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关键词： 北斗卫星导航系统   精密单点定位   PPP-B2b   精密轨道   时间传递  

摘要： 北斗卫星导航系统(Bei Dou global navigation satellite system,BDS)通过地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星为中国及其周边地区用户提供精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)服务。2020年8月,PPP-B2b信号接口控制文件正式公布。相较于通过网络提供精密卫星产品,利用GEO卫星播发精密产品为解决网络中断造成的PPP重新收敛问题提供了可能。为了促进PPP-B2b信号在定位和时间传递的研究和应用,本文就PPP-B2b中频信号处理、稳定PPP-B2b产品匹配策略、PPP-B2b产品精度、PPP-B2b定位和时间传递展开研究,主要内容如下: (1)针对PPP-B2b中频信号特点及PPP-B2b中频信号处理中环路参数设计复杂的问题,从三阶锁相环传递函数出发,具体极点形式,在待估参数间建立联系,将复杂的参数设计转化为环路噪声带宽设置,简化参数设计。实时采集PPP-B2b中频信号验证了其正确性和可行性。考虑到PPP-B2b产品通过不同信息类型提供轨道和钟差产品,针对其特点确定了一套稳定的PPP-B2b信息匹配策略,这有效规避了轨道和钟差产品短暂失配现象。 (2)研究PPP-B2b产品评价的方法,利用星间差分消除不同产品钟差基准。将德国地学研究中心(Geo Forschung Zentrum,GFZ)的精密卫星产品GBM作为参考,分析PPP-B2b产品精度及修正后广播星历的卫星轨道和卫星钟差的提升。PPP-B2b产品修正了广播星历的轨道和钟差的不连续性,BDS广播星历中卫星钟差提升尤其明显。修正后的卫星轨道径向精度在10 cm内,卫星钟差标准差(Standard Deviation,STD)达到0.15 ns。 (3)研究PPP-B2b定位模型及误差处理理论,综合分析PPP-B2b定位的精度和收敛时间。结合BDS新增B1C和B2a信号,形成BDS B1C/B2a、BDS B1I/B3I、BDS B1C/B2a+GPS、BDS B1I/B3I+GPS四种PPP-B2b无电离层定位组合。以天为弧段,分析在中国及其周边地区的PPP-B2b静态和仿动态定位精度。在亚太地区静态和动态的PPP-B2b定位精度分别可以达到厘米级和分米级。以PPP服务标准作为收敛条件,BDS B1I/B3I+GPS,BDS B1C/B2a+GPS,BDS B1I/B3I,BDS B1C/B2a四种组合的平均收敛时间为15.1/17.8/17.3/20.5分钟,满足PPP定位服务收敛时间标准。将树莓派作为解算平台搭建PPP-B2b实时定位终端,N方向实时PPP-B2b定位结果十分钟内收敛到0.2 m,收敛后N和E方向误差在±0.05 m内波动。 (4)研究PPP-B2b时间传递模型及误差处理理论,从零基线共钟差分(Common Clock Difference,CCD)和长基线时间传递分析PPP-B2b时间传递的精度。结果表明,无论GBM产品还是PPP-B2b产品CCD时间比对结果在0.1 ns内波动,STD值也均达到0.02 ns。长基线时间比对收敛后两产品时间比对结果差分在1 ns区间内波动,单BDS时间比对的误差的STD值为0.25 ns,双系统PPP-B2b时间比对和单系统GBM时间比对反应在频率稳定度相似。PPP-B2b时间比对的精度可以达到亚纳秒。

关键词： 北斗卫星导航系统   隐蔽工程   位移监测   坐标传递   降噪分析  

摘要： 位移监测是工程结构健康监测的重要组成部分,而隐蔽工程的位移往往因其无法直接接触和观测而难以监测。为了避免隐蔽工程发生位移而引发灾害对人民生命财产造成威胁,隐蔽工程需要一种全方位、全天化、自动化、实时化的位移监测系统。为了满足隐蔽工程位移监测需求和解决隐蔽工程位移无法直接接触观测的问题,本文提出一种基于北斗系统的隐蔽工程位移监测方法。该监测系统主要由北斗系统接收设备和姿态传感器组成,采用北斗系统监测数据对隐蔽工程测点提供起算坐标,使用姿态角进行坐标传递,并建立北斗系统隐蔽工程位移计算模型。具体工作内容如下:(1)针对隐蔽工程位移监测的需求以及卫星信号遇到障碍物会衰减的问题,设计了结合北斗系统接收设备和姿态传感器的隐蔽工程位移监测系统。北斗接收设备作为表面接收设备,完成表面位置监测,并为隐蔽工程测点提供解算起点。使用安装了姿态传感器的连接杆连接北斗接收系统和隐蔽工程测点,利用姿态角与连接杆长度进行坐标传递,最后计算隐蔽测点位移量。(2)针对北斗接收设备与姿态传感器采样频率不一致的问题,在数据采集时间一致情况下进行数据对应方法研究,通过数据对应保证两种传感器的数据量相同,避免在计算位移量时产生错误。(3)针对北斗系统监测数据会受到多径效应以及随机噪声影响的问题,提出自适应噪声完备集合经验模态分解联合自适应阈值小波降噪方法。首先对北斗监测系统采集到的位移数据进行自适应噪声完备集合经验模态分解,然后正确识别含噪声分量和有效分量,最后对含噪声分量进行自适应阈值小波降噪。模拟实验结果和工程实测数据验证均表明,本文提出的降噪方法能提高监测数据的精度和保留更多的位移细节信息。(4)搭建基于北斗系统的隐蔽工程位移监测系统并进行测试,分别对系统进行小位移(<10 cm)和大位移(>10 cm)测试。通过数据采集处理以及实验结果分析,验证了系统的可行性。

