叶 松，王晓蕾，周树道，慕新仓

（解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

1 Beeline航向、姿态系统[1]

测试中选用了NovAtel公司的双天线16通道的GPS姿态测量和动态定位系统Beeline OEM板，最多可以同时接收8颗卫星信号，采用两天线共用一个接收机的测量航向、姿态方式。

GPS天线接收来自卫星的信号，并经过前置放大器送入射频部分进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测。前置放大器是宽带低噪放大器，用来改善信噪比。为了确保系统在舰船航行中的各种恶劣的气象环境下能正常工作，天线与前置放大器应密封为一体；天线应呈全圆极化，天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不形成死角，以保障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；天线必须采取适当的防护与屏蔽措施，以尽可能地减弱信号的多路径效应，防止信号的干扰；天线的相位中心与其几何中心之间的偏差应尽量小，并且保持稳定。由于GPS测量的观测量是以天线的相位中心为准的，而在实际应用中，天线的安置却是以其几何中心为准[2]，所以应尽可能选择具有良好的中心一致性和相位中心稳定性的GPS天线，如Model501、Model531、Model503、Model502。该文采用了Model531天线。Beeline OEM板外观如图1（a）所示；图1（b）展示了上文提到的各种GPS天线。

Beeline OEM板可选择输出的电文共计13种，均可以选择二进制码或ASCII码形式发送，研究中选择其中的 5种电文，分别是SATTA、SVLHA、SPOSA、SDOPA和SETSA。

SATTA电文的更新频率可以根据需要最高设定为10 Hz，其中的姿态解算的状态分为5级，为0时表示姿态解算状态最差，为4时表示整周模糊度解算成功，姿态解算状态最好。SPOSA电文主要提供动态定位数据。SDOPA电文数据主要反映了卫星星座几何形状对定位解算精度的影响情况。SETSA电文提供了各个观测卫星的详细情况。

2 航向、姿态定点测试实验设计

利用自行编写的“实时GPS姿态测量”软件[3]，于2003年5月，在东南大学逸夫科技馆楼顶对Beeline航向、姿态系统的基本性能进行测试。基线长度为2782mm，测试地点的位置是东经118.7860°、北纬32.05735°。实验仪器以及实验场地如图2所示。

测试实验设计如下：

（1）选择理想的测试场地。场地的周围和上空保持开阔，没有遮挡，周围电磁干扰小，使姿态解算能够顺利进行[4-5]；地面平整，便于双轴转台的使用。

（2）两只天线固定于钢管支架的两端，测量两只天线几何中心间的距离（即基线长度）并记录，再将天线支架固定于双轴转台之上。

（3）将天馈线两端分别与天线和GPS接收机连接，并将GPS接收机的输出信号线与计算机COM口连接；接通GPS接收机和计算机电源，运行测试程序。

（4）进行航向角测试。保持双轴转台水平，基线矢量由正北方向开始，首先保持静止30 min以上，测试数据的均值作为转动起始点的真值，再以向北、西、南、西、北的顺序旋转；每次转台水平轴转动10°，稳定时间20s（前5 s用于稳定支架，后15 s的数据作为精度分析的有效数据）；转动过程和稳定过程均需要尽量减小天线支架的抖动。

（5）进行纵摇角测试。保持双轴转台水平，基线矢量指向正东方向，首先保持静止30 min以上，测试数据的均值作为转动起始点的真值；然后，纵轴从0°开始增长至 20°，再返回至 0°，每次纵摇轴转动 2°，稳定时间20s；转动和稳定过程均需要尽量减小天线支架的抖动。

3 航向角和纵摇角测试情况

采用上述方法共做了7天实验，图3～图12均为所有实验中姿态解算达到最好时段内（即解算状态为4时，下文简称Best时段）的测试结果的典型实例。

经计算分析，测试结果见表1和表2。在这些时段内，航向角、纵摇角的最大误差均小于0.14°，符合Beeline系统标称的航向角（Azimuth）和纵摇角（Pitch）精度指标，即在1m基线上两者精度均为0.4°，并随着基线长度的增长呈近似的线性提高特点。但是，实验中发现，GPS姿态测量中由于种种原因，存在姿态解算不可靠时段。而短时间的测试无法很好分析其中的原因，需实施长期静态测试实验方可进行详细分析。

4 测试结果分析

关于航向角定点测试结果的分析如下：

由图3可见，航向角从360°转到180°又转回到360°，曲线的阶梯水平线比较光滑。由于支架转动过程中的颤动，使得图中阶梯水平线的左端出现的毛刺现象明显高于其他部分，说明该系统在航向测量方面具有较高的灵敏度和实时性。

由图4可见，图形呈正弦形，因为转台与水平面之间存在一定的夹角，使得钢管轴线在转动过程中与水平面存在一个呈正弦形变化的夹角，具有周期性。支架在转动过程中的上下颤动也会改变天线基线与水平面之间的夹角，图中纵摇角在一定范围内的变化反映了这一影响。说明该系统在纵摇角测量方面具有较高的灵敏度和实时性。

由图5可见，天线转动的水平速度范围从0～0.105m/s，大部分集中在0m/s附近，这与实验者转动支架的快慢和钢管的抖动有关。

由图6可见，天线转动的垂直速度范围为-0.057～0.057m/s，大部分集中在0m/s附近。存在垂直速度，主要由支架的上下颤动分量所引起；转台平面与水平面之间的夹角也有一定的影响，使得天线转动时与水平面之间的夹角变化，产生垂直速度分量。

