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关键词： 北斗卫星导航系统   精密单点定位   惯性导航系统   紧组合   卫星测速   速度非完整约束   自适应滤波  

摘要： 北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我国着眼于国防、经济、科技等方面的需要自主建设和独立运行的全球卫星导航定位系统。精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术以成本低、作业灵活、定位精度高等优点已在导航、测绘和监测等领域得到广泛应用。卫星信号在城市峡谷、高架桥梁、隧道等环境下极易被遮挡或丢失,使得定位结果出现较大误差或失效。惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)根据自身的陀螺仪和加速度计组价提供载体的位置、速度和姿态信息,具有短时定位精度高、不对外辐射能量、数据更新快、抗干扰能力强等优点,但惯性导航随着导航时间的增加,定位误差将迅速增大。随着人们对载体位置、速度和姿态等信息的精度和可靠性要求的不断提高,单一的导航系统已无法满足用户的需求。卫星导航与惯性导航有着天然的互补优势,将两者组合进行导航避短,充分发挥各自的优点。目前国内外学者对卫星/惯性组合导航的研究结果仍然存在定位不连续问题,本文围绕BDSPPP/INS组合导航开展研究,旨在为用户提供连续高精度的定位结果,论文的主要研究工作和取得的成果如下:(1)从观测方程、参数估计、模糊度、自由度和噪声等方面对消电离层组合模型、UofC模型、非组合三种PPP模型深入分析。对接收机原始观测数据质量和影响定位精度和收敛速度的误差项进行分析处理。软件实现消电离层组合的BDSPPP动态定位模型,静态实验的平均收敛时间为40.5min,机载实验的收敛时间为44.5min;静态实验和动态实验收敛后的定位精度均可达厘米级。(2)对位置差分法、原始多普勒法、导出多普勒法和TDCP法四种卫星测速方法在载体不同运动状态下的优缺点进行分析,在此基础上提出一种基于BDSPPP的动态多普勒测速方法,并通过车载、船载、机载实验对该方法与传统方法进行对比分析,三种动态实验结果表明:基于BDS PPP的动态多普勒测速方法比传统测速方法精度提高了 17%～38%,精度达到cm/s级。(3)对INS机械编排、INS误差模型、Allan方差和初始对准进行分析,推导了扩展多普勒测速的BDSPPP/INS松组合和紧组合模型,并实现扩展多普勒测速的BDSPPP/INS紧组合模型。城市复杂环境下的车载实验结果表明:BDSPPP/INS紧组合定位精度为分米级,测速精度为cm/s级。(4)针对高架桥梁、隧道等卫星信号完全缺失环境INS定位误差迅速增大问题,结合陆地车辆的行驶特性,提出速度非完整约束和零速修正的BDSPPP/INS紧组合连续定位解决方案。车载实验和仿真实验结果表明:该方法在卫星完全失锁情况下能够有效抑制INS的误差积累,保持定位的连续性。(5)针对城市峡谷、树林遮挡等卫星分布结构不佳环境导致定位误差较大问题,提出一种顾及PDOP的自适应BDSPPP/INS紧组合连续定位方法。以PDOP为自变量建立的自适应因子通过调节动力学模型预测信息和观测信息对滤波结果贡献的大小实现高精度定位。车载实验结果表明:该方法能够有效提高BDSPPP/INS组合导航系统在复杂环境下的定位精度。该论文有图61幅,表25个,参考文献128篇。

关键词： 无人机   倾斜摄影   三维建模   大比例尺地形图  

摘要： 采用无人机倾斜摄影测量技术进行大比例尺地形图测量,利用低空无人机快速获取多角度影像数据,通过三维建模和三维立体量测技术,实现高精度大比例尺地形的测绘,结果表明其精度满足大比例地形图测绘要求。