关键词： 北斗卫星导航系统   惯性导航系统   组合导航   无迹卡尔曼滤波  

摘要： 现阶段导航技术已全面服务于各行各业之中,各领域导航应用不断发展,对导航系统也不断提出更高的要求。卫星导航系统具有全球性、全天候、高精度、实时性等优点,但其存在易受干扰、动态环境中可靠性差等不足之处;惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)具有自主性强、隐蔽性好、抗干扰能力强、短时精度高等优点,能够独立提供载体所需的导航参数,但其存在导航误差随时间累积的缺点。所以两个系统具有很强的互补性,是极为理想的组合方式。2020年6月,我国北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)完成全球组网,北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)现已广泛渗透到关系社会进步和大众生活的相关行业,研究开发BDS/INS组合导航系统势在必行。论文主要工作及创新点总结如下:(1)针对BDS/INS传统组合导航算法在实现定位时存在杆臂误差和时间不同步误差难以精确测量的问题,通过将杆臂误差和时间不同步误差增加到传统15维组合状态向量中,改进了BDS/INS组合导航模型。(2)为了验证改进的BDS/INS组合导航模型能够提高定位精度,设计了BDS和INS计算机仿真实验,通过模拟飞行载体的飞行轨迹与动态数据作为仿真实验中各定位算法的对比基准值,利用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering,UKF)对改进的BDS/INS组合导航模型进行仿真实验。实验结果证明了改进的BDS/INS组合定位算法的有效性,UKF算法在BDS/INS组合定位系统中滤波性能更好。(3)针对UKF的计算量随着维数的扩大而显著增加的问题,提出了比例超球面单形采样无迹卡尔曼滤波(Spherical Simplex Unscented Kalman Filtering,SSUKF)算法。仿真实验结果表明,改进的算法通过改变sigma点采样策略从而提高了滤波精度,同时具有计算量小的特点。(4)为对文中研究的算法进行实际验证,搭建了小车实验平台。在仿真验证了算法的可行性后,利用实验平台采集的实测数据对不同滤波算法进行了对比实验,实验结果表明,基于比例SSUKF算法的组合导航系统相比UKF算法纬度和经度的误差均值分别减小26.5%和30.5%,均方根误差分别减小20.3%和23.2%,且计算用时也大幅度减少,实验结果验证了文中研究的BDS/INS组合导航定位算法的有效性和实用性。

关键词： 北斗卫星导航系统   基带信号处理   完好性监测   FPGA  

摘要： 随着社会各领域对卫星导航系统的依赖性不断提升,用户对接收机服务性能的要求也越来越高。因此,为了提高北斗接收机的服务性能,对北斗接收机基带域信号处理技术开展深入研究。其中,重点研究基带域信号捕获技术与信号质量完好性监测技术,保证整个基带域信号在开始处理阶段和最后输出阶段的可靠性,以避免基带域信号对接收机定位性能的影响,从而达到提高北斗接收机服务性能的目的。具体研究内容为:(1)对北斗B1I和B1C信号的生成原理、相关特性以及功率谱密度开展研究与分析,为后续基带域信号处理提供理论基础。并对卫星异常信号的产生方式和信号模型进行梳理,通过结合伪距偏差原理对卫星异常信号相关函数波形进行分析,确定了本文基带域完好性监测对象为基带域相关函数波形。(2)针对B1C自相关函数的多峰特性,提出了一种北斗B1C信号“双路”联合捕获算法。通过对B1C信号单路捕获和双路捕获的优劣进行验证,确定双路捕获算法的优势,再使用伪相关函数对算法进行改进。仿真实验证明,该方法捕获到的北斗B1C信号相关函数主峰特征明显,完全消除旁峰的影响,且在检测概率P=90%时,该算法优于ASPe CT算法约1d B,优于Filtered相关算法约2.5d B。(3)针对基带域异常信号造成的伪距偏差问题,提出了一种基于多路相关器改进的基带域监测方法,该算法主要是对基带域相关函数波形进行监测。本文将基带域监测的载噪比、相关时间以及伪距误差等主要参数考虑到监测结果的决策度量中,以确保监测的准确性。仿真结果表明,该算法能够实时检测出异常信号出现时刻和持续时间,有较高的可靠性。若是可见卫星数足够多,可直接将出现异常信号的卫星排除。(4)在(3)的基础上,本文提出一种基带域监测辅助接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring,RAIM)算法。该算法利用基带域监测结果对加权因子进行设计,以达到基带域监测辅助RAIM算法的效果。通过仿真实验分析可知,该方法能够使用基带域监测结果协助RAIM进行完好性监测。(5)将B1I基带信号处理算法在FPGA上进行了设计与仿真。结果表明,设计的各个模块功能正常,能够成功捕获卫星信号并实时给出跟踪信号的质量监测结果,证明了算法的可行性和正确性。

