以全球導航衛星系統實現剛體姿態量測

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王成尹(Chen-Yin Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

遙測科技碩士學位學程

論文名稱

以全球導航衛星系統實現剛體姿態量測
(GNSS-based Attitude Determination for a Rigid Body)

相關論文

★ 利用數個參考站模式化電離層影響量以進行GPS衛星測量	★ 白化濾波應用於GPS動態衛星測量之研究
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摘要(中)

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)現今在科學和工程應用十分的廣泛且扮演一個重要的角色。本論文著重在利用導航衛星系統的電碼虛擬距離與載波相位觀測量，來獲取姿態資訊。其方法為差分定位技術，將定位方程式重新改寫待求之未定參數，由原先估計天線位置轉而估計剛體姿態。
經由二次差分後的觀測量為基線模型，其方程式推導過程詳列於本論文。為使用高精度載波相位觀測量，求解過程中需處理相位模稜及其參數間高相關之問題。本文使用尺度因子調整和LLL(Lenstra–Lenstra–Lovász)解相關技術，並因剛體共用相同之旋轉矩陣，此額外限制條件縮小搜尋空間，使LLL方法有效率的搜尋出正確相位模稜，進而達成即時且精確的要求。姿態求解方法採用最小二乘平差獲得最佳無偏估計值。
本文包含兩種靜態平台測試。透過模擬及實驗證實較長的基線能提供較佳的姿態精度。衛星組合強烈影響姿態求解是否有系統性偏差。單頻的成果展現證明方法的可行性和強健性，在單頻、單時刻靜態的情況下最佳精度可達0.30°等級。文末會提出方法的改進方向，檢驗方法的限制條件。最終期望方法可實踐在單頻、單時刻動態的情況下的即時運用。

摘要(英)

Global Navigation Satellite System(GNSS) now plays an important role in science and engineering applications. This research topic is to develop a GNSS-based attitude determination method for a rigid body by using pseudo-range and carrier phase measurements. The method is based on differential GNSS technique. The differential equation is reconstructed for estimating the attitude parameters instead of baseline parameters.
By double differencing the observations, the differential equation is called baseline model, which derivation process is listed in the methodology. In order to use high precision carrier phase observables, phase ambiguities and high correlation between parameters have to considered. The Lenstra–Lenstra–Lovász(LLL) method is used to search ambiguities. Besides, the additional constraint, the rotation is the same in a same rigid body, reduce the searching space, which increases the efficiency. LLL method and the additional constraint result in solutions which are precise and correct. The solutions come from a least-squares adjustment.
The static experiments are included in the thesis. Results demonstrate the feasibility and the robustness of the attitude determination method. The improvement and limitation are discussed in the final part in order to fit the method for single frequency and simple epoch situation in real-time.

關鍵字(中)

★ LLL
★ 姿態量測
★ 相對定位
★ 全球導航衛星系統
★ 全球衛星定位系統

關鍵字(英)

★ GNSS
★ GPS
★ Attitude determination
★ Relative positioning
★ LLL

論文目次

目錄
　摘要 V
　Abstract VI
　誌謝 VII
　圖目錄 X
　表目錄 XII
第1章　緒論 1
1.1 　文獻回顧 1
1.2 　研究動機 3
1.3 　研究架構 4
第2章　理論基礎 5
2.1 　GNSS定位原理 5
2.2 　觀測方程式 6
2.2.1 　電碼虛擬距離觀測方程式 7
2.2.2 　載波相位虛擬距離觀測式 8
2.3 　差分技術與姿態模型 9
2.3.1 　旋轉矩陣 10
2.3.2 　差分技術 12
2.3.3 　姿態模型 13
第3章　平差模式與姿態解算 17
3.1 　平差模式 17
3.2 　隨機模式 20
3.3 　相位模稜搜尋 21
第4章　實驗成果與分析 26
4.1 　GNSS姿態量測理論精度 26
4.2 　實驗資料處理設備 28
4.3 　實驗流程 29
4.4 　1 − 2 m基線靜態平台 29
4.4.1 　姿態實數解 32
4.4.2 　相位搜尋與姿態整數解 36
4.4.3 　三種情境時段之一 39
4.4.4 　三種情境時段之二 42
4.4.5 　三種情境時段之三 45
4.5 　5 − 6 m基線靜態平台 47
第5章　結論與展望 53
5.1 　結論 53
5.2 　展望 54
　參考文獻 56

參考文獻

參考文獻
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陳冠宏，2011。改良式模稜函數法應用於GNSS相對定位研究，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢。
陳揚仁，2009。演算法LLL與白化濾波應用於導航衛星相位模稜搜尋，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢。
葉添福，2003。最小二乘過濾法應用於動態GPS衛星定位平穩性之研究，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢。
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指導教授

吳究(Joz Wu)

審核日期

2012-8-3

推文