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关键词： HM2000型剖面浮标   北斗卫星导航系统   Argo   区域海洋观测网   实时海洋观测网  

摘要： HM2000型剖面浮标是一种新颖的国产海洋观测仪器,可以长期在海上自由漂移并连续测量0～2000m水深内的海水温、盐度剖面数据,已被国际Argo组织用于全球Argo实时海洋观测网建设和维护。详细介绍了该型浮标的工作原理、结构、功能和主要技术指标等,并与APEX型浮标进行了比较分析,表明了HM2000型剖面浮标具有明显的功能优势,且测量的温、盐度质量是有足够保证的,完全可以替代国外浮标用来主导建设我国的Argo区域海洋观测网。

关键词： 北斗卫星导航系统   基带信号处理   捕获算法   跟踪算法   FPGA  

摘要： 随着北斗系统建设和服务能力的发展,北斗相关产品的应用越来越广泛。因此接收机尤其是基带信号处理算法的研究成为导航应用方面的关键。对北斗信号的格式及特性进行研究之后,主要对接收机的核心技术捕获和跟踪进行深入研究。研究内容如下:首先对北斗信号的捕获算法进行详细的研究。首先对时域串行捕获算法、并行频率以及并行码相位捕获算法进行研究,并通过matlab对FFT捕获算法进行仿真,给出了算法的复杂度,捕获时间以及计算量方面的性能结果。研究了一种改进的捕获算法,算法通过部分匹配滤波器与FFT相结合,将本地相差一个码片的本地伪码进行64点叠加,并与64点叠加的信号进行PMF捕获。通过卫星导航实验平台采集实际中频数据对PMF-FFT算法进行验证,结果表明,该算法可以减少运算量,较好的提升捕获速度。接着对北斗信号跟踪算法进行了深入的研究。研究了载波跟踪环路和码跟踪环路进行研究,对科斯塔斯环以及锁频环进行了研究和验证,对码环延迟锁定环路进行了设计和验证。结果表明设计的跟踪算法能够有效的跟踪同步到导航信号。最后利用FPGA对设计的捕获算法进行硬件实现,实现了数字下变频模块、载波NCO模块以及本地测距码NCO模块的设计。通过Quartus II软件中内嵌的嵌入式逻辑分析仪实时抓取各模块的信号,进行功能验证,结果表明设计的捕获模块能够有效的捕获到北斗导航信号。

关键词： UAV倾斜摄影测量   三维建模   精度分析   大比例尺地形图  

摘要： 近几年,在测绘领域中研发了一项称为无人机(Unmanned Aerial Vehicle,简称UAV)倾斜摄影测量的新技术,它可在短时间内快速获取目标对象的多视角影像。随着计算机技术的发展,三维建模技术也日趋成熟,将UAV倾斜摄影测量技术与三维建模技术相结合,生产的三维模型,具有精度高、真实性强、纹理清晰等特点,已广泛应用于Smart City、Digital city、医疗以及传统建筑等领域。三维模型在测绘领域的作用也不可小觑,传统的地形图绘制工作存在耗时长、现势性低、效率低、成本高等问题亟待解决。三维模型基于EPS平台绘制大比例尺地形图,可有效地改善地形图绘制工作存在的困难,为地形图绘制工作提供新技术、新方法。本文依托实际工程项目,以吉安市永新县桃山村为例,通过实践验证了利用三维模型基于EPS平台绘制的地形图精度能够满足大比例尺地形图成图精度要求。以下是本文的主要研究内容:1.利用飞马D200航测系统获取影像数据、基于Context Capture平台建立真三维模型,为提升模型整体性和精细度,使用Geomagic Studio和Meshixer软件对模型空洞进行修复;2.基于Context Capture软件建立三维模型,依据相应的参考标准从模型精细度、模型空三精度、模型重建精度三方面分析三维模型的精度;3.研究五种绘制方法对三类房屋绘制精度的影响,总结房屋最佳绘制方法,然后基于EPS平台绘制大比例尺地形图,并从平面、高程、长度、角度和面积五方面分析绘制的地形图精度是否满足地形图成图精度要求。研究结果表明,三维模型纹理清晰、结构较为完整,真实性强;模型空三解算后的控制点和检查点的平面、高程精度均可以满足1:500比例尺的精度要求;重建后的三维模型平面中误差为0.026m,高程中误差为0.019m,即平面、高程精度满足1:500比例尺精度规范;从以上三方面的精度分析结果可知,三维模型整体精度较高,可用于后续生产大比例尺地形图。通过分析绘制方法对房屋绘制精度的影响,总结房屋最佳绘制方法,为进一步验证利用三维模型基于EPS平台绘制大比例尺地形图的绘制精度,从平面、高程、长度、角度、面积五个方面分析地形图的绘制精度。研究结果表明,由点到线再到面,从局部到整体全方面分析利用三维模型基于EPS平台绘制的大比例尺地形图精度满足1:500地形图成图精度要求,即利用三维模型基于EPS平台绘制大比例尺地形图是一种省时、成本低、效率高、精度有保障的新方法。

