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关键词： 北斗卫星导航系统   定位算法   差分定位技术   双频段融合定位  

摘要： 北斗卫星导航系统是我国独立研发、自主管理的全球卫星导航系统,目前已覆盖亚太地区,在我国境内的定位精度可媲美GPS系统;此外,它也是目前唯一支持民用双频段定位的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统在民用和军用领域都扮演着重要的角色,高精度北斗定位已经成为研究热点。本论文开展北斗卫星导航系统的高精度定位研究,主要包含差分技术和双频段融合技术的应用。首先,对北斗卫星导航系统进行了详细的介绍,包括星座卫星组成、坐标系统、时间系统、信号结构和测距码特性等,并对接收机的数据格式RINEX3.02和差分数据传输格式RTCM10403.2的解码进行了叙述;叙述了卫星导航定位的原理,对影响定位结果的误差进行了分析,比较了误差的经典校正模型及其优缺点,并确定了最终采用的模型;在确定导航定位计算的三个步骤之后,根据误差校正模型校正伪距,采用迭代最小二乘法进行位置解算。随后,介绍了BDS的差分定位技术,在分析了目前主流的几种差分技术及其优缺点后,采用伪距差分技术开展单频段的单机定位实验和单基站差分定位实验,采用定位误差和定位均方根误差作为衡量定位结果优劣的指标,对差分定位的效果进行分析,并对B1I和B2I两个单频段的定位效果进行了分析。接着,引入了双频段融合技术,包括载波相位平滑伪距法等,并提出了三种伪距融合算法——伪距平衡算法、组合消电离层误差算法、伪距加权平衡算法,开展双频段融合的单机定位实验和单基站差分定位实验,验证三种伪距融合算法的优劣,并着重分析了双频段融合技术及差分技术的优化效果。最终,本文建立了完整的单基站差分北斗双频段融合定位系统并进行了实验,将三维定位精度由米级提升到分米级,验证了所提出的BDS双频段差分定位方法的高精度和高稳定性。

关键词： 北斗卫星导航系统   周跳   小波变换   多分辨率分析   奇异值检测  

摘要： 随着北斗卫星导航系统全球组网阶段的逐步实施和服务功能的推广普及,必须大力发展和研究与其相关的技术,其中准确的探测和修复周跳是北斗技术应用中必须解决的技术难点。小波分析作为一种现代化数据处理方法已经在GPS周跳探测与修复领域中取得了较为理想的效果,对于该方法是否适用北斗信号特性,有待研究。本文在系统地阐述分析北斗卫星导航信号特点基础上,借鉴GPS周跳的相关理论方法,并以双差检测量作为周跳检测量,将小波变换法用于BDS周跳探测与修复中。目前,小波变换法探测修复周跳的方法一般都是先利用其探测周跳发生的位置,再结合其他方法进行周跳的修复。本文探索尝试利用小波变换探测周跳的位置后,直接利用小波变换修复周跳的方法。具体来说就是将周跳当做信号处理中的第一类间断点,根据信号奇异性检测原理,利用小波对载波相位序列进行多尺度分解与重构,可将序列中的趋势项与噪声分开,分别用近似信号(低频部分)和细节信号(高频部分)来表达,周跳突出在细节信号中,在该序列出现周跳时,其小波变换后的系数具有模量极大值,因而可以通过对模量极大值点分析进而精确地检测到信号的突变点即周跳发生的历元,同时可以根据细节信号中的突变点来探测周跳并计算大小。同时总结出适合北斗信号频率特征的其他方法如高次差法,多项式拟合法,并用实测数据通过多次仿真实验验证对比上述方法与本文提出的小波变换法在BDS周跳探测上的有效性,可行性及适用性。经过多组仿真实验分析可以得出,本文提出的基于小波变换法的北斗导航信号周跳探测与修复,适合于北斗导航信号的周跳探测与修复,在北斗导航系统的不同使用阶段均能使用,解决了北斗导航信号在周跳探测与修复方面的问题,为北斗卫星导航系统进行高精度定位提供了高质量的观测数据。对该方法的多次仿真结果验证了小波变换法在北斗导航信号周跳探测和修复具有较高的准确性和实时性,探测周跳发生位置准确,修复效果较好,相对于其他方法在低采样率时依然能够保持良好的探测与修复效果,尤其是在周跳探测方面具有其他方法无可比拟的优势,无论是大周跳、小周跳,多历元连续周跳均能够有效探测出来,可以在北斗导航系统的应用中采用,同时对于促进北斗的进一步推广普及应用具有至关重要的意义。

