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关键词： 北斗卫星导航系统   民航导航  

摘要： 导航在航空领域当中是不可或缺的,它直接关系着航空的效率和安全。受国际民航组织对新航行系统的推广影响,各国都开始大范围的使用全球卫星导航系统进行民航导航,目前GPS由于技术成熟,所以在民航导航市场中应用最为广泛。而从技术独立和国家安全的角度来考虑,当前我国应当进一步加强对北斗卫星导航系统及其在民航导航中的应用研究,使我国能够尽早拥有自主的民航全球卫星导航,从而提高我国民航事业未来发展的灵活性、安全性。本文基于作者自身的实际工作与学习了解,主要对北斗卫星导航系统在民航导航中的应用进行了分析、探讨,以期能为相关工作的实践提供参考。

关键词： 组合导航系统   北斗卫星导航系统   全球卫星导航系统   多频GNSS   整周模糊度   周跳探测和修复   卡尔曼滤波  

摘要： 卫星/惯性(GNSS/INS)组合导航系统能够在卫星信号受干扰或中断时持续导航,且能提供精密的位置、速度、姿态信息,在军民领域都得到了广泛应用。未来,几大卫星导航系统都将播发三频乃至多频的卫星信号。多频信号提供了冗余观测量,能够显著提高导航定位的精度和可靠性(且有利精密定位),是目前GNSS导航定位研究的前沿和热点。但在GNSS/INS领域,如何利用多频信号的研究还未充分开展。因此,本文深入研究了多频GNSS/INS组合精密定位定姿的理论和方法,主要内容如下:1.构建了新的三频差分GNSS/INS紧组合模型,能够充分利用冗余频点观测量和三频模糊度解算快速的优点,在模型结构、观测量使用、解算效率方面,都有显著的优化。此外,将抗差自适应Kalman滤波算法应用于新模型,构造了适合新模型的双因子函数和自适应因子函数。实验表明,与传统GNSS/INS模型相比,新模型既能获得高精度的位置、速度、姿态结果,又有更优的解算效率,非常适合动态实时测量。2.提出了INS辅助三频模糊度解算算法(iTCAR)。iTCAR具有常规TCAR算法的高效优点,同时利用了INS辅助,在动态测量时更加可靠。使用三组实测动态数据分析了不同观测条件下常规TCAR算法的模糊度解算正确率;不同“伪距”来源时超宽巷模糊度解算的正确率。得出了iTCAR算法相较TCAR算法的优点。实验结果表明,相较常规TCAR算法,iTCAR算法可得到更高的模糊度解算正确率。3.提出了INS辅助多频组合观测量模糊度解算的新方法(IMAR)。IMAR算法利用了高精度的INS预测位置和多频组合观测量波长长、载波观测噪声小、电离层延迟小的特性。构造了INS辅助组合模糊度直接取整的数学模型。通过分析载波噪声尺度因子、电离层延迟放大因子、INS预测星地距离误差对模糊度取整正确率的影响,得出了组合观测量的选择策略,确定组合量(0,-1,1),(1,4,-5),(4,-2,-3)联合解算模糊度。实验结果表明,IMAR算法在卫星信号正常时有接近100%的模糊度解算正确率;在卫星信号长时间的完全中断或部分中断后,都能瞬时重新确定模糊度参数。4.提出了INS辅助多频组合观测量周跳探测和修复的新方法。依靠高精度的惯性预测几何信息和多频组合观测量的优良特性,新方法所构造的周跳探测量对1周周跳也能探测和可靠修复。推求了周跳探测量的错探率和漏探率,分析了INS误差对周跳探测量精度的影响。在此基础上,优选组合量(0,-1,1),(1,3,-4),(-3,4,0)联合进行周跳探测和修复。实测数据验证了该方法在密集周跳场景、卫星信号部分中断时、卫星信号完全中断时都能探测出周跳并可靠地修复。5.针对动态实时测量的传统LAMBDA模糊度解算方法,系统全面地探究了加入多频信号、多GNSS系统融合、INS辅助后,其效果的改善。构建了多频BDS/GPS/INS紧组合模型。推导了多频信号的ADOP值解析式,分析和验证了多频信号对ADOP值的影响。综合理论分析和实验验证,得出了多频信号、BDS/GPS多系统融合、INS辅助对模糊度解算时的Ratio值、ADOP值、模糊度浮点解误差、模糊度固定率、模糊度解算正确率五个方面的影响。所做研究有助于测绘用户根据需求选择频点数、GNSS系统融合、INS辅助。

