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关键词： 北斗卫星导航系统   B1C信号   联合捕获   PMF-FFT   Zynq-7000  

摘要： 北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)已经完成全球组网,为进一步提升导航定位性能,在B1频点新增了北斗B1C信号,该信号采用复用BOC(Binary Offset Carrier)调制方式,实现了与其他卫星导航系统的兼容性和互操作性。在B1C信号设计中,由于分层码结构、复用调制及数据、导频双通道等新技术的引入,复现本地信号比BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制信号更加困难,基带处理的数据量也会增大。对于导航接收机,信号捕获是接收机实现基带信号处理和定位的重要前提。在有限的硬件资源条件下,要达到与BPSK信号同等的捕获性能,进行B1C信号捕获算法研究和工程实现具有重要意义。论文主要研究工作如下:首先,在分析导航信号捕获原理和BOC类调制信号体制基础上,详细研究和分析了B1C信号的结构及特点。针对B1C信号捕获实现时硬件资源优化问题,综合考虑捕获灵敏度、捕获时间和算法复杂度等因素,提出一种基于平均中值滤波的PMF-FFT(Partial Match Filter-Fast Fourier Transform)改进联合捕获算法,仿真分析结果验证了方案的有效性。其次,对本地B1C信号的生成进行FPGA硬件电路的设计,包括时钟驱动器、码发生器、码控制器、载波及副载波发生器等基本模块。考虑到B1C码序列的生成及计算比较复杂,设计了基于双端口存储器的码发生器电路,该电路结构既实现了多路码的并行输出,又节省了大量硬件资源;此外,为了实现B1C信号捕获算法设计,利用Verilog HDL语言设计了混频器、积分累加器、分段匹配滤波器及FFT等硬件电路。再次,针对B1C信号捕获的硬件设计,研究设计出了基于MAX2771射频前端的B1C信号接收配置方案;在此基础上,设计了基于Zynq-7000的B1C信号整体捕获框架;为实现捕获模块的控制及门限检测,研究设计出一种FPGA-ARM高速通信的电路方案,降低了捕获转跟踪的延时时间。最后,为评估课题捕获方案的性能,设计出了B1C信号数据的采集、芯片的内部通信、基本模块时序逻辑以及B1C信号捕获算法的测试,重点对信号捕获情况、捕获时间、捕获灵敏度和资源功耗内容进行测试,测试结果证明了捕获方案满足设计需求,节省了大量硬件资源,具有较高的工程实用价值。

关键词： 倾斜摄影测量   大比例尺   地形图  

摘要： 随着科技的进步,无人机、激光雷达等新设备和新技术不断涌现,为数字化大比例尺地形图测绘提供补充和优化方案。论文以大比例尺地形图测绘作为研究方向,分析无人机倾斜摄影测量技术、激光雷达点云和农村房地一体不动产数据在成图过程中的应用,以无人机倾斜摄影测量技术为重点进行分析,以供参考。

