面的深入挖掘，为用户提供更多样、更智能的个性服务。
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［编辑：任亚茹］
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