关键词： 北斗卫星导航系统   MOPS   STK   飞行测试程序设计  

摘要： 随着我国北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)的不断发展,其在民航领域的应用是必不可免的。因此,BDS在民航领域的应用必须满足相应的技术标准规范。美国航空无线电技术委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)发布的使用GPS导航源下机载导航设备满足的最低运行性能一文中,包含了飞行测试下飞机的水平定位精度、接收机自主完好性监测等指标。本文以美国颁布的技术标准规范为参照,对我国BDS的最低运行性能(Minimum Operational Performance Standards,MOPS)进行分析研究。首先阐述了全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)在民航领域的广泛应用,介绍了目前的民航导航由传统导航向基于性能导航过渡转变。从BDS系统组成以及卫星位置解算,北斗导航系统定位原理以及定位性能指标详细阐述了BDS。根据美国RTCA发布的DO-208文件中规定的飞行测试要求设计研究北斗MOPS所需的飞行测试程序,包括飞机爬升、下降以及水平加速。其次仿真了北斗卫星星座,并以中国大陆地区、亚太地区以及全球测试地点为分析对象,研究分析了北斗的覆盖性能。仿真分析了飞机在不同航路不同加速度条件下的三维定位误差,分析结果表明不同加速度条件下飞机的水平定位精度满足要求。并针对民航安全性要求,结合民航导航性能需求,通过仿真计算不同航路的水平保护限值,实现航路RAIM可用性的预判。最后基于卫星仿真软件(Satellite Tool Kit,STK)与MATLAB集成,搭建了北斗MOPS测试平台。平台集成了卫星可见性分析,卫星覆盖性分析,飞行航迹的生成,飞行定位误差分析以及RAIM可用性分析等主要功能。

关键词： 北斗卫星导航系统   全球定位系统   格洛纳斯系统   平淡卡尔曼滤波算法   蚁群算法  

摘要： 目前,我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)已经完成了亚太地区的全天候服务覆盖并已进入了全球化组网时代。与此同时其它的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)也在加速现代化进程,不断完善现有的系统,例如美国的全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)以及俄罗斯的格洛纳斯系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)。俄罗斯和美国也分别与我国签署了卫星导航系统兼容互操作协议,这标志着全球各大卫星导航系统之间的合作将会日益加深。因此,如何更好地利用空中越来越多的可见卫星进行导航定位将会成为新的研究热点。传统的单系统定位经常会遇到因遮挡导致可见卫星数目减少时定位精度明显下降的问题,在卫星数少于4颗时甚至无法精确地三维定位。本文对多系统融合定位的研究能够有效地解决这一问题,同时也能为今后多领域的实际应用提供理论基础。本文的研究主要包括以下5个方面:1.分析研究了BDS、GPS以及GLONASS时间系统和空间系统之间的异同,并在此基础上通过寻找中间量得到各时间系统之间的关系,通过坐标系的转换将三个空间系统转换到WGS-84坐标系下,最终实现三个系统的时空统一。2.在时空统一的基础上建立了基于伪距-多普勒观测的多系统定位模型,将定位过程中的测量噪声和过程噪声建模以削弱误差对定位精度的影响。同时分析了定位中的误差源,并对其中伪距测量过程中的主要误差源——电离层和对流层误差进行建模补偿。3.提出了采用平淡卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)替代迭代最小二乘法(Iterative Least Squares,ILS)和扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF)来估计用户位置,以解决ILS精度较低和EKF线性化误差明显的问题。4.针对UKF算法过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵参数需要通过经验选取的问题,采用了蚁群算法(Ant Colony Optimization,ACO)来优化参数的选择,得到了一种普适性的参数选择方法。5.分别进行了静态和动态定位实验,通过实验验证了无论是静态还是动态定位,处于良好还是恶劣观测观测环境,本文提出的多系统融合定位算法都能表现出优秀的性能,特别是针对单系统无法精确定位的极端恶劣环境以及汽车运动中的动态复杂环境,均能够有效提高定位精度和稳定性。

关键词： 无人飞艇   低空航测系统   1∶500大比例尺   地形图航测  

摘要： 无人飞艇被设定成低空架构下的飞行平台,配有组合架构中的宽角相机,能够测量得来高辨识率的最优影像.本文采用1比500特有的大比例尺,拓展了基高比,建构了优化情形下的立体结构.这种航测手段,不仅提升了运算之中的精准程度,创设了地形图特有的航测新思路,结合案例新思路对地形图航测中的应用进行了详细的阐述.