关键词： 北斗卫星导航系统   全球定位系统   北斗三号系统   BOC调制   信号捕获算法   信号跟踪算法  

摘要： 目前,作为全球卫星导航系统供应商之一的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)正按照既定的发展战略稳步推进建设。为了达到全球覆盖以更好地服务我国乃至全球用户的需求,我国正在研发并组建北斗三号系统。随着北斗三号系统建设的加速推进,其需求与应用市场也将快速扩大和发展。因此作为将北斗三号系统纳入用户应用的基础,对北斗三号卫星中新增性能更优的B1C、B2a和B3I信号的捕获与跟踪,即信号处理成了至关重要的研究内容。由于北斗三号系统刚投入使用不久且新增了新型信号,目前鲜有对这些新型信号的捕获与跟踪方法的探讨。本文分析了北斗三号新型信号的信号结构并研究捕获与跟踪方法,为北斗三号的用户使用以及后续研究打下基础,对将来北斗三号卫星系统全球组网作好用户层面的理论准备。本文的研究主要包括以下5个方面:1.针对北斗三号各信号的调制方式和信号基本特性进行了分析,并比较了B1C信号采用的BOC调制技术和B2a及B3I信号采用的BPSK调制技术,同时对于这两种调制方式的自相关特性进行了研究。2.分析了北斗三号各卫星信号的测距码生成方法包括由Weil码截短和Gold码截短的方式,同时完成了各信号测距码的本地复现,并研究了各自的自相关和互相关特性,作好了信号捕获阶段的准备。3.通过接收机采集北斗三号各频段真实信号,同时引出了卫星信号捕获过程中遇到的多普勒频移问题,分析了信号捕获领域中常用的时域顺序搜索法和FFT搜索法并提出改进的FFT搜索法完成了对北斗三号信号的捕获。4.在捕获的基础上研究了针对卫星信号的跟踪方法,包括载波跟踪环路和码跟踪环路的工作原理。针对北斗三号信号的特性设计了自适应相频切换载波跟踪环路,完成了信号跟踪,并验证了跟踪结果的正确性。同时设计了基于即时相关峰值计算载噪比的方法,有利于初步判断卫星信号强度。5.分析了北斗三号B1C信号的导航电文结构和电文解码方法以及卫星位置解算算法,通过完成解码导航电文并计算卫星位置得到卫星轨道高度验证了解码方法的正确性。

关键词： 倾斜摄影   测量技术   地形图测绘  

摘要： 本文通过对倾斜摄影测量技术的发展与基本原理进行分析,从无人机倾斜摄影的使用角度出发,阐释了倾斜摄影技术的应用意义,进一步对其的使用方法进行了探究。

关键词： 北斗二号   灯塔计划   北斗三   北斗一号系统   北斗卫星导航系统  

摘要： 北斗导航系统开启全球服务,标志着我国向全球组网的目标迈出了实质性的一步。"北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一。"习近平总书记在致联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会的贺电中如此评价。