从图7得，天线的运动轨迹呈两个同向的半圆弧，这与实际的实验过程是相吻合的。两个半圆弧不吻合是由于GPS定位误差造成。

关于纵摇角定点测试结果的分析如下：

表1 姿态稳定解算期间航向角测试实验结果（单位：度）

表2 姿态稳定解算期间纵摇角测试实验结果（单位：度）

从图8可知，纵摇角基本上是从0°转到20°再转到0°。由于转台平面的略微倾斜，天线支架在转动过程中会上下颤动等因素改变了天线基线的纵摇角，使得纵摇角-时间图的曲线不很平滑。

从图9可知，航向角基本上保持不变，在0.8°偏差范围内漂移。由于实验过程中钢管的抖动、转台平面的倾斜和人为引入的误差以及风等因素都会引入偏差，使得航向角-时间曲线存在毛刺现象。其中，转台平面的倾斜是主要影响因素。

从图10可知，天线转动水平切向速度范围0～0.4m/s，大部分为0 m/s左右，转台平面会发生转动，天线支架在转动过程中的抖动等因素产生水平速度分量。

从图11可知，天线转动的垂直速度范围为-0.441～0.441m/s，大部分为0 m/s左右。天线基线的转动、天线的上下颤动、转台平面与水平面之间的夹角变化等因素引入误差。

从图12可知，主天线的位置比较集中，这与实际的实验情况相吻合，其弥散范围反映了GPS定位误差。

5 结束语

通过上述航向、姿态测试实验情况，可以总结出利用GPS进行舰船姿态测量时应注意的一些问题，可归纳如下[6]：

系统的应用场地必须开阔，天线上空没有遮挡物。若发生遮挡，Beeline系统解算的状态都不会最好，需要几分钟的过渡时间才恢复为最好。在应用于舰船航向、姿态测量时，必须选择舰船上理想的天线架设位置，同时需注意在舰船穿过桥梁或靠近港口时高大建筑物对系统可能造成的影响，对于要求较高的应用场合，仅仅依赖于GPS姿态测量系统进行测量是不能完全满足所有环境条件的，必需将GPS测量航向、姿态测量系统与其它相关测量系统进行组合才能达到理想效果。

天线安装必须牢固，随载体一起运动。在实验过程中保持天线的基线长度不变，若有变化，不宜超过1mm。应用于舰船时，需考虑甲板变形的影响。

精确地测量两个天线的长度，需精确到2mm以内，精确的基线长有利于缩短Beeline系统锁定卫星以及解算状态的时间。两个天线之间的距离尽可能的长，虽然这样会延长模糊度解算的时间，但可以提高系统的精度。对于大型舰船，虽然通过加大基线长度的方法可以提高GPS航向、姿态测量的精度，但是由于存在较大的甲板变形，天线的基线长度的变化范围将增大，必然会增加GPS姿态解算的时间和解算结果的精度。所以在将GPS姿态测量系统应用于大型舰船时，必须采取其他方法获得甲板变形的相关参数，及时获取天线的基线长度，并且对由GPS姿态系统测得的各个姿态角进行修正。

系统开始运行时，应先估计两个天线的初始方位角与俯仰角以及它们大概的偏移范围，并输入这些参数，这样有利于缩短Beeline系统模糊度解算的时间。在应用于舰船时，可以通过舰船上的其他测量设备提供这些参数。

载体运动过程中，尽量使两个天线的馈线远离，以免引入干扰，影响卫星信号接收效果。系统应用于舰船时，天线馈线的走线线路必须注意避开舰船上可能存在的电磁干扰源[7]。

Beeline系统的成功设计值得借鉴。在硬件方面，采用单接收板双天线的设计方案，可以减小硬件的体积，增强系统的整体可靠性，同时也有利于降低姿态解算软件的复杂度；在整周模糊度解算方面，Beeline系统采用了相应的具有约束条件的解算方案，如基线约束方案和载体运动状态约束方案，在实际应用中表现出良好的解算效果，能够有效地缩短整周模糊度的解算过程。

由于条件限制，上述测试只是在陆地上进行的，但是通过这些实验和对测试数据的分析，将能够充分掌握GPS航向、姿态测量系统在使用中的种种特性，从而对开发应用系统和工程实践具有重要的指导意义。

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

[2] 蔡宏翔，王昆杰.双频GPS接收机天线相位中心的测定[J].陕西天文台台刊，1994（17）：25-32.

[3] 汤景棉，王 庆，叶 松.GPS-Beeline航姿测量系统的数据采集及处理方法[J].导航，2004，40（1）：46-50.

[4] 刘 云.GPS姿态测量算法的研究与应用[D].南京：东南大学，2002：34-36.

[5] 赵 伟，袁 信.整周模糊度的瞬时求解[C]∥南京惯性技术学会论文集.南京：2001：44-46.

[6]叶 松.FOG捷联/GPS组合航姿系统中数据处理及信息融合技术的研究[D].南京：东南大学，2005：56-60.

[7] 田华明.GPS舰船航姿测量技术研究[D].武汉：海军工程大学，2002：13-15.

[8] 杨剑宏，施红兵.双天线GPS航姿测量系统研究[J].导航，1999，35（4）：1-5.

[9]富 立，成 竹.FPGA多接口功能在航姿计算机中的应用[J].微计算机信息，2008，24（26）：126-127，148.

[10]朱昀炤，汪顺亭，缪玲娟，等.船体变形对航姿参数的影响及其测量[J].微计算机信息，2008，24（22）：285-286，57.

[11]郑智明，曾庆化，祝燕华，等.捷联惯性航姿ARINC429接口系统的设计与实现[J].导航，2007，43（4）：10-14.

[12]朱仕永，祖 静，范锦彪，等.姿态角测试研究[J].电子设计工程，2009，17（1）：12-13，25.