关键词： 北斗导航卫星   北斗卫星导航系统   时空体系   精准服务  

摘要： 基础设施,为抗疫一线提供时空体系精准服务。目前,基于全国2600个北斗地基增强系统全天候高稳定性运行,服务可用性高达99.99%,为新冠肺炎防疫工作提供了有力保障。在武汉火神山、雷神山医院建设中,基于北斗卫星导航系统的高精度定位设备火速驰援,确保工地大部分放线测量一次完成,为两座医院迅速施工争取了宝贵时间;在我国重点战"疫"区域内,有上百架10公斤至1.5吨载重无人机根据需求,将一线急需的医疗和防疫物资在北斗的定位导航下精准送到医护人员手中;面对迅速增长的物流配送压力,全国各地数

关键词： 北斗卫星导航系统   精密定轨   低轨卫星   星载观测   周跳   光压模型   模糊度   地球自转参数   天线相位中心  

摘要： 对于北斗导航系统(BDS)建设与发展而言,存在地面监测站全球布设受限这一问题,而大规模低轨星座的兴起,是除了星间链路技术外又一机遇,借助低轨卫星同样可以有效解决区域布站条件下BDS卫星定轨精度提升问题。以此为牵引,文章对低轨卫星增强BDS卫星定轨展开了深入系统的研究,围绕星载观测数据质量控制、低轨卫星的优化选取问题提出了新的算法,对低轨卫星增强BDS卫星定轨、联合定轨中关键模型参数和产品数据解算的增强问题进行了深入的分析研究。主要工作和创新点如下:1.针对星载观测环境中电离层变化剧烈、不稳定的特点,在星载观测数据质量控制过程中,提出了一种双频消二阶电离层残差的周跳探测方法。相比传统消电离层周跳探测方法中仅考虑电离层延迟一阶项的情况,该方法通过构造新的周跳检测量可以同时消除观测量中电离层延迟一阶项和二阶项的影响。在尽可能消除电离层影响的同时,新的周跳检测量噪声控制在0.259周。将新方法与MW宽巷周跳检方法进行比较,新的检测方法对于剧烈、不稳定的电离层变化具有更强的适用性。2.针对大规模低轨星座增强BDS卫星定轨的选星问题,提出了基于加权卫星位置精度衰减因子(SPDOP)的LEO卫星选星算法。算法将单颗低轨卫星对应导航星座SPDOP值从所有导航卫星位置精度衰减因子总值中提取出来,以其可观测弧长转化为权值后综合,进行排序后作为低轨卫星优先选取的参考。通过仿真实验发现,与全球布站相比,低轨卫星增强作用对区域布站下的BDS星座SPDOP值改善尤为明显;BDS星座SPDOP值在前10颗低轨卫星的加入过程中下降最快,在加入20颗左右低轨卫星后,SPDOP值下降速度放慢,逐渐趋于平缓。通过计算分析得出,对于被选取用于BDS卫星定轨增强的低轨卫星星下点轨迹分布而言,其星下点轨迹基本以中国区域为中心向外沿经线方向逐渐密集分布为佳。3.针对大规模低轨星座在增强定轨解算时的过剩冗余观测问题,构建了低轨卫星增强BDS卫星定轨的函数模型,提出在增强定轨解算流程中增加低轨卫星自主选星策略,在保证BDS卫星轨道精度得到最大改善的前提下,实现了大规模低轨星座增强BDS卫星定轨的优化。仿真实验表明,低轨卫星对于BDS卫星轨道精度的提升具有显著效果。通过添加低轨卫星选星步骤,在BDS卫星轨道解算精度水平基本一致的前提下,可以成倍减少增强定轨解算耗时。同时,随着低轨卫星数量的增加,BDS卫星轨道和钟差精度随之提升,但其精度的提升不会随着低轨卫星数量的增加呈无限制增加状态,而是在其数量达到20颗及以上时,BDS定轨精度基本将维持在同一水平。利用风云-3C实测数据对低轨卫星增强BDS卫星定轨进行了验证,对于区域和全球地面监测站分布条件下定轨,GEO卫星轨道三维精度可分别提升47%和50%;IGSO卫星轨道三维精度可分别提升36%和23%;MEO卫星轨道三维精度可分别提升50%和29%,具体精度提升比例与地面监测站的数量和分布有较大关系。4.讨论了低轨卫星定轨增强作用对GEO卫星轨道偏差的影响。与单纯引入GEO卫星轨道偏差改正模型相比,利用低轨卫星增强BDS定轨可以更大程度的减少GEO卫星轨道产品中的系统性偏差影响。针对少量低轨卫星无法完全消除GEO卫星轨道偏差的情况,提出了低轨卫星增强和改正模型同时使用的GEO卫星轨道偏差消除策略,通过实测数据实验表明,新的策略可以进一步减小GEO轨道产品中的系统偏差,与仅使用模型改正相比,轨道精度在切向、法向和径向可分别提升39%、11%和54%。5.分析了低轨卫星增强作用在BDS卫星定轨中对光压模型和模糊度参数解算的影响。比较了低轨卫星增强作用对解算中ECOM-5和Adjustable box-wing光压模型参数的影响,通过实测数据实验表明,低轨卫星对光压模型参数的解算增强作用与卫星的类型和所选光压模型有关,与单纯使用地面监测站定轨相比,低轨卫星增强作用下的光压加速度分量解算差异对卫星轨道会产生厘米至分米的天累计误差。6.实现了低轨卫星增强BDS卫星定轨下的地球自转参数(ERP)联合解算方法。在仿真实验的基础上,相比使用全球地面监测站观测数据,低轨卫星增强作用在对区域地面监测站条件下ERP参数解算精度具有更大影响,ERP参数精度提升比例均随着低轨卫星数量的增多而增大,但提升比例间的差距在减小,当低轨卫星数量增加到某一数量时,其对ERP参数解算精度的提升作用将达到最大极限。通过低轨卫星实测数据增强实验,与仅使用地面监测站数据相比,单颗低轨卫星增强解算ERP精度在极移X、Y和日长变化上分别可提升15%、9%和9%。7.研究了低轨卫星增强作用对GEO卫星PCO参数解算的影响。通过仿真与实测数据实验,在仅使用地面监测站数据情况下,通常无法对GEO卫星PCO参数进行精确解算,提出与同数量的地面监测站相比,低轨卫星对PCO参数解算精度的影响