关键词： 无人机   航空摄影测量系统   大比例尺地形图   实景三维模型   正射影像图  

摘要： 无人机航摄系统已开始应用于城乡规划、国土资源监察管理、电力线路巡逻检、环境综合整治等越来越多的领域。本文介绍了无人机航摄系统在矿山测绘中的应用,以应用实例阐述了无人机航摄系统生产的DOM、DLG及三维实景模型的生产工艺与流程,表明无人机航摄系统为矿山数字化建设中提供多样性,全面化地理信息化基础数据。

关键词： 北斗卫星导航系统   北斗卫星精密定轨   精密单点定位   多系统融合   数据质量分析  

摘要： 卫星导航与空间位置服务在军事、交通、无人驾驶以及日常生活中发挥的作用越来越重要。我们国家自己研发并已经在使用的北斗卫星导航系统(BDS-2)基本可以实现在亚洲太平洋区域的高精度PVT服务。导航卫星的精密轨道是实现高精度空间位置服务的基础。针对北斗卫星精密轨道确定问题,通过研究BDS单系统以BDS多系统融合定轨的方法,以提高轨道精度。采用BDS单系统以及BDS多系统融合精密单点定位技术对北斗高精度空间服务能力进行分析。研究结果对现阶段北斗卫星导航系统的精密定轨以及北斗全球空间服务系统的建设具有一定参考价值。论文主要研究内容如下:1、分析了导航卫星数据处理方法,阐述了北斗卫星数据预处理理论及方法。利用多系统数据预处理软件,对MGEX站多模观测数据进行了处理,跟据当天数据完整率及测站周跳统计,剔除数据BDS数据完整率小于80%的测站,对观测站网进行了优化,实验结果表明,剔除部分测站能够提高BDS的轨道精度。2、研究了北斗导航卫星非差精密定轨的理论与方法,利用MGEX站全球观测数据,进行了 BDS单系统非差精密定轨实验,分别计算了 1天弧段跟3天弧段的BDS卫星轨道。弧段实验结果表明,不同轨道类型北斗卫星,定轨精度存在差异,具体表现为MEO类型卫星最好,GEO类型外符合精度不稳定。1天弧段轨道外符合精度,径向优于12cm,切向优于25cm,法向优于88cm。3天重叠弧段轨道内符合精度稳定,径向RMS优于20cm,切向跟法向RMS优于80cm。3、给出了 BDS导航卫星多系统融合精密定轨的关键技术,并基于全球MGEX观测数据进行了精密定轨实验。实验中分别采用了 BDS/GPS、BDS/GLONASS以及BDS/GPS/GLONASS三种导航卫星定轨模式,实验结果表明,增加卫星系统能改善观测几何构型,提高定轨精度,同时增加定轨弧长,也能相应的提高轨道精度。1天弧段轨道外符合精度,径向优于1Ocm,切向优于20cm,法向优于80cm。3天重叠弧段轨道内符合精度稳定,径向优于11cm,切向优于23cm,法向优于70cm。4、利用高精度卫星轨道以及钟差产品,以及高精度定位软件,进行了 BDS、BDS/GPS、BDS/GLONASS 以及 BDS/GPS/GLONASS 4 种模式的 PPP 静态实验。结果表明,采用BDS单系统PPP,东、北、高程方向RMS优于1.8cm,而采用多系统融合精密定位解算,东、北、高程方向上的RMS值,均优于1cm。这表明增加可见卫星数,能够缩短定位收敛时间,提高解的稳定性。

关键词： 北斗卫星导航系统   航空应用   技术发展  

摘要： 随着我国卫星技术不断发展,北斗卫星导航技术成为继GPS技术后的又一大导航系统,北斗系统的普及让我们的日常生活变得更加便捷,为我国经济中高速增长起到重要的推动作用.北斗系统相比其他导航技术具有精度更高、操作简便、速度更快、成本低廉等优点,因此北斗系统对我国具有重要的作用.本文从北斗系统在航空中的各个应用进行一一分析,并就北斗系统的和其他导航系统进行分对比.

