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关键词： 电子海图   北斗卫星导航系统   态势感知   KD-tree  

摘要： 近年来,世界各国的战略发展方向逐渐在海洋上铺展开来,全球航运规模持续扩大,其安全性问题尤为重要。依托船舶导航系统将船舶态势数据实时显示于电子海图界面,可有效提高导航信息的可靠性和实时性,减少船舶航行安全事故的发生。本文依托于实际应用项目,针对船舶导航专业助航设备电子海图显示信息系统与北斗实时远程大规模船舶航行态势数据融合显示过程中存在的一系列问题进行了以下研究: 首先,设计了北斗远程实时态势感知电子海图系统整体架构。针对电子海图显示与信息系统涉及到的各项国际标准进行分析,并结合实际需求及现存问题设计整体系统架构,确定开发环境及开发工具,解决大规模船舶航行态势数据及电子海图数据实时解析显示问题。 其次,设计并实现了标准电子海图数据光栅化算法。通过OGR库对原始数据进行解析并设计数据存储结构,按S-52国际标准对电子海图进行符号化指令匹配,通过墨卡托投影变换进行坐标转换及归一化并进行海图渲染。解决S-57标准电子海图数据解析及渲染困难的问题。 再次,设计并实现了人机交互界面及实时船舶态势信息显示算法。通过Win Forms平台设置电子海图显示控件及其他用于实现人机交互功能的控件,对航行态势数据进行分析并根据其建立数据库,并为大规模的模拟北斗航行态势数据设计基于KD-tree的缓存结构和基于Range-KNN的数据检索算法。为保证数据显示实时性与准确性,设计新增删除机制,并基于平衡树思想对缓存结构进行改进,提高了数据检索准确性及实时性。 最后,对系统进行整体测试。对电子海图各项人机交互功能进行测试,并以系统对于数据库中航行态势信息的解析显示速度为指标测试系统,分析平衡树思想引入的必要性。经整体测试验证,本文设计的系统可以准确将电子海图矢量数据光栅化,并基于光栅电子海图实现各项人机交互功能,以较短的响应时间实时显示大规模北斗船舶航行态势数据。系统可应用于大规模船舶态势数据与电子海图融合显示,提高用户态势感知能力。

关键词： 北斗卫星导航系统   导航接收机   BDS模式   GPS模式   数据质量   对比分析  

摘要： 高分多模卫星已在轨稳定运行，并使用星载BDS/GPS双频双模导航接收机实现了自主定轨功能。根据导航接收机在轨实测数据，开展了BDS模式和GPS模式下的载噪比、收星数等观测数据质量的对比分析，基于下传的原始观测数据完成了精密定轨解算，并采用内符合评估方法完成了实时定轨精度分析。经分析研究，导航接收机最高载噪比BDS模式较GPS模式高1 dB·Hz,平均可用星数BDS模式较GPS模式多0.6颗，精密定轨位置精度和速度精度BDS模式和GPS模式均在1.63～5.34 cm、0.001 7～0.004 6 cm/s之间，实时定轨位置精度和速度精度BDS模式和GPS模式均在3.10～4.23 m、0.002 91～0.003 94 m/s之间。结果表明，BDS信号与GPS信号的载噪比、可用星数和定轨精度均基本相当，表明BDS已具备为航天器用户独立提供时间、位置及速度等信息服务的能力。

摘要： 据北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）官网报道，2023年12月26日11时26分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第57颗、58颗北斗导航卫星。事实上，我国的北斗卫星导航系统已于2020年7月全面建成。不久前发射的这组卫星属中圆地球轨道卫星，

摘要： 生活中我们经常利用百度地图、高德地图来为我们导航，会听到这样的语音提示：“北斗系统为您导航！”那么什么是北斗系统，它在导航定位过程中体现了哪些数学原理呢？不妨走进下文一起看个究竟！