关键词： 北斗卫星导航系统   伪距测量定位   误差修正   定位估算  

摘要： 随着北斗三号全球卫星导航系统的全面建成,中国北斗导航系统正式拥有全天时、全天候、全球覆盖的服务能力,能够为全球用户提供实时高精度的导航定位授时服务。北斗导航系统最基本的功能之一就是为用户提供定位服务,即确定用户所在的位置。目前,北斗导航定位技术主要包括伪距测量定位技术和载波相位定位技术两大类。其中,伪距测量定位技术由于自身技术实现简单、定位速度快、不存在整模糊度的问题,从而得到了广泛的研究与应用。然而,伪距测量定位在定位过程中极易受到来自卫星、环境以及接收机自身的各种误差影响,导致定位精度无法达到需求。因此,消除误差影响提升定位精准度,是北斗导航伪距测量定位技术要解决的重要课题。本文在研究了国内外伪距测量定位技术的现状与北斗导航系统的机理的基础上,详细研究了北斗伪距测量定位中伪距单点定位与伪距差分定位的定位原理以及误差因素,进而提出了一种高精度伪距测量定位方法。该方法中,采用伪距测量差分定位消除了卫星钟差、电离层延迟误差与对流层延迟误差,同时,为解决随机误差引入的不确定性问题,建立了一种随机误差修正模型,修正无法用数学模型彻底修正的偶然出现的脉冲性干扰与其他周期性干扰,滤除了观测噪声中的高频热噪声,消除了接收机钟差的同时抑制了观测噪声的扩大。此外,针对传统定位估算模型没有考虑到实际情况中观测卫星之间的伪距观测值互不相关,不同分布的问题,提出了一种自适应加权估算模型,降低了由于定位估算模型不准确产生的定位误差。最后,通过仿真性能分析,验证了高精度伪距测量定位方法的定位误差符合北斗导航高精度伪距测量定位的要求,具有有效性。同时将高精度伪距测量定位误差与伪距测量双差分LS定位、伪距测量双差分LS-KF定位以及伪距双差分WLS-KF定位的误差进行比较,进一步验证了高精度伪距测量定位方法具有一定的优越性。

关键词： 空间直角坐标系   空间坐标系   立体几何   求解空间   数量积   向量法   直线与平面   外接球  

摘要： 我们知道,建立空间直角坐标系,利用向量法可以判断与证明空间中点、线、面之间的位置关系,求解空间角(包括异面直线所成的角、直线与平面所成的角以及二面角的平面角等)问题.此外,还可以用它巧妙解决立体几何中的数量积问题、距离问题、外接球问题以及轨迹问题等.

关键词： 北斗卫星导航系统   发展历程   自然资源勘测   北斗产业  

摘要： 北斗卫星导航系统是我国自行研制、独立拥有的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候,全天时,高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。首先简要介绍北斗系统的概况、发展历程和优势特点,重点总结梳理北斗系统在资源调查、地质灾害监测、生态环境、水文监测、建筑安全、文物古迹、城市管理、地理信息测绘和勘测施工等专业领域的技术应用,最后,介绍北斗产业的市场状况及发展前景,为更好地推进北斗系统的广泛应用提供参考。

关键词： 倾斜摄影   LiDAR   精度   地形图   应用  

摘要： 地形图作为一种基础资料,其应用领域广泛,利用无人机倾斜摄影技术融合LiDAR点云测制大比例尺地形图,比传统测量手段更具优势。本文以丘陵地区工程项目为实践应用,探索其作业流程、关键技术和精度分析,对后续生产应用提供参考。

关键词： 北斗卫星   导航系统   应用研究  

摘要： 通过介绍北斗导航系统的运行原理及优点,笔者对北斗卫星导航系统在工程测绘、农业、减灾救灾、交通及电力等领域的应用进行了研究。