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关键词： 卫星导航   北斗   测向接收机   XC7Z030   软硬件协同设计  

摘要： 北斗卫星导航系统对我国国家安全和经济发展有重大意义,其作为全球性公共资源,已在交通、公安、电力、金融等领域普及并发挥着不可替代的作用。基于北斗卫星导航接收机的测向技术以其独有的全天候、全天时、高精度等优点,从传统众多测向技术中脱颖而出。本课题基于北斗卫星导航接收机对载体的测向技术进行研究。首先,介绍了一种SoC架构的双天线北斗卫星导航测向接收机硬件平台。其次,通过对载体测向技术的研究,选用载波相位双差技术构建基于北斗卫星导航接收机的测向模型。结合加权最小二乘法、LAMBDA算法、去相关算法、序贯条件搜索法等求解卫星的载波相位双差观测方程中的整周模糊度及基线向量,然后利用整周模糊度残余值等方法对得到的整周模糊度进行检验,确认其求解正确。在此过程中需要实时监测有无周跳存在。随后将相对定位结果通过坐标系转换,用反函数法求得姿态角,从而实现对载体的测向功能。编写MATLAB程序实现对测向算法的仿真及验证,通过对仿真结果的分析,验证了算法的可行性。在验证算法可行性后,基于双天线SoC型北斗卫星导航测向接收机硬件平台对XC7Z030芯片的PL端和PS端进行设计。运用Verilog HDL语言对PL端编写FPGA逻辑,实现PS端对PL端的控制及二者间的交互;运用C语言对PS端进行编程,完成控制及导航、姿态信息解算,最终实现载体测向功能。最后,使用SPIRENT卫星模拟器提供的北斗B1信号和实际天线接收到的信号对测向接收机进行测试,并对测试结果进行详细分析,结果表明北斗卫星导航测向接收机稳定工作后,定位误差小于5m,测速误差小于0.5m/s,测向误差小于0.4°。通过模拟信号和实际信号测试,证明可编程SoC架构卫星导航测向接收机能够实现精准定位和测向功能。此外与FPGA+ARM或FPGA+DSP型接收机相比,该架构接收机拥有小巧轻便、功耗较低和处理速度快的优点,缩减接收机面积的同时又提升了性能。

关键词： 北斗卫星导航系统   自主可控   能力评价   模糊层次分析法  

摘要： 作为国防现代化建设的重要空间信息基础设施,卫星导航系统的发展水平能够有力地体现一个国家的经济实力、科技实力及综合国力。新型智慧城市建设中逾80%的信息交互活动,都与时空有着密切的联系,运输调度、水文测报、应急救援、勘察设计、通信电力、生产作业、军工建设等民用、军事领域都离不开卫星导航系统的支持。目前,国内外军民定位导航作业很大比重上使用的都是美国GPS卫星导航系统,在我国民用导航及定位市场上GPS的使用率也高达95%以上。如果美国从技术角度关闭GPS信号,或降低任意区域的导航精度,将会带来众多无法估量的隐患。因此,我国必须提高北斗卫星导航系统的自主可控能力,保障国防安全,提高国家核心竞争力。实现北斗卫星导航系统的自主可控,重点在于装备研制、生产实现自主,关键材料、器件自主供应,能力建设中的核心及重要仪器、设备、软件自主供应。同时,我们有必要对北斗卫星导航系统自主可控能力发展程度进行客观表征,以发现自主可控能力发展过程中存在的不足,提出有针对性的、具体可行的对策建议,促进北斗卫星导航系统向着自主可控方向快速发展。本文在对国内外自主可控相关理论深入理解的基础上,剖析了北斗卫星导航系统自主可控能力的内涵及范围,提出了北斗卫星导航系统相关产业运行全过程指标,在对指标进行筛选、验证指标体系信度及效度的基础上,构建了较为客观、全面的北斗卫星导航系统自主可控能力评价体系。基于北斗卫星导航系统的典型特征,通过对目前能力评价方法的梳理、分析与比较,选择模糊层次分析法对北斗卫星导航系统的自主可控能力进行科学评价及验证,根据计算得到的不同评价指标权重结合实际提出有针对性的、具体可行的对策建议以提高北斗卫星导航系统自主可控能力,推动产业成果落地,促进产业结构优化,提高北斗卫星导航系统的军事、社会价值,支撑国家战略的有效实施。