关键词： 全球卫星导航系统   北斗卫星导航系统   卡尔曼滤波   码噪声和多径校正   多径缓减  

摘要： 在卫星定位导航中,伪距多径不仅会使码随机噪声和导航信息产生畸变,而且会导致载波相位产生畸变。因此,多径的缓减有助于提升用户定位精度。就目前的多径缓减算法而言,对于用户精度的提高仍然达不到要求。一方面,由于复杂城市环境中多径信号的存在,导致用户接收机跟踪环路部分信号产生畸变,最终影响用户定位精度;另一方面,接收机导航解算数据处理部分中的多径误差仍然是影响定位精度的主要因素。针对这两方面问题,本文进行了相关的研究:(1)基于最小均方的卡尔曼滤波信道补偿多径缓减技术。首先,从相关函数出发,设计自适应关系矩阵补偿失真的信号;其次,将补偿后的相关值反馈给一个可视距估计块,该模块产生一个误差向量,然后生成梯度矩阵,将其反馈给自适应补偿块以更新补偿矩阵系数。利用采集的实时数据对提出的算法进行验证,结果表明,提出的算法与最小均方算法相比,能够快速收敛,因此该算法具有较强的多径信道跟踪能力,能够在信号丢失的情况下快速恢复信号的跟踪,且其结果在三个维度上能够对码跟踪误差和载波跟踪误差进行改善,有效降低多径效应引起的误差。(2)基于北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的码噪声和多径校正缓减算法。首先,建立BDS/GPS多系统组合定位模型;其次,采用实时的码噪声和多径校正算法估计多径效应,降低伪距噪声使伪距平滑;之后,由于伪距数据的平滑程度在很大程度上取决于卫星轨道和时钟的精度,使用台站差分策略减少轨道和时钟影响;最后,利用平滑后的伪距进行组合定位。实验结果表明,BDS/GPS双系统模型下码噪声和多径校正缓减算法可以有效地校正多路径测量值并降低码噪声,使用该算法对原始伪距数据进行处理后,用户定位精度提升了27.08%。