关键词： 北斗卫星导航系统   圆极化   微带天线   多频段   小型化  

摘要： 随着北斗卫星定位导航系统在世界范围内的快速发展,对于用户的终端设备的需求也更加广泛。考虑到用户对终端设备的可携带需求以及接收卫星信号的圆极化特性和北斗定位导航系统的多个频率段传输信号的特点,可携带的终端设备的天线应当具备包括小型化、圆极化和多个频率段工作在内的特点,所以在北斗卫星导航系统的用户终端设备中小型化圆极化多频率段的天线有着比较有意义的探讨价值。本文在分析了国内外比较经典的北斗天线的设计方法之后,完成了两款基于北斗卫星导航系统的多频段微带天线的设计。设计了一款双层贴片的北斗天线,该天线具有两个相对独立的馈电点和两层圆形贴片结构,且覆盖了 BDS-2 B2和BDS-1 S两个频段。通过在天线的圆形贴片中间开一条狭窄缝隙实现了圆极化,在传统的馈电方式的基础上增加一个馈电点即使用了两个相对独立的馈电点,且引入了金属通孔来增加两个端口的隔离度,通过在圆形贴片周围开不同长度的细缝来实现了小型化。通过计算和软件优化分析了天线主要的结构参数对于天线性能的不同影响,根据这些分析结论确定了该天线的尺寸,为70mm×70mm×3.2mm,与同类的天线对比,不仅覆盖了北斗卫星导航系统两个频段,且天线的尺寸相对减小。设计了一款单层贴片的北斗天线,该天线具备单个馈电点和单层圆形贴片结构,且覆盖了 BDS-2 B1和BDS-1 S两个频段。天线通过在圆形贴片中间开缝的方式实现了圆极化,同时在45°、135°、225°和315°位置上开C型缝隙实现了天线的小型化。天线的最终体积为50mm×50mm×1.6mm,和与其他的北斗天线对比,不仅覆盖了北斗系统的两个频段,而且天线尺寸也比较小。仿真结果表明,这两款北斗天线都满足了北斗系统对终端设备的指标要求:双层贴片北斗天线在B2频段的轴比为1.119dB,增益为1.69dB,在S频段的轴比为0.82dB,增益为1.74dB;单层贴片北斗天线在B1频段的轴比为0.89dB,增益为1.7dB,在S频段的轴比为1.02dB,增益为1.6dB。

关键词： 捷联惯性导航系统   北斗卫星导航系统   紧组合   容积卡尔曼滤波  

摘要： 伴随着现代导航技术快速发展,导航系统的种类越来越多,但任何一种导航系统单独使用时,都会存在一定不足,而采用组合导航技术可提高导航系统的整体性能及可靠性。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统,随着其投入使用和不断完善,开展相关应用基础研究对于推动北斗卫星导航系统的发展有重要意义。本文针对北斗卫星导航系统和捷联惯性导航系统(SINS)的紧组合导航方法展开研究,并采用容积卡尔曼滤波(CKF)实现数据融合。首先,研究了捷联惯性导航系统的工作原理、北斗卫星导航系统的定位原理、以及两种导航系统误差方程的推导过程。其次,设计了北斗/SINS紧组合导航方案。该方案在紧组合框架下,采用CKF滤波对两种系统的数据进行融合,并通过选星算法保证算法精度。同时,为了完成该方案的算法仿真工作,研究了北斗/SINS紧组合导航系统数学模型的推导过程和CKF的基本原理。第三,采用ADIS16405微惯性测量单元、CNS200北斗卫星导航板和PC机搭建北斗/SINS紧组合导航实验平台。设计实现了CNS200北斗卫星导航板的数据采集及解析软件,该软件可提供卫星的位置、伪距和伪距率等数据。第四,基于北斗/SINS紧组合导航设计方案,在MATLAB中编写了北斗/SINS紧组合导航算法仿真程序,包括SINS解算程序、选星程序、基于CKF的北斗/SINS紧组合数据融合算法程序。为了验证编写的各程序模块是否正确和设计方案是否合理,本文做了三个方面的实验:(1)利用CNS200数据采集及解析软件采集的卫星原始数据验证选星程序;(2)通过转台上的静态实验和动态实验验证了SINS解算程序;(3)通过动态跑车实验验证了本文提出的紧组合导航算法的性能。实验结果表明,在选星的前提下,将CKF算法应用于北斗/SINS紧组合导航中,不但能很好的解决了单独使用惯性导航系统进行长时间导航而导致的发散问题,而且可得到较高精度的导航参数。本文的研究结果为后续实现北斗/SINS紧组合导航系统提供了理论和实践基础。