关键词： 卫星导航系统   授时   性能评估   差分  

摘要： 准确稳定的时间是当代电子系统工作的基础。2019年世界计量大会对七个基本物理量单位进行了重新定义,时间的重要性进一步凸显,其他六个基本物理量均直接或间接由时间导出,成为现代计量的基础;越来越多的领域需要高精度的时间。目前的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)实时单向授时精度为数十纳秒,不能满足5G通信、空间目标探测、合成孔径雷达等高精度应用需求。虽然利用国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)、国际GNSS监测评估系统(International GNSS Monitoring and Assessment System,i GMAS)等提供的精密改正数据能实现纳秒、亚纳秒授时,但只能以事后改正的方式实现,不能满足实时高精度授时的应用需求,并且用户还要负担额外的通信或数据使用费用。本文在深入分析北斗卫星导航系统单向授时性能和特征的基础上,开展了北斗授时性能提升方法研究,并进行了试验验证。主要研究内容包括:提出了基于用户端实测的标准时间UTC授时性能评估方法。针对卫星导航授时性能表征不统一的现状,基于GNSS单向授时原理,分析了授时误差源分布规律和授时特征,梳理完善了卫星授时性能评价准则及性能表征体系,提出了从用户端出发测试GNSS授时性能的方法。设计的GNSS授时性能测试评估系统已经实现工程应用,测试结果为北斗三号试验星、北斗三号卫星入网阶段技术状态评估提供了重要依据。融合伪距差分定位和共视时间比对方法,提出了适用于北斗星座特征的差分授时方法。在守时实验室测量出UTC与北斗卫星广播时间的偏差,其中既包含UTC与北斗系统时间(BDT)的偏差,也包含每颗卫星的授时偏差。实时预报并广播预报模型参数,用户利用该模型对单向授时的结果进行改正,等效实现了与守时实验室的共视时间比对。根据北斗卫星导航电文中系统时间溯源模型的参数阶次、电文编码以及差分授时模型的特点,提出了基于北斗导航电文的差分授时模型播发策略。该方法在不改变用户端配置的情况下,可将北斗授时精度由几十纳秒提高到6 ns。设计了基于双向时分复用同纤同波光纤时间传递的授时性能评估验证方案,利用西安和临潼间约60 km的直连光纤,搭建了试验验证系统,并在实验室和实际工作环境下分析验证了该系统时间传递的精度,指标优于1 ns,可为高精度授时性能评估提供验证环境。根据差分授时的技术特点,设计了短基线直接比对、长基线直接比对以及长基线互比测试三种性能验证方案。在西安、三亚和喀什等地对差分授时性能进行了长期验证和分析。试验结果表明,在中国大陆的中央位置西安,依托中国科学院国家授时中心的UTC(NTSC),差分授时精度达到2 ns～6 ns(RMS),显著提高了北斗系统单向授时精度(几十纳秒);将该差分授时信息应用于标准单点定位,定位精度可提升30%以上。本文对北斗授时性能评估和差分授时方法的研究成果已被北斗工程采用,促进了我国卫星导航系统的建设与发展,提供了在纳秒尺度上研究授时误差精细变化规律的技术手段,有望带动时间频率、导航等相关学科的发展,具有重要科学意义和实际应用价值。

