关键词： 前向算法   Abel积分   掩星数据处理   精度评估   弯曲角订正  

摘要： 在掩星数据处理和数值天气预报同化掩星数据的流程中,前向算法(Forward model,FM)被用来将折射率转化为弯曲角。FM的精度影响着计算出的弯曲角的精度。本论文为探究FM精度,首先介绍各类FM模型的数理基础。然后,通过设置实验一对比、评估各类FM的精度(包括三种Abel积分与两种插值方法的组合),并选择出精度最高的算法。因为FM精度还受垂直格点分布的影响,所以本文还设置了实验二。实验二基于三种常见资料的格点,使用实验一中的高精度FM模拟该算法在的这些格点上的具体误差。最后,本文将FM应用于掩星数据处理流程中的弯曲角优化模块。本文介绍的FM包括Abel积分方法与插值方法的组合。积分方法包括:直接法direct、指数假设法exp、温度修正的指数假设法exp＿T等。插值法包括:指数样条插值法(log样条插值法)与指数线性插值法(log线性插值法)。它们因为物理假设、数值积分计算方法的不同,导致计算出的弯曲角精度有所差异。实验一使用了ECMWF分析资料作为实验值,FY3D数据作为真值,使用不同的FM实现弯曲角的计算,并评估了其在不同高度的误差特性。结果表明,log样条插值法与log假设法exp组合的FM的计算精度最高。实验二基于三种常见的气象资料格点:137层的ECMWF、31层的FNL、37层的ERA5,使用实验一得出的最高精度FM反演弯曲角,并评估各个高度上的具体误差。结果表明,在137层ECMWF资料格点垂直分布条件下反演的弯曲角精度最高:相对误差在0～35 km为0.5%以内,35～58 km为4%以内,在58～80 km为1.8%以内。本文评估了几类FM的误差特性,并模拟了不同格点分布下FM误差损失的具体值,为掩星数据处理和掩星数据同化提供误差分析的支持。

关键词： 重力基本网   重力网平差   格值系数   零漂率   高原地区  

摘要： 地球重力场的研究是大地测量学的核心问题,地面重力测量能为矿产勘察、大地构造反演、大地水准面精化和地球动力学研究等提供精准的重力场信息,对大地测量、地球物理等领域具有重要意义。重力基本网是我国测绘基准的重要组成部分,相对重力与绝对重力相结合的测量方式在重力基本网建设中得到了广泛的应用。绝对重力测量通过定期校准仪器和参加绝对重力仪比对实验来保证测量的准确性,相对重力仪的格值系数和零漂特性是影响相对重力测量精度的主要因素。在测线较长、地形起伏较大的高原地区,格值系数标定困难且易受多种不确定性因素影响,长期测量中相对重力仪会受到不规则非线性漂移影响,除了增加绝对重力点数量与多余观测量这种比较费时费力的方法,采用适当的参数估计和平差方法可以经济有效提高重力基本网的精度。本文以青海省重力基本网为例,研究了重力基本网解算的原理和算法,编写了重力数据预处理、参数估计与重力网平差的代码。主要内容包括相对重力数据预处理,利用Farrell公式计算了陆地水储量变化对参考重力值的影响。基于参数估计方法,引入相对重力仪格值系数与零漂率作为未知参数或超参数进行了解算。采用不同随机模型优化各重力观测量的权重约束,基于最小二乘、抗差估计及贝叶斯法完成了重力基本网平差解算。根据高原地区重力基本网数据处理中格值系数与零漂率的计算、网平差函数模型与随机模型的选择,从内符合精度与外符合精度两方面分析各参数估计方法及重力网平差模型的适用性。结果表明,2017-2020年陆地水储量变化对各个位置的重力点影响不同,最大值为1.7μGal。由于基线场的重力差不足及其他不确定性因素,标定的格值系数中有系统误差存在,平差模型估计的格值系数削弱了段差与段差互差之间的相关性,其对系统误差的校正效果优于标定的格值系数。增加重力控制点数量与重力差可提高估计的格值系数的准确性,从而得到与绝对重力值更接近的平差值,其中贝叶斯法估计的格值系数对重力控制点数量与重力差最为敏感。贝叶斯法估计的零漂率随时间的变化相对平滑且受重力控制点的影响较小,在所有重力仪观测值均参与平差时,贝叶斯法与最小二乘法平差结果之间差异较小,而对与零漂特性复杂的重力仪,使用往返观测数据计算的零漂率具有更高准确度。当粗差存在的情况下,交叉验证结果表明,最小二乘估计准确度较差,抗差估计得到了更小的重力平差值不符值。ABIC法可优化观测数据的权值约束,采用ABIC法确定初始权可小幅度提高平差准确度。本文建议将格值系数作为未知参数进行估计,以ABIC法确定各类观测量初始权的抗差最小二乘法用于高原地区重力基本网的解算,为高原地区绝对与相对混合重力数据处理平差模型与参数估计方法的选取提供了参考。