关键词： 大比例尺地形图   无人机   像控点   航测  

摘要： 相比于传统的航空摄影测量,基于无人机平台的非量测数码相机低空摄影测量具有成本低、灵活、成本低、影像分辨率高、作业周期短等各种优势,在获取地理信息数据,特别是大比例尺地形图制作上得到越来越广泛的应用。但无人机低空摄影测量也存在一些不足,比如影像覆盖范围小、像片旋转角和倾角大、内方位元素未知、影像必须进行畸变差校正,这些不足必然使得低空摄影测量的作业流程和内业数据与传统的航测存在一些不同。由于POS系统精度不足,POS系统获取的像片外方位元素和相片姿态参数目前只能用于恢复像片间的初始拓扑关系,不能直接应用到无人机低空航摄空三解算的联合平差,合理的布设像控点对于保证测图精度、提升作业效率和减轻外业劳动强度仍具有重大意义。探究控制点布设对空三解算的影响规律,寻求在达到规范要求精度前提下的最低成本控制点布设方案对今后生产实践具有指导意义。本文以固定翼无人机垂直摄影为研究对象,围绕其数学原理、和与传统摄影测量的不同,阐述了影响成图精度的关键技术,包括低空影像匹配,非量测数码相机的检定,详细阐述了无人机航摄系统的作业流程,以夷陵区17平方公里1:1000地形图测图为例,完成了包括航线设计、影像采集、生成DEM和DOM、制作1:1000数字线划图等工序,得到符合国家标准的测绘成果,对无人机大比例尺测图的作业流程进行总结。选取其中部分影像资料作为研究对象,设计不同的控制点布设方案并进行成果精度对比,包括飞前布设和飞后布设方案的对比,飞后布点不同网形布设方案的对比。得到结论:飞前布点和飞后布点方案对高程精度影响不大,但飞前布点方案能明显提升空中三角测量平面精度;当控制点数量达到一定程度后,再增加控制点对空三精度提升意义不大;验证了无人机航测精度最弱点在四周,得出在保证区域周边一定数量控制点的情况下,可适当减少区域内部控制点数量的结论。通过对同一区域设计多种控制点布设方案,比较其空三成果报告,探究控制点布设对航测精度的规律,寻求在保证精度下的最低成本的控制点布设方案。

关键词： 北斗卫星导航系统   高精度   定位方法   层次分析法  

摘要： 目前,我国北斗卫星导航系统已经进入了加速发展的阶段,凭借其全天时、高动态、高精度、范围广的优势,在航空、电力、消防、海运等行业均展开了广泛的应用,同时人们对于提高其定位精度的研究也从未止步。本文此背景下设计了北斗高精度定位方法并取得实际应用。载波相位静态相对定位方法由于具有较高的定位精度,在测绘等领域广泛应用。该方法通过采集长时间的、大量的卫星观测数据,应用最小二乘平差原理求解基准站和监测站之间的基线矢量,从而得到“毫米级”的定位结果。但在这个时段内卫星空间分布会变化,天气也会变化,因此接收到卫星数据质量是有差异的,基于此,本文提出了优化方法。首先,本文方法将长时间段的卫星观测数据细化成多个子时间段并且逐一计算出各个子时间段的定位结果,根据各子时间段卫星数据质量的差异性分配给各子定位结果不同的权重;其次,引入层次分析法根据影响定位精度的因素计算出各个子时间段的定位可信度。同时,本文通过实验将本文方法与载波相位静态相对定位方法进行了比较,验证了本文方法的有效性。针对上述方法设计了某信息化监测平台,该平台实现了对施工现场传感器数据的实时采集与显示,还同时提供了历时查询与数据报表功能,取得了较好的应用效果。

关键词： 北斗卫星导航系统   多GNSS融合精密定轨   太阳光压模型   姿态偏航模式   BDS模糊度固定   星地联合定轨   鸿雁星座   低轨星座导航增强  