关键词： 低轨星座   北斗卫星导航系统   信号精度   星载GNSS   轨道测定  

摘要： 建设以北斗卫星导航系统为核心的更加泛在、更加融合、更加智能的地海空天一体、无缝覆盖、可信安全、便捷高效的国家综合PNT体系是未来的发展方向。综合PNT体系的应用范围非常广泛，为低轨、高轨、甚至是深空飞行器提供导航定位服务是其主要的应用领域之一。融合低轨星座增强北斗系统的空间信号精度，建设低轨增强导航系统，为地面用户提供快速高精度的导航位置服务是综合PNT体系建设的发展方向之一。　　基于此，本文从低轨卫星和高轨卫星星载GNSS的轨道测定、低轨星座增强北斗的空间信号精度等作为本文开展研究工作的主要方向。本文的研究内容及主要贡献如下:　　（一）星载BDS-3的低轨纳卫星精密轨道测定　　本文实现了搭载商用工业级低成本Multi-GNSS板卡接收机的微纳卫星厘米级高精度轨道测定。试验结果表明:①星载BDS-3的B1I/B3I码伪距测距精度优于GPS和BDS-2。②星载GPS的纳卫星精密定轨精度可优于3cm，星载BDS-3的定轨精度达到6cm。③星载BDS-3比星载BDS-2测定的轨道精度提升了55％以上;估计接收机端BDS-2与BDS-3的系统间偏差，星载BDS的定轨结果更优。④星载GPS/BDS-3联合测定轨道的精度最优，达到3cm。⑤在BDS-3星间KA增强下，少量地面站的BDS-3站星网解的轨道和钟差可以作为精密产品使用。　　（二）星载GPS漏信号的GEO卫星轨道测定　　本文实现了搭载国产GPS接收机的GEO卫星米级精度轨道测定和优于20m的实时运动学轨道测定。试验结果表明:①星载GPS的C1码伪距测量噪声主要分布为±40m，L1相位测量噪声约为±46cm，噪声的分布与可见星高度角的存在相关性。GEO星载接收机单历元可见7～8颗GPS卫星，HDOP值集中于2～10，VDOP值集中于6～30。②仅约束太阳光压参数，36小时弧长测定的GEO卫星轨道三维重叠一致性为1.2m;同时约束卫星运动状态参数和太阳光压参数，可以获得重叠一致性更优的GEO卫星轨道。③载波相位平滑伪距算法和接收机自主完好性监测算法对码伪距单历元解的运动学轨道有提升作用，二者同时使用时轨道结果更优。④采用载波相位平滑伪距算法和接收机自主完好性监测算法预处理后，载波相位的动态精密单点定位解算的运动学轨道优于20m。　　（三）低轨星座增强区域测站的BDS空间信号精度　　本文采用低轨星座增强区域测站实现了北斗卫星全球钟差解算，同时验证了低轨星座、BDS-3星间KA测量对区域测站的北斗卫星轨道增强作用。试验结果表明:①BDS-3星间KA测量增强MEO卫星轨道的三维精度达到15cm，径向精度优于5cm;BDS-3星间KA测量对BDS-3的MEO、IGSO卫星的轨道精度分别提升了90％和78％;区域站同时网解BDS-2/3轨道时，BDS-3星间KA测量对BDS-2的IGSO、MEO卫星轨道精度有一定的增强作用。②低轨星座增强后，MEO卫星轨道三维和径向精度分别优于20cm和6cm;低轨星座对GEO、IGSO、MEO卫星的轨道精度分别提升了87％、70％和90％。③低轨星座增强区域站后，可以实现北斗卫星全球钟差解算，MEO卫星解算的钟差稳定度达到了0.6ns。④与单独采用低轨星座增强相比，BDS-3星间KA测量与低轨星座联合对北斗卫星全球轨道和钟差的精度增强效果更优。　　（四）低轨星座增强全球稀疏测站的BDS空间信号精度　　本文采用低轨星座增强全球稀疏测站实现了北斗卫星空间轨道和钟差估计。低轨星座弥补全球稀疏测站对导航星座的可见性，实现了站星网解。试验结果表明:①低轨星座增强全球稀疏测站后，MEO卫星轨道三维精度优于15cm，径向精度优于5cm;②低轨星座增强全球稀疏测站后，MEO卫星的钟差稳定度小于0.3ns，明显优于低轨星座对区域站的钟差增强效果;③BDS-3星间KA测量和低轨星座的监测数据融合增强全球稀疏测站的轨道和钟差需深入研究。