关键词： 北斗卫星   农用无人机   政策建议  

摘要： 农用无人机作为更具科技含量的农业作业模式,在农业科技化进程中发挥着越来越重要的作用。随着我国北斗卫星导航系统的不断成熟和完善,基于北斗系统的农用无人机导航系统将对我国的农业信息化安全提供必要的技术支持。通过对北斗卫星导航系统与农用无人机的分析,继而论证了北斗系统在农用无人机上的应用前景与政策建议,希望为农用无人机今后发展起到一定的推动作用。

关键词： 全球定位系统   北斗卫星导航系统   用户测距误差   非对称双S函数  

摘要： 近年来,随着卫星定位与导航技术的快速发展,全球导航卫星系统(GNSS)得以更加深入和广泛地被应用到民用航空领域中,特别是随着北斗卫星导航系统在2012年开始提供区域定位导航服务开始,对卫星导航系统的监测与评估和对定位精度的评估方法的研究已成为热点。本文内容围绕卫星导航定位系统性能的关键指标:卫星空间信号用户测距误差(URE)展开,以全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统卫星的卫星空间信号用户测距误差作为研究对象进行特性分析,主要包括以下内容1.数据获取及预处理:获取2017年全年GPS和北斗卫星精密星历以及广播星历,作为卫星空间信号用户测距误差的数据来源并进行预处理,包括精密星历的格式解读,参数提取,滑动拉格朗日插值阶数选择和算法实现;广播星历格的式解读,参数提取,卫星位置计算和卫星钟差计算,天线偏移校正和卫星钟差校正。***计算和统计特性分析:选用合适的空间信号URE公式及系数,结合经过预处理的GPS和北斗系统星历数据,计算了2017年在轨运行的31颗GPS卫星和14颗北斗卫星的空间信号URE;根据GPS和北斗系统卫星的空间信号URE计算结果,探究统计特性的分布规律,实现了使用非对称双S函数对GPS卫星用户测距误差概率密度分布的描述,非对称双S函数和LogNormal函数对北斗卫星用户测距误差概率密度分布的描述,效果均优于传统的正态分布假设。***时域特性分析及定位精度改善:根据GPS和北斗系统卫星的空间信号URE计算结果,分析两个系统URE时域特性,描述了GPS卫星URE的跳变模式,总结出了GPS和北斗系统卫星各自的2017年URE跳变点,为以后更进一步的研究提供了依据。基于URE计算结果和特性分析结果,优化GPS和北斗系统定位权重因子,提高卫星定位精度。

关键词： 北斗导航系统   不动产   测绘   RTK  

摘要： 在当下中国高新技术产业异军突起的过程中,北斗卫星导航系统是最受世界瞩目的科技之一,如其可以在不动产测绘过程中被地理信息相关系统的开发者合理利用,设计出的新的不动产测绘产品必然成为处理不动产地理信息和收集不动产地理信息最实用的工具.

关键词： 北斗卫星导航系统   人工智能   人脸识别   防代签   签到系统  

摘要： 2018年国家教育部发声,要狠抓习近平新时代全国高等学校本科教育工作,并提出要务必落实解决好课堂建设存在的突出问题,而当代大学生上课迟到,旷课,早退以及代课的问题和老师传统的手工签到点名,既浪费了上课时间,准确率也不高的问题一直是老师和学校教务领导所面临的一道难题.因此开发一款面向高校集防代签、分析统计、实时数据的监测功能的签到系统非常必要.