关键词： 北斗卫星导航系统   精确定位技术   差分数据获取与解析  

摘要： 20世纪70年代以来,以汽车为主导的交通模式所带来的问题日益严重,为缓解能源危机、环境污染、土地紧缺、交通拥堵等问题,世界各国都在大力完善城市公交系统,例如目前大力推广的大容量的有轨电车等,但仅仅通过改进交通工具的手段还不能彻底改善公共交通的现状,必须找到一套既科学又实用的公交调度管理系统,对公交车辆进行实时监控和调度,从而保证公交车辆的有序运行。自2012年年底北斗导航卫星系统实现亚太地区服务以来,为了保障公共安全,改善交通环境,各部门均制订了相关政策,大力推动了中国北斗卫星导航系统在民用交通领域的应用。基于上述背景,结合乘客候车、乘车的方便性和公交调度管理者的实际需求等因素,本文提出了基于精确定位技术的有轨电车调度系统方案,为现代有轨电车引入智能化实时管理的理念。本论文的主要内容如下:(1)高精度定位的基本原理。整个精确定位系统由基准站、客户端、有轨电车车载终端等多部分组成,本文重点阐述了客户端和车载终端部分的设计与实现,包括硬件部分和软件部分;(2)实现车载终端高精度定位的主要技术,包括差分定位数据的获取与解析,定位模块对差分数据进行解算输出更高精度的定位信息等;(3)对整个系统的搭建与调试,对定位性能进行评估,达到了精度要求,实现了有轨电车调度系统的亚米级定位。

