基本信息
- 项目名称：
- 逆向求解整周模糊度的载体姿态测量系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 载体姿态测量是航空、航天、航海和陆地导航中的关键技术之一。该作品设计了一种导航卫星载体姿态测量系统：①提出了一种“逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法”，可实现性好，测姿精度高，动态性能好；②采用三天线测量载体三维姿态，比传统的四天线测量系统成本更低；③实现了超短基线(20厘米)姿态测量，应用领域更广。该作品不仅有助于打破“双十八”限制，而且随着我国“北斗”导航卫星系统的完善，算法可以移植到北斗平台，发挥更大的国防军事和民用导航作用！
- 详细介绍：
- 载体姿态测量是指利用导航卫星技术测定载体(航天器、飞机、船舶等)的姿态(航向角、俯仰角和横滚角)，它是航空、航天、航海以及陆地导航中的关键技术之一，已成为导航信息处理的重要研究分支。载体姿态测量的基本思路是在载体平台上适当配置二个以上非共线的卫星天线，利用载波相位差分测量技术，即利用多个天线接收的载波相位差、测距码和导航电文信息，通过一定的算法实时解算天线之间确定的基线向量，从而得到载体的姿态信息。 本作品设计了一种导航卫星载体姿态测量系统。在充分调研国内外理论方法成果的基础上，提出了一种“逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法”。采用粒子群算法搜索得到基线的初始姿态角，并由此求解出双差整周模糊度N，此后再基于N实时计算基线姿态。该方法避开了直接求解整周模糊度，可实现性好，同时基于整周模糊度的姿态计算又可以保证测姿的稳定性。实验结果表明该方法不仅具有很高的测姿精度，而且具有良好的稳定性和动态性能，适用于动态载体姿态测量。 该系统采用三天线测量载体三维姿态，比传统的四天线测量方法成本更低；并且，实现了超短基线(20厘米)姿态测量，使系统的应用领域更广。 本作品不仅在国防、军事领域有着广泛的应用，而且可以向民用推广，如设计制造“大跨度桥梁姿态安全监测系统”，从而开拓巨大的民用市场。随着我国导航技术的发展，“北斗”系统的完善，本作品必将发挥更大的国防军事和民用导航作用！
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明的目的： 载体姿态测量是航空、航天、航海以及陆地导航的关键技术之一。该作品设计一种新型的导航卫星载体姿态测量系统，可以高精度、实时地测定载体的姿态（航向角、俯仰角、横滚角），进而用于飞机、舰船的姿态控制，坦克、火炮和导弹的指向瞄准，以及雷达天线的对准等。该作品有助于打破“双十八”限制，发挥重要的国防军事和民用导航作用！ 基本思路： 在载体平台上配置三个非共线的卫星天线，利用载波相位差分测量技术，即利用多个天线接收的载波相位差、测距码和导航电文信息，通过自主提出的“逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法”实时解算天线之间确定的基线向量，从而得到载体的姿态信息。 创新点： 1)提出了一种“逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法”,可实现性好，测姿精度高，动态性能好; 2)三天线测量载体三维姿态，比传统的四天线方法成本更低; 3)实现了超短基线(20厘米)姿态测量，应用领域更广。 技术关键： 1)粒子群算法快速搜索基线初始姿态角； 2)逆向求解双差整周模糊度； 3)时效性优化的卫星选择算法； 4)三天线测姿中的数据共享。 主要技术指标： 1)基线1m：航向角精度0.3度、俯仰/横滚角精度0.5度； 2)基线3m：航向角精度0.1度、俯仰/横滚角精度0.2度； 3)计算输出频率：20Hz；(4)基线≥20cm。
科学性、先进性