关键词： 自适应抗干扰   共轭梯度算法   波束成形   神经网络   FPGA  

摘要： 现阶段军事领域应对电磁战的需求增加,民用领域电磁环境日益复杂,随着北斗3号卫星全部发射成功,标志着我国北斗3号卫星系统的建设成功。北斗导航卫星信号由于工作频段固定、带宽较窄,极易受多种电磁干扰,针对北斗卫星导航系统的接收端抗干扰技术是北斗领域和抗干扰领域的一个重要课题。北斗信号到达地面时功率较弱,远低于噪声功率,受到各类有意无意的干扰后,会导致定位误差过大甚至失去定位信息。因此本文针对应用于北斗卫星导航系统的抗干扰算法,进行了理论研究与硬件实现,主要工作如下:1)介绍了全球卫星导航系统的发展历程与研究现状。尤其针对卫星导航抗干扰技术,详细阐述了国内外的研究历史与现状,并重点分析了各类波束成形算法,以及近20年的系统级解决方案。2)给出了北斗抗干扰的阵列信号模型,实现了信号生成以及抗干扰算法的系统仿真。并仿真对比了最大信干噪比、最小均方误差、和线性约束最小方差三种波束形成准则,提出了四种优化算法对其进行求解,实现自适应的北斗抗干扰。最后重点分析了空域和空时域抗干扰算法的性能。3)针对抗干扰算法的最佳权重求解问题,使用了基于共轭梯度的迭代算法,并与最陡下降法和直接求逆法进行了对比,所提算法具有迭代速度更快、迭代次数易于控制且波束形成能力强的优点。另外,针对传统功率倒置算法对于弱干扰零陷浅的问题,将算法进行优化,将阵列权值投影于噪声子空间中。最后拓展算法维度,使用空时算法可以大大增加了阵列自由度,使其能在频域滤波。仿真表明,该算法拓展了自由度,可以在空时域二维滤波。4)现阶段的大型相控阵系统中采用了越来越多的天线和射频通道,采用低精度ADC可以有效降低系统成本,但会引入量化误差,于是,提出了用于重建量化信号的神经网络,有效提升北斗抗干扰系统的动态范围。不仅如此,用于测试网络去噪效果的到达角(Direction of Arrival,DOA)估计可以用于对干扰源进行定位。该网络采用全连接设计,并配合残差块、批量归一化单元、以及Re LU激活函数,从量化噪声中重构高精度信号。仿真结果表明本网络可以提升1比特的信号精度,即提升6 d B动态范围。最后该量化去噪网络在FPGA(Field Programmable Gate Array)中进行了验证。5)最后,基于FPGA平台实现了北斗抗干扰算法,详细介绍了算法的硬件实现步骤,并对本系统的实测场景与流程进行了详细阐述,最后给出了本系统的实测结果与分析,实测结果表明本抗干扰算法在单种宽带和三种宽带干扰下分别具备90 d B和80 d B的抗干扰能力。

