三维姿态信息对于高速运动载体(如高铁、飞机、火箭等)的安全运行具有重要意义,如何高效、可靠地确定载体的高精度三维姿态信息成为导航领域研究的热点。传统的基于惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的测姿技术受制于系统误差累积快、冷启动时间长等缺点,无法满足载体长航时高精度姿态测量要求。而基于GPS载波相位观测的姿态测量技术以其低成本、长航时、高精度等优点逐渐受到用户的青睐,获得越来越多的应用。本研究以国家自然科学基金项目“一机多天线高精度北斗/GPS定位模型和关键技术研究”和上海市科委科技创新行动计划项目“GPS/北斗共时钟一机多天线接收机的研发与示范应用”为课题背景和技术目标,对共时钟单差基线模型及多基线测姿算法展开了深入的研究,并提出一种基于共时钟多天线接收机的新型GPS多基线测姿技术,论文的研究内容主要包括:(1)分析了共时钟多天线接收机的特点,调研了市场上共时钟接收机发展和应用现状,最终选用了一款国内较为少见的共时钟四天线接收机,并基于该款接收机提出一种新型GPS多基线姿态测量技术。(2)提出了共时钟多天线接收机的单差基线模型,该模型利用接收机各天线共用时钟源这一特点,仅需对观测值在天线间做单差即可消除接收机钟差;利用卡尔曼滤波进行参数估计,通过引入非校正相位延迟(Uncalibrated Phase Delay,UPD)参数并利用其与模糊度参数的高度相关性来分离模糊度中的小数部分,达到快速固定模糊度的目的;在卡尔曼滤波解算过程中实现实时周跳探测与修复,并采用整周模糊度置换算法对单差模型的模糊度进行固定,提高基线解算精度。静态实验中(基线长1.023米),本文单差模型相比传统双差模型航向角、俯仰角精度分别提高约42%(由0.14度减小至0.08度)和63%(由0.41度减小至0.15度);动态实验中(基线长0.512米),单差模型的航向角、俯仰角测量精度分别为0.453度和0.481度。静、动态实验结果均表明单差模型能够保证高精度、高稳定性的姿态测量。(3)研究了多基线姿态解算的多种算法,并通过仿真实验对比了各种算法的精度,最终选用QUEST(Quaternion Estimator)法作为本文的多基线测姿算法。同时,针对选用的四天线接收机能构成三维测姿所必须的两根基线以外的第三根基线这一特点,本文拟将该冗余基线引入解算以提高测姿精度。仿真实验表明冗余基线的加入能够在一定程度上优化姿态解算结果,尤其是在主基线或副基线误差较大时,冗余基线能够显著地提高测姿精度。在副基线误差较大的情况下,加入冗余基线后航向角、俯仰角、横滚角的精度分别提高约8%、87%和61%;在主、副天线误差均较大的情况下,加入冗余基线后航向角、俯仰角、横滚角的精度分别提高约34%、71%和71%。(4)提出了一种融合共时钟单差基线模型与多基线测姿算法的多基线姿态测量技术,构建了一套完整的基于共时钟多天线接收机的GPS多基线姿态测量流程。静态实验中三维姿态角精度分别为0.057度、0.128度和0.152度;动态车载实验中副基线误差较大,冗余基线加入姿态解算使航向角、俯仰角、横滚角精度分别提高约10%(由0.219度减少至0.196度)、4%(由0.204度减小至0.197度)和48%(由0.722度减小至0.378度)。静、动态实验结果均表明本文提出的基于共时钟多天线接收机的GPS多基线测姿技术相比传统双差测姿技术抗干扰能力更强、姿态测量结果更精确稳定,同时也证明了引入冗余基线可提高姿态测量的精度和稳定性,尤其是对横滚角的精度提高最为明显。