关键词： 全球卫星导航系统   北斗卫星导航系统   全球定位导航系统   全球定位系统   格洛纳斯   全球覆盖   卫星发射   全天时  

摘要： 2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射任务取得圆满成功,标志着北斗三号全球星座部署全面完成,北斗卫星导航系统正式拥有全天时、全天候、全球覆盖的服务能力。北斗卫星导航系统成为继美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统之后世界第三个全球定位导航系统,得到了全球的广泛关注。为此,本文将系统梳理全球卫星导航系统的发展现状,分析北斗卫星导航系统相比其他卫星导

关键词： 无人机遥感   摄影测量   电力走廊   大比例尺地形图   净高分析图   灾损快速制图  

摘要： 随着经济与综合国力的提高,我国的电网建设规模已跃居世界首位。目前,大部分输电线路建设数据主要依靠卫星遥感与常规的航空摄影测量技术等传统方法获取。与传统方法相比,无人机遥感具有数据获取方便、精度高、效率高等优势,为此基于无人机遥感开展电力走廊精细化制图研究具有重要的研究意义。基于此,本文以厦门集美区为研究区域,基于无人机遥感技术,开展电力走廊的地形图、电力线净高分析图、电力灾损图三个方面的制图方法研究,最终得到一套高精度的、快速的电力走廊精细化制图方法,为实际的电力规划设计、巡检、灾后应急奠定了理论和实践基础。其主要研究内容如下:(1)电力走廊规划中大比例尺地图制作。与传统大比例尺地图制作相比,本文引用新颖的无人机倾斜摄影测量三维模型进行地形图制作,引入集群计算及三维模型精修等方法提高制图精度与效率,并通过U-Net深度学习模型对电力走廊下的植株数量进行分类统计并制图。验证结果表明基于无人机影像结合数字测图方法,能够满足1:500测图的精度要求。通过该方法,不仅可以满足1:500大比例尺地形图制作要求,还大大提高了制图效率,减少了外业工作量。为电力规划设计、巡检提供良好的数据基础。(2)电力走廊运维中电力线净高分析图制图。本文基于无人机影像,提出双目立体测量方法对输电线路进行高度提取,并利用激光雷达方法量测的电力线及树木高度进行精度验证。结果表明,通过立体测量方法提取的电力线与树木高度与激光雷达方法测量的相比,电力线高度中误差为0.21m,树木高度中误差为0.12m,提取精度达亚米级。(3)应急保电中电力灾损快速制图。基于无人机遥感数据输出的正射影像图,使用Alex Net深度卷积神经网络辅助提取台风灾后倒伏电杆,并通过实地考察验证其精度。结果表明该方法提取准确率达到71%。由此可见,通过该方法制作的电力灾损图件精度高,可以快速为灾后电力应急救援与协调决策提供直观、全面的第一手信息资料。