关键词： 北斗卫星导航系统   大块相关器   无迹卡尔曼滤波   矢量跟踪   惯导辅助   抗干扰   微系统  

摘要： 北斗卫星导航信号通常淹没在噪声下20～30d B,其使用码分多址的技术对导航信号进行调制,尽管有比较大的增益,但是在较强的干扰或者较低的信噪比环境下,接收机无法解调出正确的导航卫星信号。当传统的北斗卫星导航接收机遇到干信比超过40d B的压制式干扰信号时,会因为信噪比过低而无法捕获到卫星信号,无法解调出导航卫星电文,从而不能获取卫星的历书、轨道参数等信息,进而无法实现卫星定位。当前惯导和北斗导航成为导航系统的标配,信息融合抗干扰能够利用现有资源,不增加系统复杂度的情况下实现较高的抗干扰性能。论文从北斗信号处理的流程出发,对信号捕获和跟踪过程中信息融合抗干扰方法以及微系统实现过程中引入的新问题,进行了以下几个方面的研究。1.针对目前阵列天线、惯导辅助等单一类型的抗干扰方法在应用中的诸多限制,提出一种将信号体制和用户终端技术相结合的抗干扰方法。论文打破了不同类型抗干扰方法的壁垒,分析了北斗卫星导航信号体制在设计中包含的抗干扰特性,提出了将抗干扰算法重新回归到卫星导航信号体制本身的论点,并基于北斗用户终端中主流的信号处理算法,通过较为简单的外部辅助结构,优化现有信号处理的架构,以获取更高的抗干扰性能和更为精简的抗干扰接收系统,本文的研究充分利用北斗卫星导航信号体制抗干扰的优势,并得出结论卫星导航体制抗干扰有着较大的潜力。2.针对干扰环境下,传统的捕获方法在载波频率、码相位、比特同步、帧同步不容易同时收敛的问题,论文基于大块相关器算法,提出了一种多维度捕获的方法。北斗/惯导微系统将载体的初始位置以及卫星历书,融合惯导辅助的加速度和角速度信息,在大块相关器捕获过程中进行卫星径向多普勒的补偿,实现长时间的相干积分,对干扰起到抑制作用,并且在载波频率、码相位、导航电文以及导航电文位边沿四个维度进行搜索,实现目前两种体制北斗卫星信号的多维度捕获,同时对大块相关器在频谱细化等方面进行了研究并提出了具体的措施。3.针对传统抗干扰的矢量跟踪算法运算量较大,以及跟踪精度不高的问题,论文提出了使用开环的UKF滤波器取代矢量跟踪预滤波器的传统环路,既可以降低矢量跟踪环路的运算量,又可以提升干扰环境下的牵引范围和跟踪精度,论文同时提出了UKF滤波器对应的环路反馈方式和噪声协方差矩阵计算方式,并且证明了UKF滤波器比传统的二阶锁频辅助三阶锁相环有着更好的抗干扰性能和更低的跟踪误差。4.目前北斗/惯导微系统需要外接阵列天线才能具有抗干扰功能,导致北斗接收系统体积过于庞大,针对这一问题,论文提出抗干扰北斗/惯导微系统的新结构,可以适配抗干扰单天线,从抗干扰算法运算量、软硬件单元性能特点等方面,分析了新结构的可行性,基于新结构实现大块相关器算法、北斗和惯导深组合矢量跟踪算法、导航定位解算等功能,并进行了面向应用的系统仿真,确保微系统的性能达到预期,新结构使得北斗卫星导航接收系统体积、功耗更适合实际应用。最后,论文总结了研究成果,同时展望了下一步需要进行的工作内容。论文的部分研究成果已应用于空间应用新一代制导与控制微系统等项目的设计论证、开发与测试中。

关键词： 导盲仪   北斗卫星导航系统   串口通信   MVC模式   软件设计  

摘要： 近年来,为满足盲人出行避障及导航定位的需求,市场上出现了越来越多的导盲仪产品。定位芯片的精进和北斗卫星导航系统的应用已经使导盲仪的定位精度得到了提升。随着信息时代的发展和对盲人监护的不断加强,对导盲仪配套软件提出了相应的要求,如何实现盲人位置信息的实时获取以及出行轨迹的远程监控成为了有待解决的关键问题。针对这个问题,本文设计了一个导盲仪定位和通信软件系统,该系统包括定位模块和通信模块,定位模块实现定位信息的采集、解析和可视化,通信模块实现定位数据的远程传输,最终实现导盲仪定位信息的远程监控功能。主要内容如下:(1)导盲仪的定位和通信软件的需求分析和方案设计。对软件系统各个组成部分进行功能需求分析,并依据相应的功能需求进行整体方案设计、工作流程设计和人机交互界面设计。(2)基于卡尔曼滤波去噪的定位及软件设计。首先对本文使用的UM220-IV硬件定位模块和PC端软件开发平台进行概述,设计了基于串口通信的定位信息采集模块和基于NMEA-0183通信协议的解析模块;其次针对环境因素产生的定位噪声数据采用卡尔曼滤波器进行去噪设计,通过相关滤波算法的实验对比验证了该设计的优越性;最后基于百度地图进行了软件可视化部分的设计与实现,通过坐标转换和地理逆解析获取所需的定位信息,实现导盲仪运动轨迹和实时定位的地图显示。(3)基于MVC设计模式的通信模块设计与实现。将通信模块分为模型层-后端、视图层-android端、控制层-API接口三部分;依据MVC结构和功能需求分别就后端业务逻辑、android端界面和API接口及其程序进行了相应的设计;最后实现手机端软件实时接收并显示盲人出行的位置和历史轨迹。(4)软件功能和性能测试。通过对PC端软件和android软件的具体功能、通信连接及性能进行测试,测试结果表明该软件的基本功能已经达到了预期。