- 目前，在基于载波相位差的载体姿态测量中，相位双差整周模糊度的求解是重点和难点，因此快速准确地解算整周模糊度成为了姿态测量研究的焦点。解算整周模糊度的方法主要有AFM、LSS、FARA、FASF、LAMBDA。由于整周模糊度的求解复杂，实时性差，因此限制了它在姿态测量中的应用。 国内学者许江宁等基于AFM方法，提出了一种避开整周模糊度的求解而直接解算姿态角的遗传算法，该方法提高了姿态角解算的速度，解决了GPS姿态测量中的实时性问题，但由于是采用进化搜索算法，因此不能保证对全局最优解的求解，特别是在载体运动的情况下算法搜索的成功率不够理想。 本作品结合上述两类方法的优点，提出了一种逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法，不仅避开了直接求解整周模糊度，而且可以保证姿态解算的效率和稳定性，具有突出的实质性技术特点和显著进步。 参考文献见论文部分。
获奖情况及鉴定结果
- 发表论文： [1]《逆向求解整周模糊度的姿态测量方法》，电子测量与仪器学报录用，将于2009年8月，即第23卷第8期刊登。（学生第一作者） [2]《GPS导航定位中时效性优化的卫星选择算法》，全国第20届计算机技术与应用学术会议论文集，中国科学技术大学出版社，2009，1066-1070。（学生第一作者） [3]《蚁群算法在导航卫星载体姿态测量中的应用》，全国第20届计算机技术与应用学术会议论文集，中国科学技术大学出版社，2009，720-724。（学生第二作者） 获奖： 某校“某某杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 作品为一套高性能导航卫星载体姿态测量系统。天线将接收到的卫星载波信号通过电缆分别送接收机，后者将信号中的载波相位等信息送计算机，计算机运行姿态解算程序，给出基线姿态角。 技术特点和优势： 1)逆向求解整周模糊度的载体姿态测量方法，可实现性好，测姿精度高，动态性能好； 2)时效性优化的卫星选择算法，进一步保证测姿精度； 3)三天线测量载体三维姿态，比传统的四天线方法成本更低； 4)实现了超短基线(20厘米)姿态测量，应用领域更广。 适应范围及推广前景： 该作品可用于飞机和舰船的姿态控制，坦克、火炮和导弹的指向瞄准，雷达天线的对准等，同时可以向民用推广，如设计制造“大跨度桥梁姿态安全监测系统”，因而具有广阔的民用市场前景。 市场分析和经济效益预测： 以“大跨度桥梁姿态安全监测系统”为例，中国大跨度桥梁约15万座，按“一桥一套”计算，市场容量巨大。每套定价一般为十几万到几十万，技术成熟后每年可推广50套左右，经济效益显著。
同类课题研究水平概述
- 1、产品现状： 利用导航卫星测定载体姿态是上世纪80年代末的成果，它为导航卫星的应用又开辟了一个崭新的领域。90年代之后，世界上许多知名的公司都推出了自己的测姿产品，如Astech公司的3DF姿态/航向测定系统和Trimble公司推出的TANS Vector姿态/位置测量系统。目前，THALES公司推出的ADU5测姿仪在精度和实时性等方面达到了很高的水平： 1米基线：航向角精度0.4度，俯仰/横滚角精度0.8度； 3米基线：航向角精度0.06度，俯仰/横滚角精度0.12度。 虽然国外已有比较成熟的产品，但在对我国出口的产品中，都人为地加入了限制，设备只能用于高度18288米以下和速度不大于1854千米/小时，即“双十八”限制，且价格昂贵，这大大限制了我国在航空和军事领域的应用。 我国对导航卫星载体姿态测量技术的研究起步较晚，还没有形成成熟的产品，但研究工作非常活跃，多所高校和研究所都取得了一定的研究成果。但与国外产品相比，在测姿的性能上存在着一定的差距。 2、理论方法研究现状： 目前，在基于载波相位差的载体姿态测量中，快速准确地解算整周模糊度是姿态测量研究的焦点。解算整周模糊度的方法主要有AFM、LSS、FARA、FASF、LAMBDA等方法。由于整周模糊度的求解复杂，实时性差，因此限制了它在姿态测量中的应用。 国内学者许江宁等基于AFM方法，提出了一种解算姿态角的遗传算法，该方法在一定程度上提高了姿态测量的实时性，但由于是采用进化搜索算法，因此不能保证对全局最优解的求解，特别是在载体运动的情况下算法搜索的成功率不够理想。 本作品结合上述两类方法的优点，提出了一种逆向求解整周模糊度的导航卫星载体姿态测量新方法，避开了直接求解整周模糊度，可实现性好，而且测姿精度高，动态性能好。 基于上述方法，设计了导航卫星载体姿态测量系统，其技术指标如下： 基线1m：航向角精度0.3度、俯仰角精度0.5度； 基线3m：航向角精度0.1度、俯仰角精度0.2度； 数据输出频率：20Hz；基线≥20cm。 可见，与国内外同类课题相比，该系统具有突出的实质性技术特点和显著进步！