关键词： 北斗卫星导航系统   广域差分   完好性算法  

摘要： 对于我国北斗卫星导航系统，受区域监测网分布等原因的影响，目前其基本导航能达到水平优于6m，高程优于10m的定位精度，但该精度仍满足不了高精度用户定位服务的需求。为了实现更高精度的北斗用户定位需求，我国北斗系统也建立了自己的广域差分增强系统，不同于GPS等全球卫星导航系统，我国北斗导航系统在系统设计层面就统一考虑了开放服务和授权服务，通过授权服务向高精度和高完好性需求用户提供差分及完好性信息，以满足不同用户需求。本文主要基于北斗卫星导航系统的实测数据，对广域差分改正数计算方法、完好性监测方法进行了研究。　　目前北斗区域导航系统广域差分服务采用等效钟差统一修正卫星星历和钟差误差，而北斗全球导航系统中将要分别播发轨道改正数以及钟差改正数，因此论文将重点研究利用动力学模式以及运动学模式分别计算轨道及钟差改正数的算法，并通过北斗地面监测站的实测数据对不同模式计算的改正数进行分析，还将进一步研究将广域差分改正数应用到精密单点定位中的效果。随着卫星导航定位精度的提高，决定用户安全性能的导航系统完好性问题变得日益突出，因此本文还将研究北斗全球系统完好性算法，并利用实测数据进行分析验证。　　本文的主要研究成果及贡献如下:　　1.首先介绍了差分及完好性技术现状以及发展趋势，回顾国内外星基增强系统的发展过程和系统概况，详细介绍了观测数据误差修正方法以及差分改正信息的用户算法。　　2.重点研究了动力学广域差分算法，区别于常规多星定轨方法，采用固定星地双向钟差的方法来提升北斗卫星轨道改正数精度，并在预报轨道基础上解算卫星钟差，从而将差分改正信息分为独立的两个部分:轨道改正数的计算和钟差改正数计算。结果显示使用动力学广域差分改正数可以有效的提升用户定位精度，通过对我国均匀分布的14个测站试验，双频伪距定位误差由2.65m降至2.08m，定位精度提升了21％。　　3.在动力学广域差分改正算法基础上提出一种基于TWSTFT动力学广域差分算法，利用北斗导航系统特有的时间同步体制生成的实时钟差观测量计算钟差改正数，实验结果表明该方法同样有效的提升了用户定位精度，利用我国地面监测网的实测数据，使用基于TWSTFT动力学广域差分改正数后，平均测站双频伪距定位误差由2.57m降至2.07m，精度提升19％。　　4.由于太阳光压是卫星动力学定轨的主要误差源，因此分析和研究不同光压模型在北斗卫星定轨中的应用效果，基于北斗区域网观测数据分别利用T20模型、ECOM5太阳光压模型、ECOM9太阳光压模型对北斗卫星进行精密轨道确定，并对不同卫星类型的定轨效果进行分析。结果显示:不同于各家分析中心常采用的ECOM5参数模型，ECOM9参数模型在GEO卫星春秋分期间表现出更好的定轨效果;无论IGSO/MEO卫星在动偏期间还是姿态模式转换期间，T20模型有更好的适用性;因此建议为了获得更高的轨道确定和预报精度，应该针对不同类型的卫星在不同时段采用不同的太阳光压模型。　　5.在等效钟差改正数的基础上研究运动学四维差分改正数算法，该算法不依赖卫星轨道动力学建模，综合使用伪距数据以及相位历元间差分数据计算卫星轨道和钟差改正数，结果显示通过对中国区域内8个测站双频伪距定位试验，平均三维定位误差由2.45m提升至1.77m，提升了39％。同时将运动学四维差分改正数模型与等效钟差模型定位精度进行比较，统计信息显示在增加轨道改正信息后，用户差分距离误差平均提高率达到30％。　　6.针对北斗星基增强系统的增强信息进行用户算法验证，重点利用北斗地面监测接收机实测数据对三种处理模式的差分定位效果进行评估，分别采用动力学广域差分模型、运动学广域差分模型以及基于TWSTFT的动力学差分模型，差分改正后UDRE分别为0.55m、0.60m和0.61m，相比于改正前精度提升40％、35％和34％;双频伪距定位精度分别为1.76m、1.78m、2.08m，与基本导航用户相比，精度分别提升32％、31％和24％。因此可以同时采用以上三种差分模式，通过对结果的筛选，选择最优的一路结果进行输出，从而提升系统的服务性能。　　7.将北斗星基增强系统定位精度与国际知名的星基增强系统WAAS和EGNOS进行比较，结果显示利用WAAS提供的差分改正信息，双频伪距定位误差在1.54m，好于北斗星基增强系统的1.76m的测站平均定位结果;利用EGNOS提供的差分改正信息，测站平均定位结果在1.76m，与北斗卫星增强系统测站定位精度相当。　　8.研究将北斗轨道和钟差改正数应用于精密单点定位的效果，分别采用动力学广域差分模型、运动学广域差分模型以及基于TWSTFT的动力学差分模型计算的改正数，结果显示利用三种不同模式改正数后精密单点定位结果都可达到亚米级，而动力学模式精密单点定位结果明显好于其他两种模式，定位结果收敛后可达到15cm。　