关键词： 无人机航测   大比例尺   地形图   测绘  

摘要： 随着现代科技的不断发展,无人机航测技术被普遍运用于各领域中,它可以多角度采集信息,降低成本。无人机航测技术的不断发展,给测绘等行业带来了诸多的便利。文章就无人机航测在大比例尺地形图测绘中的应用进行探究,首先介绍了无人机航测系统构造及特点,然后分析了无人机航测的发展现状和弊端,最后提出了无人机航测在大比例尺地形图测绘中的具体应用,以供参考。

关键词： 大比例尺   地形图测绘   无人机  

摘要： 为解决大比例尺地形图测绘工作中存在的主要问题,本文对无人机航测技术在大比例尺地形图测绘当中的具体运用进行研究,提出无人机航测技术应用要点并结合实例分析,以期为相关人员提供参考.

关键词： 北斗卫星导航系统   超材料   圆极化天线   低噪声放大器  

摘要： 北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）是我国自主研发的卫星导航系统。随着2020年北斗3号最后一颗卫星的发射成功,BDS完美收官,对其应用的研究成为未来发展的主要任务。天线作为BDS接收/发送端最为重要的射频元件之一,其性能优劣直接影响着系统的通信质量。在卫星通信系统中,往往采用圆极化天线以增大信号接收的可靠性,同时还可以克服法拉第旋转现象产生的影响,且抗雨雾干扰能力强。目前,在卫星导航系统中广泛应用的天线形式主要有微带天线和螺旋天线等。近年来,关于超材料的研究报道越来越多,利用超材料的新颖特性设计天线既给新型天线的设计带来机遇,同时也面临很大挑战。本文对应用于BDS的超材料圆极化天线进行了研究,并取得了以下成果:（1）设计了一款基于超材料复合左/右手（Composite Right/Left-Handed,CRLH）传输线的右旋圆极化天线,用于接收BDS中B1频段（1561 MHz±2.046 MHz）的导航信号。该天线是由I型和Γ型两种CRLH传输线单元构成的双臂圆环天线,其外圈圆环由Γ型单元构成,内圈圆环由I型单元构成,采用单点馈电方式进行馈电。加工测试结果表明,该天线可以实现右旋圆极化,在工作频率1.561 GHz处的|S11|约为-13 d B,其3-d B轴比波瓣宽度为114°,3-d B轴比带宽约为7.4%,增益大约5.61 d Bic,满足BDS对导航天线的要求。（2）基于超材料结构提出并设计了一种应用于BDS的双频双圆极化短报文通信天线。天线结构为由16个I型单元和17个Γ型单元构成的单臂平面螺旋,采用单点馈电方式进行馈电。利用CRLH传输线可以在不同频段分别产生负相移常数和正相移常数的特性,实现在北斗L频段/S频段分别辐射/接收左/右旋圆极化波的特性。加工测试结果表明,天线在1.615 GHz频率处辐射左旋圆极化波,增益约为3.6 d Bic,在L频段,|S11|<-10 d B的带宽约为8%,3-d B轴比带宽约为6%;天线在2.492 GHz频率处接收右旋圆极化波,增益约为4.85 d Bic,在S频段,|S11|<-10 d B的带宽约为12%,3-d B轴比带宽约为5.5%,满足BDS对短报文通信天线的要求。（3）使用Avago公司的ATF系列pHEMT设计了一款两级级联的宽带低噪声放大器,其工作频段覆盖BDS的B1频段和S频段。为了获得宽频段特性,采用并联电阻式负反馈结构,每一级的匹配网络均选用低Q值的匹配网络,以获得宽带特性。实测结果表明,该低噪声放大器工作频段为1.5 GHz～2.6 GHz,工作频段内噪声系数小于2 dB,带内增益为30±1 dB,满足设计要求。