关键词： 北斗三号   定位性能   数据质量分析   精密单点定位   电离层约束  

摘要： 北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)已全面建成并提供全球服务。当前,针对GPS高精度定位的算法研究和软件开发等方面已有大量成果,而对于北斗全球范围内高精度算法研究不深入并且定位性能评估较少。针对上述问题,本文在GNSS精密定位理论的基础上,研究北斗全球范围内的数据质量,对北斗B1C/B2a信号双频无电离层组合精密单点定位性能进行评估,提出一种基于电离层约束的北斗单频精密单点定位算法并使用不同格网电离层改正对其定位性能进行了研究与分析。 (1)基于MGEX观测站的实测数据,对北斗卫星导航系统进行全面的数据质量分析研究,并研究不同精密轨道钟差对高精度定位的影响。通过对可见卫星数目、位置精度因子、数据完整性、信噪比、多路径5种观测数据指标进行研究,结果表明北斗全球覆盖率和GPS相当,北斗GEO卫星的数据缺失率较高,北斗卫星信噪比差距体现在频点信号上,和多路径相似。 (2)针对北斗全球范围内B1C和B2a信号缺少双频精密单点定位算法性能评估的问题,从全球分布17个MGEX站的20天数据出发,基于Net＿Diff,对BDS-3 B1C/B2a信号双频组合精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)性能进行了分析研究。研究表明,BDS-3(B1CB2a)静态PPP在高程上的RMS表现较差。在收敛性方面,不论是静态PPP还是动态PPP,BDS+GPS均比单GPS或单BDS具有更好的收敛性,不同天线型号(高端接收机)的收敛性没有明显差异,但观测卫星数量对收敛性有很大影响。 (3)提出一种基于附加电离层约束的北斗单频PPP(Single-Frequency PPP,SF-PPP)算法,通过电磁Ap指数选择2021年8月1号-2021年8月5号电磁活动的平静期观测数据,对九种格网电离层改正约束的北斗单频精密单点定位精度进行实验研究。结果表明:五种最终格网电离层改正,esag格网电离层改正的不论是静态还是动态定位精度最差,在中国境内的测站各个格网电离层改正基本满足北斗单频高精度定位的需求。对于预测格网电离层改正只在个别测站表现出最终格网电离层改正的精度,整体并不如最终格网电离层改正。