关键词： 最小角定理   平面内   立体几何   直角边   命题者   基向量   空间直角坐标系  

摘要： 2017年全国Ⅲ卷理科填空题以一道立体几何题压轴(第16题),试题以空间中线线的位置关系为载体,创新考查立体几何的动态构造.试题结构简单,融直观想象、数据分析和逻辑推理等数学核心素养于问题之中,但平中出奇考查发现问题、分析问题的能力,难度较大.题目a,b为空间中两条互相垂直的直线,等腰直角三角形ABC的直角边AC所在直线与a,b都垂直,斜边AB以直线AC为旋转轴旋转,有下

关键词： 星间链路   北斗卫星导航系统   设备时延   钟差解算   自主定轨   锚固站   集中式算法   分布式算法  

摘要： 星间链路技术是世界GNSS发展的前沿,很快将成为北斗全球系统运控的重要依托。前人相关研究多基于仿真,而本文采用北斗新一代导航试验卫星提供的星间、星地Ka波段实测数据,对北斗星间链路条件下的钟差解算和自主定轨策略问题进行了系统研究。文章主要工作包括:（1）为满足星间钟差解算和自主定轨的需要,详细推导了北斗星间星地Ka波段的时分体制双向单程观测的数学模型。重点研究了与地面用户算法一致的星间链路设备时延标定方法,并利用星地、星间实测数据进行设备时延标定检验,使Ka波段和L波段的钟差解算系统差缩小到0.35ns以内,解决了设备时延标定与下行导航信号群时延不一致的问题。同时推导了星间、星地可见性判定条件,为判断星间实测数据合理性提供了依据,也使MEO星间链路数据仿真效率提升了30.4%。（2）为检验北斗星间链路工作能力,系统分析了基于星间链路的北斗卫星钟差解算性能,对实测Ka链路钟差拟合结果进行了内、外符合精度分析、钟差预报精度分析和境外卫星间接钟差解算精度分析。实验结果显示:Ka波段7d拟合钟速外符合精度优于10-14（s/s2）,零阶项外符合精度优于0.1ns;1d拟合钟差内符合精度较L波段提高70.3%;1d预报钟差精度较L波段提高28.1%;星间链路间接解算钟差精度优于1ns。以上结果检验了北斗星间观测的可靠性。（3）针对锚固站设置成本和星间观测成本与定轨自主性和精度要求的矛盾等问题,研究了北斗集中式自主定轨策略。推导了星间链路条件下的集中式批处理自主定轨算法,分析表明增加星地观测对升交点赤经可观,可消除自主定轨的法方程矩阵秩亏问题。实测数据3d弧长定轨试验结果表明:无锚固站定轨T、N方向误差超过100m;锚固站参与观测时长缩短到1/3时对定轨精度影响不超过1m;锚固站充分工作时,降低星间观测频度对定轨结果的影响十分微小,星间观测频度低于240分钟每次仍能保证T和N方向定轨精度好于1m。（4）面对星上环境的实际,研究了全星座分布式自主定轨策略。推导了长期预报星历约束下的分布式自主定轨算法,分析了锚固站设置策略与定轨精度的关系。仿真实验结果表明:在长期预报星历约束下,60d轨道平均URE限制在4m以内,但URE仍有积累趋势;3锚固站为数量上的最优方案,可在0.54d内使平均URE迅速收敛到0.5m;在锚固站位置选择上,高纬度锚固站对自主定轨精度提高没有贡献,低纬度单锚固站可将URE控制在1m左右。