关键词： 窄带物联网   北斗卫星导航系统   救援终端   双模通信   低功耗  

摘要： 随着经济的发展和人民生活水平的提高,参与野外徒步旅行和作业的人员越来越多,随之带来野外人员遇险情形增加。当前常用的手机、卫星电话、对讲机等野外通信终端由于通信信号覆盖受限、功耗大、无生命体征检测等原因存在通信可靠性低、电池续航能力不足、缺少针对野外场景的个性化服务等问题。野外人员遇险时,如能及时发出求救信号、准确报告遇险位置,则能极大提高救援效率和成功率。因此开发一款通信可靠、电池续航能力强的野外救援终端具有很好的实用价值。本论文的主要研究工作是救援终端软件的设计与实现。通过对救援终端软件的需求分析和评估,并对主流物联网无线通信技术和定位技术的对比研究,论文选用窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)作为终端主要通信传输技术,北斗二代作为终端定位和辅助传输技术。针对终端成本、功耗、体积等需求,论文选用基于ATSAMD20J18A单片机为主控的硬件设计方案,终端软件在单片机芯片上运行。在终端软件的数据发送与接收、功耗控制、双模通信等功能和性能需求详细分析与研究基础上,针对终端硬件平台,本文对当前软件设计方案的不足进行优化,设计了软件系统设计方案。基于该方案,研究和设计了终端数据发送过程,终端数据接收过程,基于NB-IoT和北斗短报文的双模通信切换控制,基于各硬件模块的工作模式和软件实现进程的低功耗动态进程组调度等详细设计流程。最终在ATSAMD20J18A单片机上进行编程实现,并与终端硬件完成系统集成。课题搭建了由系统平台、NB-IoT现网、北斗现网、救援终端样机构成的测试验证平台。测试结果表明,本文设计的救援终端软件能实现数据采集与解析处理、精确定位、一键求救、信息上报和故障提示的业务功能。NB-IoT和北斗短报文双模通信切换成功率达到97.33%,通信成功率达到95%以上。终端设备在正常工作与待机模式下,续航7天左右。

关键词： 列车定位   北斗卫星导航系统   最小二乘残差法   奇偶空间矢量法  

摘要： 随着高速铁路及北斗卫星导航系统的不断发展,基于北斗导航的定位方式受到人们越来越多的关注,它能全天时、全天候的为列车提供定位服务。以北斗卫星导航系统作为列车的主要定位方式时,不仅能提供定位服务外,还需具备良好的监测性能在出现故障卫星时向附近列车发出告警。RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,接收机自主完好性监测)技术无需外部设备,是目前实现故障卫星检测与告警较为广泛的方法。列车对定位精度要求较高,而列车运行环境复杂多变,存在很多不确定因素,因此进一步研究RAIM技术对提高列车运行过程中的稳定性、安全性和高效性具有重要意义。本文在国内外对卫星导航定位研究的基础上,将RAIM技术引入BDS列车定位中,以提高列车定位精度为目标,对RAIM技术进行了深入研究。首先,介绍了国内外对RAIM技术在不同领域的研究成果和利用卫星定位技术在列车定位中的研究成果,对北斗卫星导航定位系统伪距定位原理及影响完好性的参数做了深入了解。其次,针对列车定位中因可见卫星数不足及卫星几何结构分布差导致的覆盖空洞问题,根据BDS检测原理,对观测模型进行线性化处理得到接收机伪距观测方程,考虑列车沿股道运行的特殊性结合列车航向角定义沿股道方向保护级别,构建最小二乘残差观测模型,利用改进最小二乘残差RAIM算法检测与识别故障卫星;针对高精度用户要求,对系统出现的微小缓变伪距偏差,利用相邻厉元测量的噪声的互不相关性和伪距偏差相关的特点,构造检验统计量,通过对可见卫星数的累加对传统奇偶空间矢量RAIM算法进行改进,实现对故障卫星的快速检测与识别。最后,利用差分模式验证传统最小二乘残差RAIM算法可用,根据相同青藏线实际数据对改进前后最小二乘残差RAIM算法保护级别的仿真进行对比,得到改进算法的保护级别、位置精度因子均较低,故障检测更准确;基于累加奇偶空间矢量RAIM算法对累加不同数量的健康可见卫星数进行仿真验证,对相同条件下系统出现微小持续故障、微小斜变故障、微小快变故障进行仿真,与传统奇偶空间矢量RAIM算法出现故障卫星的仿真进行对比,结果表明改进算法的检测速度快,在故障出现后能够快速识别,故障校测效率高。