关键词： 捷联式惯性导航系统   北斗卫星导航系统   松组合   卡尔曼滤波   SVR   ARM Cortex-M7内核  

摘要： 随着北斗卫星导航系统的逐渐完善和北斗/SINS组合导航技术的发展,北斗/SINS组合导航系统已经开始应用于航空、精准农业等领域,但是对于北斗卫星信号失锁时组合导航精度下降的问题仍是目前的研究热点之一。论文针对北斗/SINS组合导航系统的小型化以及北斗卫星信号失锁时导航系统导航精度急剧下降的问题,开展了以下研究。首先,研究了捷联式惯性导航系统的基本原理和误差方程的推导过程,并对课题组已有的基于KF和SVR的北斗/SINS松组合导航数据融合方案进行了改进,将KF估计得到的速度误差作为训练目标,并对训练数据进行实时更新。其次,研究了KF和SVR算法的基本原理,在此基础上推导了KF的状态空间模型;研究了SVR的序列最小最优化训练算法的实现原理,构造了适用于训练数据的混合核函数,采用网格交叉寻优算法对影响SVR预测性能的主要参数m和σ进行在线寻优,结合离线确定的C和ε参数采用SMO算法对速度误差SVR预测模型进行训练。第三,研究了基于ARM Cortex-M7内核的微控制器STM32F767、微惯性测量单元ADIS16405和北斗卫星导航接收机UB280使用方法,搭建了北斗/SINS松组合导航硬件系统,并对硬件系统进行了测试。最后,根据改进的SVR/KF数据融合方案设计了组合导航系统软件。软件包括SINS解算、卡尔曼滤波、SVR训练数据保存、SVR参数寻优、SVR训练和SVR预测等子程序。同时通过使用STM32F767的DSP指令库,保证组合导航算法的运算速度和精度。转台和跑车实验结果表明:改进的SVR/KF数据融合方案不但能够解决北斗卫星信号失锁时组合导航精度急剧下降的问题,而且在ARM Cortex-M7微处理器上是可实现的。论文的研究结果为组合导航系统算法的优化和微处理器的选型提供了可以借鉴的思路。