关键词： 北斗卫星导航系统   恒温晶体振荡器   驯服与守时   秒脉冲  

摘要： 随着近些年科技的快速发展,通信、航天和电子等领域对基准时钟源的稳定性和准确性提出了越来越高的要求。传统的高精度原子钟价格昂贵,且体积大不易运输,相比之下,石英晶体振荡器的成本较低,但是达不到原子钟的性能指标。如果用高精度原子钟作为参考源对石英晶体振荡器进行驯服,则又会受到场景和成本的限制。随着卫星导航系统的完善,卫星搭载的原子钟可以发射高精度和高稳定度的秒脉冲(1 Pulse Per Second,1PPS)信号作为参考源来实现远程授时。本文的主要研究目的是采用北斗卫星导航系统发射的1PPS信号作为参考源,对恒温晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)进行驯服,从而设计出能够有效追踪和锁定卫星信号的基准时钟源,本文研究的主要内容如下: (1)分析卫星授时系统和晶体振荡器的工作原理,建立晶振的数学模型,结合锁相环分析本研究所需的模块功能,设计出系统的总体实现方案,包括STM32、FPGA、恒温晶振、北斗接收机、相位差检测和数模转换六大模块,通过硬件电路设计完成各模块的协同,实现了系统级板卡。 (2)设计对恒温晶振的分频算法,利用北斗卫星信号分频出本地1Hz信号,同时通过序列检测对接收机信号是否有效进行判断,当丢失参考源后定时生成补偿脉冲。分析了系统噪声的主要来源是1PPS信号的相位抖动和测量过程中的误差,设计Kalman滤波算法对相位差数据进行处理,有效提高了系统的精度。在对恒温晶振进行压控调节时,为了保证晶振输出信号的稳定,在数模转换前对压控电压进行PID控制,延长一次调节的时间,使得恒温晶振控制电压的变化更加平滑。 (3)卫星参考信号由于天气等原因导致失效的时候,研究设计了一种恒温晶振的守时模式算法。通过前期对恒温晶振老化数据的处理和存储,用最小二乘法拟合计算出晶振的老化率,对其进行老化补偿,提高了基准时钟源系统的自保持能力。 (4)搭建测试平台对基准时钟源驯服系统进行实验验证,结果表明基准源系统能够在北斗信号有效时对其进行追踪锁定,锁定时基准源授时精度能够达到30ns以内。设计的守时模式在系统丢失卫星参考源信号12小时后,能够使精度控制在50us以内,相比自由运行提升约一个量级,晶振的老化得到有效控制。

关键词： 倾斜摄影测量   地形图质检   数学精度  

摘要： 针对传统方法使用全站仪和RTK检测地形图数学精度效率低的问题，提出利用倾斜摄影构建三维模型对大比例尺地形图数学精度进行检测，并根据地形图质检的特点，设计了飞行航线和像控点布设方案。通过与传统全站仪和RTK作业方法进行比较，分析两种检测方法的外业采样效率以及检验结果的一致性。同时比较两种倾斜摄影相机在获取1.5 cm分辨率的影像时外业作业效率、内业建模耗时和照片数量，分析其各自优劣，为大范围开展地形图数学精度检测提供一种新方案。

关键词： 北斗卫星导航系统   载波相位   周跳探测与修复   小波变换  

摘要： 北斗导航定位过程中，传统的周跳探测与修复方法缺乏检验环节，无法保证修复结果的可靠性。为此，提出了一种级联式小波变换结合NARX神经网络多步循环预测修复的方法处理周跳问题。该方法通过构造载波相位双差模型检验量，探测周跳发生历元，采用NARX神经网络预测方法修复周跳，利用优选小波基函数进行周跳修复效果检验。实验证明，相较于经验模态分解和变分模态分解等模态分解法，优选小波神经网络周跳探测与修复方法可用于小周跳探测并判断出周跳正负性；构造的NARX神经网络周跳修复模型，解决了普通神经网络模型和传统多项式拟合法容易造成的二次奇异值问题。相较于长短期记忆(LSTM)和门控循环单元(GRU)深度学习神经网络模型，周跳预测精度分别提高了45.2%和55.9%。