关键词： 北斗卫星导航系统   精密单点定位   卫星信号质量分析   多系统快速选星   粒子群优化   基线约束卡尔曼滤波   系统间交叉验证   基于后验残差的保护水平   质量检核  

摘要： 随着卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS),特别是北斗卫星导航系统的飞速发展,北斗/GNSS精密单点定位技术在海洋定位领域取得广泛的应用。本文立足海上测量环境复杂,影响因素众多,无法通过重复观测,或者像陆地上一样,借助于已有IGS(International GNSS Service)长期观测站的结果,验证定位方法,检核定位结果等现实情况,从海上导航卫星信号质量分析,多GNSS系统快速选星方法,基于基线约束的卡尔曼滤波精密单点定位方法,以及海上精密单点定位质量检核等几个方面展开研究,本文的主要工作和创新点包括:1.系统梳理了精密单点定位的函数模型、随机模型、滤波模型、定位解算中各种误差以及相应误差的处理策略,总结了GNSS发展现状,为后续多GNSS系统精密单点定位数据处理奠定理论基础。2.全面分析了北斗卫星导航系统卫星和GPS系统卫星在海上的信号质量,利用雪龙号破冰船第9次北极科考实测的GNSS数据,采用卫星可见性、几何精度因子、信噪比、多路径、伪距噪声等指标,研究了卫星信号在不同类型卫星间、不同频率信号间、不同纬度海域间的质量变化规律,为后续海上多GNSS系统精密单点定位随机模型权重设置等问题提供依据。3.提出了改进粒子群优化算法用于解决海上多GNSS系统快速选星问题,提高海上精密单点定位计算效率。改进粒子群优化算法一方面采用线性惯性权重来平衡粒子在优化过程中的局部搜索能力和全局搜索能力,另一方面采用免疫系统的记忆功能和自动调节功能来保障粒子群在优化过程中的多样性,通过这两方面的改进可以避免算法陷入局部优化,有效提高算法的收敛速度和收敛精度。实验结果表明,改进粒子群优化算法在海上多GNSS系统快速选星问题上更具优越性,其应用于海上动态精密单点定位的精度优于传统粒子群优化算法应用于海上动态精密单点定位的精度。4.提出了基线约束卡尔曼滤波精密单点定位方法,提高海上精密单点定位精度和稳定性。在静态、仿动态、海上动态等不同定位模式下,对比分析基线约束卡尔曼滤波精密单点定位和无约束条件卡尔曼滤波精密单点定位。相对于无约束条件卡尔曼滤波精密单点定位,零基线约束卡尔曼滤波精密单点定位和短基线约束卡尔曼滤波精密单点定位均可以显著提高定位精度。同时短基线约束卡尔曼滤波精密单点定位精度的提高程度与零基线约束卡尔曼滤波精密单点定位精度的提高程度几乎相当,表明只要约束基线长度的真值足够精确,短基线和零基线约束卡尔曼滤波精密单点定位方法对定位精度的提高效果基本相同。5.基于全球分布的MGEX(Multi-GNSS EXperiment)实测数据,首先对不同系统组合的精密单点定位进行精度和收敛速度的性能分析,实验数据表明:相对于单北斗卫星导航系统精密单点定位,不同系统组合精密单点定位可以有效提高精密单点定位的收敛速度和定位精度;组合系统的数目越多,相应精密单点定位的精度越高、收敛速度越快;在不同系统组合方式中,C/G/R/E精密单点定位的精度最高、收敛速度最快。然后在静态、仿动态、海上动态等不同定位模式下,采用系统间交叉验证的方法来检核精密单点定位结果的精度和可靠性。6.针对海上测量环境复杂,观测数据易包含粗差的情况,提出了改进的基于后验残差的保护水平方法检核海上精密单点定位质量。该方法基于接收机自主完好性监测理论,采用中值滤波平滑后验残差的欧式距离,提高保护水平的性能。实验结果验证了改进的基于后验残差的保护水平不但可以有效界定精密单点定位的位置偏差水平,而且可以反映观测数据中粗差等异常的影响。