关键词： 北斗卫星导航系统   时钟同步   单差   单频模糊度固定   未校准相位偏差   自回归滑动平均   抗差精密定权   数值模拟  

摘要： 目前北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）可在亚太地区提供导航、授时和短报文信息服务,BDS定位技术在变形监测领域的应用日益成为研究热点之一。精度、成本、实时性是BDS变形监测需要解决的关键问题,北斗变形监测技术通常采用双差模型进行静态定位,解算周期一般为数小时,硬件为多频多模测地型接收机（＞￥46,000）,静态定位可以实现毫米级定位,但是仍然不能满足大部分结构体监测成本和实时性的要求,亟需研究一种基于低成本接收机的北斗单历元高精度定位算法。本文以国家自然科学基金（51378057）、城市空间信息工程北京市重点实验室开放研究基金课题（2016101）为依托,在系统总结国内外GNSS（Global Navigation Satellite System）硬件设备、模糊度固定算法和高精度定位模型基础上,以时钟同步双天线单频接收机为硬件基础,研究了北斗单差精密随机模型对单频模糊度固定的影响,在此基础上提出了综合变形特征和最大位移约束改进的部分模糊度算法。通过室外试验,研究了超短基线和短基线坐标时间序列的主要误差特性及误差后处理消除方法,构建了未校准相位偏差（Uncalibrated Phase Delay,UPD）实时改正滤波模型和北斗/GPS抗差移动窗口定权位移探测模型。结合工程结构体监测实例,验证了北斗双天线变形监测技术的有效性。本文的主要研究内容如下:（1）构建了北斗单差精密函数和随机模型,理论结合实际数据验证了基于时钟同步双天线接收机单差模型（UPD=0）在高程方向精度明显高于双差模型。利用统计假设检验理论证明了 B1频率伪距和载波观测值之间相关性的显著性,说明了构建精密随机模型的必要性。（2）研究了精密和经验随机模型对北斗单频模糊度固定的影响。建立了考虑观测值之间相关性和附加基线长度约束的观测计算模型,结合静态试验数据,发现精密随机模型可以提高模糊度固定成功率,Ratio临界值设为3,可以有效避免异常模糊度的产生;精密随机模型未考虑多路径误差,短基线的模糊度固定效果较差。（3）针对北斗单频模糊度固定效果差问题,提出了 IParLAMBLDC（Improved Partial LAMBDA with Baseline Length and Deformation Characteristics Constraints）模糊度固定算法,显著提高了模糊度搜索效率和固定成功率,略低于GPS L1频率。通过青海省共玉公路冻土路基、李家峡大坝及甘肃省徽县330kV输电通道碎石土边坡数值模拟,分析了边坡主滑方向和当地站心坐标系（Site-Centric coordinate system,SCS）几何关系,明确了结构体变形特征和最大位移的确定方法。（4）分析了超短基线和短基线坐标时间序列残差的主要变化特征。结合室外静态试验,发现超短基线单差模型定位精度主要受UPD影响,UPD未改正单差模型精度与双差模型基本一致,UPD改正后单差模型定位精度有所提高,特别是高程方向提高幅度最大;短基线定位精度主要受多路径效应影响,多路径误差消除后,极大提高了单差模型定位精度。（5）基于UPD移动均值滤波模型不能满足结构体实时监测要求,提出了 UPD自回归滑动平均（Auto-Regressive and Moving Average,ARMA）实时改正滤波模型。通过静态和位移加载试验,利用费歇尔假设检验和位移探测一致性方法,证明了UPDARMA实时改正滤波模型在位移探测方面的优越性;结合通风管冻土路基监测实例,验证了该模型用于冻土路基冻融变形监测的有效性。（6）基于北斗单差单频模型冗余度低、定位精度差等问题,提出了短基线（1km）北斗/GPS抗差移动窗口精密定权Kalman滤波模型。结合室外试验,发现等价权抗差可以加速概略坐标固定到准确坐标,提高坐标精度;位移探测精度随着窗口的增大将显著提高,移动窗口参数与可探测位移收敛速率基本成反比关系,该算法适用于具有蠕变特征结构体的高精度监测。（7）设计了北斗变形监测预警预测分析系统。基于C#网络技术,以PostgreSQL为数据管理平台,研发了北斗变形监测预警预测分析系统,包括数据采集、数据传输、数据处理与分析、数据管理、数据发布等子系统;以李家峡大坝为例,实现了北斗/GPS监测数据查询、实时显示、报表生成、预测分析和预警等功能,并分析了时钟同步接收机技术用于变形监测领域的优越性。（8）针对大坝GNSS变形监测成本过高问题,提出了一种改进的GNSS监测方案。通过李家峡大坝三维模型数值模拟,选取大坝主要变形部位作为时钟同步双天线接收机的GNSS监测点位,仅需布设一台时钟同步双天线接收机,实现了大坝运行状态的评估,显著降低了监测成本。根据大坝安全系数和监测关键

关键词： 无人机   大比例尺   铁路勘测  

摘要： 无人机航空摄影作为一种新型的低空遥感技术,因为响应速度快、精细度高、使用成本低、操作简便等技术特点,已经在很多领域被成功应用。本文基于某铁路工程中开展的无人机航飞应用实验,对使用固定翼无人机搭载常规相机制作大比例尺地形图,并对数据成果进行精度分析,进一步探求无人机测绘大比例尺地形图在铁路工程勘察中的应用,以期对该技术推广应用积累经验。

关键词： 无人机   大比例尺地形图  

摘要： 本文介绍一种无人机影像数据制作大比例尺地形图的方法 ,并对影像制作的地形图与传统测量方法进行比较分析。试验证明,利用无人机影像制作的大比例尺地形图平面精度能够达到国家1:2000的数字地形图精度。