关键词： 北斗卫星导航系统   GPS定位   React Native   消防栓钥匙  

摘要： 如今在我国城市化极速发展的过程中,城市供水系统愈发庞大。复杂而庞大的供水系统支撑着生活工农业用水和城市消防用水。连接供水系统的消防栓,是供水网络中重要而相对薄弱的节点。它提供消防用水和一部分市政园林用水,却也是供水系统中自来水非正常流失的主要节点。近年来利用消防栓偷盗自来水的违法现象愈发普遍,严重影响供水系统的安全。部分城市将更换新的防盗消防栓,并配备一种新的更加防盗的消防栓钥匙来控制消防栓的启闭。论文将设计一套消防栓钥匙定位系统,用于部分城市更新后的消防栓钥匙,进行定位监控和防盗。该系统由三大部分构成:在消防栓钥匙内部的定位硬件模块,服务器端软件,手机端应用软件。定位系统设计的主要功能有:指定钥匙的位置查询,区域内钥匙的监控以及定位硬件模块的无线充电功能等。该定位系统为水公司和消防系统提供实时定位查询服务,对消防栓钥匙进行定位和监控。系统实现定位监控的过程是:定位模块通过HTTP方式向服务器发送定位信息,服务器将定位信息储存在数据库,等到用户使用手机App向服务器发起HTTP位置查询请求时,服务器就把用户需要的信息通过HTTP响应传给手机端,最后以高德地图的形式在手机端呈现出定位钥匙的坐标点。从而实现了消防栓钥匙定位和查询的功能,做到了定位监控和防盗。该系统主要有三大特点:(1)定位模块超低功耗并能进行无线充电,(2)能够室内外无缝定位,(3)移动端原生应用软件同时兼容iOS和Android两大平台。系统中定位模块的PIC单片机使用XLP(Extreme Low Power)技术保证单片机的超低功耗,通过引入休眠时间来减小定位模块中单片机与其他硬件的功耗,做到一次无线充电能连续正常工作一个月。而且消防栓钥匙在室外使用后放回室内时,能通过无线充电器对其进行无线充电。定位模块的室内外无缝定位通过北斗(BDS)/GPS卫星定位和LBS基站定位这两种方式相互辅助来完成;在卫星信号优良的地方使用卫星定位,在卫星信号较差时使用LBS基站定位作为辅助。在本设计中,定位系统的应用软件开发也比传统手机应用开发更加高效且低成本:服务器端和手机端都统一使用JavaScript语言,手机App采用React Native开发,同时适配Android和iOS两大平台;服务器端采用***技术开发,高效快速。因为手机App同时适应两大平台,理论上开发周期可以缩短为传统Android和iOS App开发的一半,而***开发服务器端也会比传统方式更快。论文设计的系统无论是在定位模块硬件方面还是在定位监控应用软件方面,都相对于传统的开发有所创新。定位模块低功耗的控制方式能够使模块工作时间更长,并且具有无线充电功能;应用软件使用的前沿开发方式进一步降低了开发成本,提高了应用软件的跨平台特性,也是未来中小型App的发展方向。最后系统的总体测试表明:在Android和iOS设备上,应用软件都能正常使用,该系统能够有效监测到消防栓钥匙的准确位置,能够以低功耗的方式长时间发送定位,避免钥匙丢失,且能够方便使用者找回遗失钥匙,从而减少消防栓盗水现象。

关键词： 北斗卫星导航系统   全球定位系统   快速选星算法   RAIM可用性  

摘要： 多星座选星算法和RAIM算法都是随着卫星导航系统的建设而不断发展的,选星算法是在定位之前粗略判别接收机所在位置的可见星分布,从中选择一个子集进行定位解算,以保证导航定位实时性。RAIM,即接收机自主完好性监测,是包含在接收机内部用于保障接收机定位可靠性的算法。本文从多星座卫星导航定位面临的实际问题出发,就多星座选星和RAIM可用性两方面进行深入研究。首先分析卫星空间几何结构与GDOP之间的关系,以及传统RAIM故障检测与识别原理,然后从“如何快速有效地筛选可见卫星子集”和“粒子滤波RAIM算法可用性及改进方法”两个问题进行讨论分析,建立算法模型,运用群智能优化算法进行改进,其具体研究内容如下:(1)首先分析了组合导航卫星精度因子的计算方法与特性,介绍两种常见的基于最小精度因子的快速选星方法,通过实验仿真,得出卫星几何精度因子与可见卫星数量的变化关系。然后,详细描述卫星故障检测与识别算法原理和运算过程。(2)针对如何快速有效的选择用于定位的可见卫星子集这一问题,提出了一种基于粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)的选星方法,构建了PSO选星算法模型,并分析算法参数对选星结果的影响。实验证明,该方法能够快速实现BDS/GPS双星座选星,为快速选星方法提供了新思路。(3)在基本的PSO选星算法基础上,通过混沌映射初始化粒子种群,并采用随迭代次数变化的惯性权系数及加速系数优化算法。此外,为保证种群粒子多样性,在选星过程中,保留20%性能好的粒子,混沌搜索初始解空间选取其余80%粒子,用于替换性能差的粒子。实验证明,改进的PSO快速选星算法能够有效改善了算法的不稳定问题,但选星耗时有所增加。(4)研究混沌粒子群优化粒子滤波(CPSO-PF)算法的接收机自主完整性监测(RAIM)方法,建立算法模型,判断算法可用性,如果算法可用,则进行故障检测,然后,用真实的导航数据进行方法性能验证。最后得出结论,该算法可用,且能够在非高斯测量噪声条件下有效地检测和隔离卫星故障。