关键词： 北斗卫星导航系统   高分一号   森林精细化管护   森林管护成效评价  

摘要： 天然林是陆地生态系统结构最复杂、生物量最大、功能最完善的自然资源,是森林资源的主体,对抵御旱涝灾害、遏制土地沙化、保护物种多样性、维持生态平衡起着决定性作用。我国自1998启动重点国有林区天然林保护工程以来,经过近二十年的努力,工程区天然林资源得到切实保护,森林植被得到有效恢复。但是,当前我国的天然林资源依然遭受到比较严重的自然灾害和人为破坏。森林管护是天然林保护的主要手段,也是天保工程的主要任务。天保工程二期的森林管护面积约为1.13亿ha,人员约为31万人,资金投入每年近60亿,但管护范围、能力和监测评价手段相对有限。森林管护技术手段落后,主要靠人海战术、上山巡护,投入人力物力较大大、效率不高;监督管理手段粗放,工作量大,数据准确性、时效性、一致性较差;监测评价手段传统,主要通过抽取很小比例的面积进行现地检查,尚未建立一套针对县（局）级实施单位有效的森林管护成效评价方法。因此,通过研究应用卫星定位导航、卫星遥感信等技术手段,实现森林精细化管护,建立一套针对天保工程县（局）级实施单位的森林管护成效评价方法,提高森林管护水平、有效地监管森林管护工作、全面监测评价森林管护的实绩和成效,具有重要的意义。本研究开展的主要工作如下:（1）森林精细化管护技术研究以目前的森林管护模式、管护流程、管护手段、管护考核为研究对象,分析现有模式下管护流程、管护手段、管护考核中存在的问题,利用北斗卫星导航系统和高分一号的特点,将卫星导航定位、遥感等技术深入应用到管护业务中,优化再造管护流程,强化管护手段,细化管护考核,从而提高森林管护工作质量。基于高分一号数据,提取乌奴耳林业局的森林道路信息并构建林区路网模型,结合关键点、责任区区划实现管护线路规划;基于建立好的路网模型,采用最短路径Dijkstra算法,实现森林管护导航;基于北斗卫星导航系统的定位和短报文功能,实现管护人员和问题区域的精确定位和准确测量,实现管护人员与管理人员之间实时信息交互,实现责任区内乱砍滥伐、盗伐等问题的及时上报。（2）森林管护成效评价方法研究根据天保工程“加强对林地和森林变化的监测评价”的要求,以乌奴耳林业局地表覆盖类型、植被覆盖度、森林地上生物量为研究对象,建立森林管护成效评价方法。天保工程二期阶段利用高分一号数据,天保工程一期阶段利用TM数据作为补充,提取两期乌奴耳林业局地表覆盖类型、植被覆盖度、森林地上生物量等信息,同时结合工程作业设计情况,通过分析这些信息的两期变化以及变化驱动因素,评价乌奴耳林业局森林管护成效。针对研究区采用分类后比较法能够监测地表覆盖类型变化,经验证检测精度能够达到80%以上。针对研究区采用NDVI结合像元二分模型监测植被覆盖度变化,经野外实测数据验证精度可达到83%。针对研究区采用KNN-FIFS方法监测森林地上生物量变化,能进行像元级、林分、小班的森林参数估测,为区域森林参数估测提供了一种有效的业务化方法。（3）森林管护系统的设计与实现研究基于森林精细化管护和森林管护成效评价方法的研究对象和结果,设计实现森林管护系统。森林管护系统分为森林管护桌面系统、森林巡护App和森林管护平台三部分。森林管护桌面系统主要实现管护责任区区划和管护路线规划;森林管护App实现巡护导航定位,并将位置数据和管护事件数据实时上报;森林管护平台对各类数据进行汇总、统计分析和地图展示。本研究利用北斗卫星导航系统和高分一号,基于林区道路网络模型、管护路线规划、管护导航等研究,实现森林精细化管护,基于地表覆盖类型、植被覆盖度、森林地上生物量等指标的变化研究,建立一套有效的森林管护评价方法,为天然林保护工程的实施提供决策依据和参考。