关键词： 炮管内壁   形貌检测   误差分析   时序逻辑   数据处理  

摘要： 火炮是国家军事力量的重要组成部分,一直倍受关注。而身管作为火炮中最为关键的部件,在其服役过程中,炮膛内壁因炮弹的磨损挤压、火药的高温侵蚀、膛线的老化破损等负面因素,直接影响着火炮的打击精度、使用寿命、射击稳定。所以对炮管内壁形貌的检测和损伤点的定位是十分必要的。本文针对这种现状,研制了膛内爬行机器人控制系统,并对其控制方式、数据采集方式、同步时钟等关键技术进行了研究,以满足高精度数据采集和高精度瑕疵定位的需求。爬行机器人带动工业相机、激光传感器和控制面板及其他外设实现膛内的爬行和旋转。由于炮膛的内径狭小,尽量减少检测机器人的尺寸,采用炮膛内外两个控制器实现控制功能,外控制器主要实现激光传感器采集的周壁数据模拟电压线性转换,模拟、数字电压源的转换、激光测距仪的数据采集以及汇总内外数据后通过USB2.0和百兆以太网模块上传数据。内控制器主要实现测头旋转电机、机器人爬行电机、转舵电机的驱动控制、工业相机的曝光控制、以及反馈信号传输。内外控制器通过含有使能信号、同步时钟信号、电源、联络信号的50芯总线进行连接。本文对机器人运行时因姿态偏移旋转产生的误差及影响进行了理论分析,提出了在每个同步时钟将误差累积处理的近似方法,并通过转舵电机、倾角传感器实现了姿态校正和误差的补偿,减小了因初始姿态矫正不精准而代入的误差。因为系统有内外控制器、工业相机、激光传感器、激光测距仪、步进电机转舵电机等多个部件,所以时序相对复杂,本文采用CPLD提供时序控制,为系统提供统一高精度的工作时钟。采用FIFO存储器对采集的内壁信息进行缓存,减少了上位机采集数据实时性的压力。论文最后通过155mm口径的标定模拟管和服役炮管的实验对系统进行功能测试,主要对机器人初始位置、炮管轴向位置精度,周向定位精度、径向距离精度进行了检测并对图像采集清晰度进行验证。实验结果表明:轴向精度0.05mm,径向精度0.02mm,周向定位精度达到±0.1°,满足径向阴阳径距离的精度要求,图像获取清晰无畸变,达到了预期的性能要求。

关键词： 井眼轨迹   数据处理   机器学习   待钻轨道优化设计  

摘要： 随着油气勘探开发力度的不断增大,精确的井眼轨迹预测和控制越来越成为制约钻井成功的关键技术。钻井井眼轨迹形成于地下,钻井工程师只能通过随钻监测传感器(MWD)测量的数据来监测井眼轨迹的变化,测量数据无法真实反应井底钻头实际情况,造成钻井井眼轨迹与设计轨道总会发生偏差,轨迹调整频繁,这些情况制约着钻井施工的顺利进行。本文借鉴前人基础研究和相关轨迹预测方法,提出了井眼轨迹数据清洗与处理方法。通过对实时工程数据和测斜数据分析,利用Python的Numpy和Pandas工具包进行了相应的数据清洗、数据融合和缺失值补全,建立了井眼轨迹数据处理流程方法;总结前人研究的四种物理计算模型并利用单井数据进行了实际应用;结合数据处理和井眼轨迹影响因素,利用两种机器学习算法:支持向量机算法(SVR)和循环神经网络(RNN),建立了井眼轨迹智能预测方法,预测精度明显优于传统井眼轨迹预测模型;建立了基于空间圆弧模型和恒工具面模型的待钻轨道优化设计方法,优化求解方法采用精英保留的遗传算法(SEGA),实际求解快速方便,可为现场井眼轨迹控制提供借鉴;最后,根据井眼轨迹预测方法及待钻轨道设计方法,结合各方法特征以及方法的求解过程,开发了水平井井眼轨迹随钻监测及调整设计软件。本文所研究的内容,对于智能钻井背景下井眼轨迹智能控制,推动钻井作业自动化和智能化发展具有一定的借鉴意义。