关键词： 北斗卫星导航系统   单历元整周模糊度解算   单历元RTK快速定位   MAXCOM算法   DC算法  

摘要： 随着北斗系统（BDS）不断进步和普及,对于精密定位的需求显著增长,突显了载波相位观测值在提高定位精度中的重要性。整周模糊度的准确解算对实现这一目标至关重要。然而,观测环境的不确定性导致的卫星失锁产生的周跳问题限制了定位的连续性与实时性。为应对此挑战,BDS单历元算法的研究和应用变得至关重要。这项技术不仅解决了整周模糊度的准确解算,而且还促进了BDS精密定位技术的实时性和连续性发展,丰富了PNT理论与方法体系。本论文聚焦BDS单历元模糊度固定的解算效率与成功率,借鉴GPS在单历元定位方面的算法、模型,进而提出了一种适合于BDS单历元动态定位的新算法。 本论文主要研究内容如下: （1）根据传统的双频相关法基本思想,提出了一种新的主辅频相关算法（MAXCOM）。以GPS系统为例,选取L1频率作为主频,L2或L5作为辅频,实现了在单历元下的高效模糊度确定。实验结果显示,相比L2频率,选用L5频率作为辅频能够在解算效率和成功率上取得更好的性能,验证了主辅频相关算法的正确性和可行性。 （2）针对BDS-3系统的新信号B1C和B2a,设计了一种适用于的BDS单历元整周模糊度的主辅频相关算法（BDS＿MAXCOM）,分析了BDS-3新信号B1C+B2a组合与B1I+B3I组合在静态和动态模式下的单历元定位性能,试验结果表明B1C+B2a组合在模糊度固定成功率上略优,而B1I+B3I组合在定位解算效率上表现更佳。 （3）针对MAXCOM算法存在因单历元观测卫星数多而导致解算效率低的问题,设计一种BDS单历元卫星分类筛选处理策略,提出BDS单历元双差整周模糊度固定MAXCOM-DC组合算法。试验结果表明,该算法可避免在应用MAXCOM算法中辅星对主星双差整周模糊度搜索效率的影响,使得BDS数据单历元固定整周模糊度解算效率显著提高,从而达到BDS高采样数据单历元RTK快速定位的目的。 （4）基于BDS载波相位单历元动态定位数学模型,在Visual Studio 2022平台上,利用C++编程语言,设计开发了一款基于BDS单历元定位整周模糊度快速确定分析软件,对BDS主辅频相关算法（MAXCOM）程序模块以及BDS单历元定位整周模糊度快速固定算法（MAXCOM-DC）程序模块进行了一体化软件的实现,构建了可视化、易操作的BDS单历元双差整周模糊度快速确定分析平台,实现了北斗卫星分类筛选处理、数据解算及点位精度指标的可视化的功能,并通过实验验证了该平台的可行性。 本论文将所提出的将北斗单历元定位整周模糊度快速确定算法进行了程序实现,并通过实验验证了程序的可行性,为后续研究北斗单历元定位算法提供了基础。

关键词： 符号级欺骗   导航电文认证   北斗卫星导航系统   最大后验概率估计  

摘要： 导航电文认证(NMA)技术已成为抵御生成式欺骗、保护全球卫星导航系统(GNSS)民用信号的重要发展方向之一。针对NMA在不改变导航电文的情况下难以抵御欺骗的漏洞，提出了面向北斗NMA的符号级欺骗(SLA)方法，并设计了最大后验概率(MAP)符号估计改进算法，以历次MAP估计值的众数作为新估计量，实现导航电文的快速恢复。基于北斗B1C信号NMA方案开展了欺骗效果评估试验。结果表明，在载噪比大于45 dB·Hz和短估计时延(小于30μs)条件下，SLA针对北斗B1C认证电文能够达到90%的序列欺骗成功率，与安全码估计-重放(SCER)相比，该方法能够显著降低符号误码率，缩短估计时延，具有更好的欺骗效果，也将为北斗NMA设计优化提供技术支撑。