关键词： 北斗卫星导航系统   复杂环境   矢量跟踪环路   稳健估计   卡尔曼滤波器   开环估计  

摘要： 随着全球导航卫星系统(GNSS:Global Navigation Satellite System)的建设与发展,导航接收机的应用领域在不断扩大,用户对卫星导航定位产品的可用性要求越来越高。提高导航接收机在复杂应用环境下的稳健性,已经成为研究的热点。导航信号的跟踪处理技术作为导航接收机中的关键技术之一,对接收机的性能起着重要作用。论文以卫星导航接收机矢量跟踪技术为研究内容,以提升复杂环境下导航信号的跟踪性能为目标展开研究。论文首先对矢量跟踪模型存在跟踪偏差和计算负荷大的问题进行了完善和优化,然后针对含导频分量的现代化导航信号和间歇性导航信号的各自特点,对矢量跟踪技术的具体应用进行了深入研究。论文在矢量跟踪技术的模型完善与优化方面,取得了以下创新性成果:(1)矢量跟踪环路能够将接收机的位置、速度、时间(PVT:Position Velocity Time)信息反馈到接收机对各颗卫星信号的跟踪环节,提升信号的跟踪性能,但该过程是一个秩亏过程,导致矢量跟踪环路存在不唯一的收敛点,从而引起卫星信号的跟踪偏差。本文提出了一种基于对角加权矩阵的稳健无偏矢量跟踪环路,利用满秩的对角矩阵消除PVT信息反馈至各颗卫星信号跟踪环节出现的秩亏现象,保证矢量跟踪环路存在唯一的收敛点。(2)矢量跟踪环路的计算负荷主要由两方面的因素决定,一是环路单次更新的计算负荷,二是环路的更新间隔。在不改变单次环路更新的计算负荷时,延长环路的更新间隔,可以降低单位时间内算法所需的计算负荷,但也会降低环路的动态性能,增大跟踪误差,因此需要对环路的更新间隔进行优化设计。本文提出了一种在给定信号动态条件下,以跟踪门限最低为优化目标的矢量跟踪环路更新间隔优化模型。以北斗系统B1I信号为算例,分析和计算结果表明,当接收机的最大动态不超过0.1g时,优化后的更新间隔可降低至0.3s,此时跟踪门限为20dB-Hz。相比传统更新间隔为20ms的矢量跟踪环路,优化后的算法在单位时间内的计算负荷降低至原来的1/15。论文针对现代化导航信号和间歇性导航信号的特点,在矢量跟踪技术的具体应用方面,取得了以下创新性成果:(3)现代化导航信号普遍包含了有电文符号调制的数据分量和无电文符号调制的导频分量,以提升复杂环境下对导航信号的跟踪能力。矢量跟踪环路可以实现对信号载波频率和伪码相位的跟踪,但对载波相位的跟踪,需要标量载波跟踪环路的辅助。结合现代化导航信号的特点,首先提出了一种稳健的多速率卡尔曼滤波器(RMUKF:Robust Multiple Update-rate Kalman Filter),用于对环路中多个不同速率的鉴别器结果进行滤波处理,通过引入三段式的抗差因子,RMUKF可以自适应的调整不同鉴别器结果对跟踪结果的贡献,提升信号跟踪的稳健性。实采数据处理结果表明,基于RMUKF的标量跟踪环路可以实现对室内低至13dB-Hz信号的稳定跟踪。进一步,基于RMUKF,提出了一种矢量和标量的载波混合跟踪环路(HTL:Hybrid Tracking Loop),HTL将矢量跟踪环路输出的各卫星信号的误差估计结果和其他鉴别器结果以不同的速率输入到一个RMUKF中,利用RMUKF自适应地调整矢量跟踪环路结果和鉴别器结果对信号跟踪结果的贡献。当信号强度较低时,HTL输出的结果将以矢量跟踪环路的结果为主,从而具有跟踪门限低和信号重捕获性能好的优点,当信号强度较高时,HTL输出的结果将以标量跟踪环路的结果为主,从而实现对信号载波相位的稳定跟踪。(4)间歇性导航信号广泛存在于采用静态功耗控制技术的导航基带芯片中,用于降低芯片的功耗。对于间歇性导航信号的处理,传统标量跟踪环路需要较长的收敛时间,且对环路初始误差敏感,而开环估计的方法存在估计精度不高的问题。本文提出了一种基于开环结构的间歇性卡尔曼滤波算法,用于跟踪间歇性导航信号,该算法首先采用对跟踪初值不敏感的开环估计器,获得信号的载波相位、频率以及伪码相位的粗估计结果,然后利用卡尔曼滤波器在相邻的间歇性导航信号的粗估计结果之间进行滤波处理,提高了信号的跟踪精度。进一步,将开环间歇性卡尔曼滤波算法扩展至矢量跟踪环路中,提出了一种用于间歇性导航信号的开环矢量跟踪与定位算法,该算法将各颗卫星信号的开环估计结果作为观测量,输入至矢量形式的间歇性卡尔曼滤波器中,可以获得导航接收机的PVT结果。该算法简化了接收机对间歇性导航信号的处理过程。实际采集数据的处理结果表明,开环矢量跟踪与定位算法在信号占空比低至2%时,其95%的三维定位误差仅增大到11.4m左右。最后,对论文的研究成果进行了总结,介绍了研究成果的工程应用情况,并对下一步将要开展的工作进行了展望。