关键词： 相对定位   GNSS网平差   基线权重准则   最小邻边算法   B/S架构   软件开发  

摘要： 随着互联网、智能云技术的发展,测绘科学也逐步地从传统测绘向信息测绘、智能测绘的方向发展。2020年,中国北斗系统完成全球组网,为我国高精度定位研究与服务翻开了新的篇章。目前获取高精度定位方式主要有三种:PPP、相对定位、PPP-RTK,其中PPP、PPP-RTK在单点定位领域发挥着重要作用,而相对定位在构建高精度大地控制网、地壳运动监测网、精密变形监测网等领域发挥着不可替代的作用。在高精度的GNSS控制网数据处理中,通常选用独立基线进行解算与网平差。然而,现有商业软件并不具备独立基线选取功能,同时大多GNSS控制网平差软件都是基于C/S架构实现的,不具备灵活性和跨平台能力。对此,本文旨在探讨GNSS控制网数据处理关键算法与开发一款基于B/S架构的GNSS控制网数据处理软件。本文的主要工作内容及成果如下:(1)研究与探讨了GNSS控制网数据处理原理。从相对定位模型、周跳探测与修复、整周模糊度固定等方面对原理进行了剖析,详细推导了GNSS三维无约束平差、三维约束平差原理及过程,为后面的软件开发提供了理论支撑。(2)研究与探讨了使用GNSS控制网的独立基线代替全部基线进行网平差的可行性。关于独立基线选取,从解算效率上考虑摈弃基线解算后才能获得的基线质量评价指标,研究与探讨使用基线长度和RDOP值的组合构建基线权重准则,减少了非必要基线的解算工作。针对现有的最小生成树算法,结合GNSS控制网的边多、网型复杂的特点,提出一种最小邻边的独立基线选取算法。通过香港CORS网的数据实验,验证了提出的基线提取准则和优选基线算法的可靠性。(3)随着互联网、智能云技术的发展,基于B/S架构的软件更加贴合人们的需求,也是未来软件发展的趋势。论文就该架构开发了一款GNSS控制网数据处理软件,从软件架构、需求分析、开发技术、存储设计、界面展示等方面作出了分析与介绍,实现了基线解算、独立基线选取、地图显示、网平差等功能。(4)针对论文提出的优选基线准则、最小邻边的独立基线选取算法、开发的GNSS控制网数据处理软件,开展了三个GNSS控制网数据处理实验,按照网型的大小,依次为中国矿业大学南湖校区GNSS控制网、香港CORS网、美国西海岸IGS网。从每个实验的选区概况、观测方案设计、独立基线优选方案、基线解算效率、基线解算结果和网平差结果六个方面展开论述,并将自编软件的处理结果与华测的CGO、中海达的HGO、南方的SGO软件进行了对比,得出在基线解算效率上优于其它软件、基线解算效果上与其它软件相当、网平差处理的稳定性要优于其它软件的结论。论文含有图76幅,表19个,参考文献89篇。

关键词： 区域安防   雷达数据处理技术   多目标关联   随机有限集   雷达终端  

摘要： 近年来,雷达普遍应用在民用区域安防领域。雷达数据处理系统是现代雷达系统的重要组成部分,具体是指由雷达前端输入目标的点迹,经处理后输出目标航迹。雷达数据处理过程包括了:点迹预处理、航迹起始、航迹关联、滤波跟踪、航迹终止等。将原始点迹经过数据处理后,得到目标距离、方位和俯仰角、速度等目标运动参数及状态信息,最终将这些信息显示在雷达终端软件中。在计算机技术、微电子技术的推动下,雷达终端由显像管显示阶段发展到现代的计算机显控终端,显控终端的设计更趋于人性化,实时性更好。本文以区域安防雷达为应用背景,开展了雷达数据处理及显控终端的研究,结合雷达数据处理相关算法,开发了一套区域安防雷达数据处理终端软件。本文主要研究内容和成果如下:1.研究了雷达数据处理的点迹预处理部分,包括雷达坐标系转换,野值处理,传统的点迹处理与凝聚的相关技术,有点迹数据在距离、方位上的处理与凝聚,以及最后的线性内插成唯一点迹。阐述了目标运动模型,如匀速、匀加速、曲线运动模型。探讨了航迹起始和终止,其中航迹起始算法有直观法、逻辑法、Hough变换法。介绍了经典的单目标跟踪算法,仿真对比分析了卡尔曼算法、扩展卡尔曼算法、无迹卡尔曼算法。研究了航迹关联算法,如最近邻算法、全局最近邻算法、联合概率数据互联算法,并通过仿真将航迹关联算法进行分析对比。2.介绍了随机有限集(Random Finite Set,RFS)理论。根据该理论建立多目标跟踪模型,阐述了RFS框架下的贝叶斯滤波。研究探讨了经典的随机有限集滤波概率假设密度滤波(Probability Hypothesis Density,PHD)以及它的高斯混合实现(Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density GM-PHD)。仿真分析了GM-PHD算法的目标跟踪性能,并提出将该算法应用于雷达数据处理中,通过多目标跟踪的实际外场实验对比,验证了GM-PHD算法性能优于传统目标跟踪滤波算法。3.基于Qt开发平台,设计开发了一套区域安防雷达终端软件。介绍了雷达系统架构和技术指标、雷达终端软件的整体架构。阐述了软件的模块化设计实现过程,包括网络通信模块、雷达控制模块、无人机反制设备模块、用户注册登录模块等。深入研究探讨了终端软件中的数据处理部分,涉及点迹预处理和航迹处理算法的具体实现过程。基于软件测试的基本方法,在不同场景的外场实验评估软件的数据处理性能,验证了软件的可靠性和稳定性。