摘要： 北斗卫星导航系统(BDS)正处于全球部署阶段,预计2020年底完成全球系统建设。卫星轨道和钟差的确定以及信息的传播是维系导航系统运行和发展的关键因素。但是我国BDS的建设和运行时间较短,相应的精密定轨理论和方法尚不成熟。为了进一步提升服务性能,必须根据系统自身特点和发展现状对BDS卫星精密定轨的相关模型和算法进行精化。同时,BDS地面运控监测站难以实现全球布网,有限的跟踪弧段制约了卫星的轨道精度和稳定性。尽管我国的星间链路技术已初步实现,但仍存在不确定性,设计相应的备份和增强方案是亟待解决的问题。因此,研究适用于BDS卫星精密定轨的模型、方法及新技术对于提高系统竞争力、促进系统推广应用具有重要的现实意义。本文围绕BDS卫星精密定轨问题开展了深入系统研究,并从探索新技术的角度对低轨增强技术进行了初步探讨,主要的研究内容和成果如下:1)针对BDS与其他GNSS兼容与互操作的发展趋势,开展了多GNSS融合定轨算法研究,给出了精密定轨的数据处理流程、相关处理策略;推导了多GNSS融合定轨的解析影响,并结合实测数据进行了论证。基于上述理论和方法,确定了统一时空框架下的GPS、GLONASS、Galileo以及BDS卫星的精密轨道和钟差,结果表明本文产品与其他同类产品的精度基本相当。2)针对BDS存在不同类型卫星和多种姿态控制模式的现状,对比分析了不同姿态控制模式对IGSO和MEO卫星精密定轨的影响;分别采用添加伪随机脉冲和经验力参数的定轨策略提高了卫星在零偏模式下的定轨精度;同时基于实测数据验证了BDS IGSO-6卫星和BDS-3e卫星在连续动偏模式下,采用常规策略即可提供稳定可靠的精密轨道,为BDS-3组网卫星的姿态模式确定提供了技术支持。3)针对BDS GEO卫星的光压建模问题,采用长期的精密星历数据对ECOM光压模型参数进行了反演,并基于实测数据对不同光压参数选取策略进行了对比分析。结果表明:ECOM模型的D方向周期项参数对GEO卫星精密定轨的影响较为显著,而Y方向周期项参数的影响较小,实测定轨结果与精密星历分析结论较为一致。因此,建议在GEO卫星地影期精密定轨时采用7参数或者9参数ECOM模型。4)基于地面和星载观测数据分析了BDS-2、BDS-3e以及BDS-3卫星的星端伪距偏差效应,推导了顾及此项误差的BDS模糊度固定方法,实验结果表明:1)BDS-2 IGSO和MEO卫星的星端伪距偏差效应对模糊度固定有一定影响,修正此项误差可以提高BDS-2 IGSO和MEO卫星的定轨精度。2)BDS-3e和BDS-3卫星的多路径效应呈白噪声分布,且BDS-3卫星的信号质量优于BDS-3e卫星,两者相比BDS-2卫星已无明显的星端伪距偏差。5)针对BDS区域监测网不能覆盖IGSO和MEO卫星全弧段的紧迫问题,提出布设低轨天基监测站的解决思路。分析了布设天基监测站的必要性及其技术特点,推导了星地监测网联合定轨的函数模型,并设计了相应的数据处理流程。数据试验表明:1)引入2颗GRACE卫星后,GPS卫星在全球网和区域网条件下的三维定轨精度分别平均提高了20.0%和44.3%,区域网6h和24h的轨道预报精度分别优于10cm和13cm,天基监测站可以削弱导航卫星对地面监测站的依赖。2)低轨卫星可以显著改善BDS GEO卫星的观测几何条件,全球网和区域网的三维定轨精度均有m级的提升;但由于BDS星座尚不健全以及星载观测数据不理想等原因,IGSO和MEO卫星的定轨精度改善不明显。6)为进一步提升BDS服务性能,提出了基于低轨星座的系统服务性能增强方案。开展了低轨导航增强系统的初步设计,规划了系统构成和任务分配,并探讨了低轨增强系统与BDS相兼容的工作模式及工作流程。基于自主研制的综合仿真软件探讨了低轨卫星数量对BDS区域网定轨的影响。仿真结果表明:在国内8个监测站的基础上,增加10颗低轨卫星可以有效提高BDS卫星定轨精度,陆续增加更多低轨卫星对定轨结果改善不明显。最后,从覆盖性和PDOP值角度分析了低轨导航星座对于BDS全球化服务的贡献,结果表明低轨导航星座可以提升BDS在南北美洲和高纬度地区的服务性能。