关键词： 北斗卫星导航系统   星间链路   集中式自主定轨   滤波处理   批处理   时延值标定  

摘要： 星间链路（Inter-Satellite Link,ISL）具有星间测量和通信能力,是现代全球卫星导航系统的重要组成部分。在星间链路的支持下,卫星导航系统就能具有自主定轨（Autonomous orbit determination,AOD）的能力,可以在缺少地面运控系统（Operational Control Segment,OCS）支持的情况下实现卫星星历的在轨更新,提高导航系统在特殊时期的生命力。作为发展最快的卫星导航系统之一,北斗卫星导航系统已于2015年3月至2016年2月完成了一个在轨试验星座,并开展了星间链路技术及其在自主定轨中的应用验证。自2017年11月第一颗第三代北斗卫星成功发射至2018年底,第三代北斗卫星导航系统（简称北斗三号）形成了18MEO+1GEO的基本星座。北斗三号卫星全部搭载了星间链路载荷,实现了基于Ka波段的星间测量和通信,如何利用星间链路数据实现星座自主定轨功能是我国北斗建设过程中必须解决的一个核心问题。目前,美国在GPS自主定轨方面已有比较完整的理论,并在GPS BLOCK IIR及以后的卫星上实现了自主定轨功能,但其自主定轨系统的关键技术并未公开。近年来,国内部分学者对自主定轨也进行了一些有益的研究和探索,但大都采用仿真数据,将实测星间链路数据应用于导航卫星自主定轨的研究成果还比较少。本论文旨在系统深入地研究集中式自主定轨中的关键技术,并将北斗三号实测星间链路应用于自主定轨,以期为后续我国北斗卫星导航系统全面实现自主定轨提供理论参考和技术支持。主要工作和贡献如下:（1）回顾了卫星导航系统星间链路发展概况以及自主定轨技术的研究现状;梳理总结了卫星定轨的基本理论,详细推导了基于星间链路观测值进行集中式自主定轨的数学模型。（2）在Kalman滤波算法中增益矩阵的计算需要进行求逆操作,当计算过程中求逆的矩阵失去非负定性时,增益矩阵将会产生很大的误差,将造成参数估值的巨大误差。针对此问题和自主定轨的处理运算特点与需求,本文引入了基于UD分解的Kalman滤波算法,避免矩阵求逆运算,不仅可以减小滤波测量更新的计算量,而且能够提高自主定轨处理的稳定性。（3）针对常规批处理算法中,法方程形成计算量大以及法方程可能病态的问题,本文在分析集中式批处理自主定轨的解算特点和需求的基础上,引进了不求平方根的Givens-Gentleman（GG）正交变换方法。其显著优点在于:实现了对观测资料的逐个处理,避免了因系数矩阵太大而造成内存大量占用的弊病;充分利用了系数矩阵含有大量零元素的特点大大减小计算量;避免了一般正交变换中大量的开方运算,在获得精度较高解的同时,提高了参数求解的效率。（4）给出了一种利用事后精密轨道和钟差进行星间链路时延值标定的简单方法。结果表明,星间链路设备收发时延和具有很好的稳定性,30天内标准差优于0.1m;而设备收发时延差稳定性较差,30天内标准差达到了0.3m。（5）利用北斗三号卫星的Ka波段星间双向测距数据,实现了连续30天的集中式自主定轨的滤波处理。结果表明:在十八颗MEO卫星场景下,自主定轨的平均三维误差小于2.0m,轨道综合误差URE精度优于0.5m,所有卫星的星间链路观测值验后残差RMS小于0.5m,SLR检核30天轨道的残差RMS小于0.4m。（6）实现了基于北斗三号星间链路的集中式批处理自主定轨。其7天内的星座平均径向误差小于0.1m,URE优于0.25m;相比于基于滤波的集中式自主定轨,7天内轨道的径向、切向以及法向精度可分别提升11.87%、15.52%和28.31%。