ISBN: (纸本)9787519862480

关键词： 气象数据服务平台   微服务架构   数据可视化   注意力机制   气象数据预报  

摘要： 随着数字经济的飞速发展,气象数据早已被运用至天气预报、农业生产、航空航天和应急减灾等诸多领域。与此同时,气象数据的种类、规模和更新频次也呈现出非常典型的大数据特征。然而,目前国内外的气象数据服务平台大都采用传统的单体应用架构或SOA架构,越来越难以满足用户对于大数据量、高并发和高可用的使用需求。另一方面,如何充分发挥平台中气象数据的存量优势,挖掘出海量气象数据中所蕴含的规律,也是一项巨大的挑战。针对以上问题,本文设计并实现了一种基于微服务架构的气象数据服务平台,主要完成工作如下:(1)将平台拆分为数据共享、数据可视化和数据预报等多个服务模块,使用Spring Cloud Alibaba的一系列核心组件完成了服务的治理工作。不同服务之间彻底解耦,并且可以通过对服务的动态扩容来适应业务功能的快速增长,真正实现敏捷开发。(2)分析了平台的总体设计目标与开发准则,并根据用户需求对平台的总体框架和具体功能模块进行了详细设计。为了减少单点故障的发生,缓存和数据库的架构分别采用了哨兵模式和主从模式。(3)利用Java语言、POI函数库等技术完成了多源气象数据的解析、存储、归档和共享工作。使用Python脚本、***等技术对多源气象数据进行了可视化展示。(4)提出了一种基于改进双阶段注意力机制的气象数据预报模型DACNN-RNN(Dual-stage Attention and Convolutional Neural Network based Recurrent Neural Network)。该模型整体基于编码器-解码器架构,在编码器的输入阶段引入了目标注意力机制和卷积神经网络以对所有输入特征之间的相关性进行建模,在解码器的输入阶段引入了时间注意力机制以更好地把握长时间序列的依赖关系。该模型最终被集成于平台中,为气象数据预报服务提供了支撑。本文基于南京市真实的空气质量相关数据进行了对比实验,实验结果表明,DACNN-RNN模型在平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R-Square)指标上的表现均优于其他对比模型。最后对平台进行了功能测试和性能测试,测试结果表明,平台达到了预期的设计目标,目前已在中国科学院大气物理研究所内网部署并试运行。

关键词： 行为识别   Kinect传感器   数据处理  

摘要： 基于计算机视觉的人体运动进行跟踪与分析研究是许多应用中的基本技术。本文研究并开发了基于Kinect传感器的人体行为识别系统。该系统不仅经济高效,还能对提供实时的人体运动反馈。因此,本文开发集成的Kinect人体行为识别系统的主要内容包括骨骼和RGB及深度帧的数据获取、跟踪和监控人体运动、隐私感知用户注册和身份保护、以及识别过程的实时反馈。除了使用云数据库作为数据资源外,该系统还创建图形用户界面和数据可视化应用程序来实现演示统计信息。