北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标，评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%；卫星钟差均方根降低了24.31%，卫星钟差标准差降低了16.8%；空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上，可信度均达到99.9%，在5°-55°N范围内误差小于0.4 m，可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%，垂直定位误差提升超过50%，完好性均在99.9%以上。     

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差（URE）与用户设备误差（UEE）是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求; 95%置信度下,电离层延迟优于7.50m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆轨道卫星（MEO）卫星的URE值分别优于2.36m,1.72m,2.59m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63m,垂直方向优于6.98m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.      

基于多约束因子图优化的无人车定位与建图方法

针对目前在特定场景下应用的低速无人车定位系统极度依赖全球导航卫星系统（GNSS）,存在定位精度不高、漂移误差大、受环境影响严重等问题,提出一种低成本、高精度的无人车定位与建图方法。该方法基于三维激光定位与建图（SLAM）技术。首先,使用点云主成分分析（PCA）实现基于特征匹配的激光里程计;其次,将GNSS位置信息、点云分割聚类得到的地平面和点云聚类特征作为位姿约束分别加入图优化框架,消除激光里程计的累积误差;最后,得到最优位姿和大规模场景的点云地图,以实现无人车的自主定位导航。利用包含大型户外城市街道环境的KITTI数据集对所提出的SLAM算法进行了评估,结果表明:系统在3km运动距离情况下定位偏差可控制在1.5 m以下,在局部精度和全局一致性方面均优于其他里程计系统,为无人车的定位提供了新思路。      

基于方位多假设的单基线干涉仪定位方法

为了解决机载单站无源定位系统中一维单基线干涉仪测量相位差信息的模糊问题,改进仅利用相位差变化率定位方法,将模糊相位差作为有效的定位参数,提出一种基于方位多假设的单基线干涉仪定位方法。利用模糊相位差和相位差变化率初始化辐射源目标的可能距离方位信息,并通过高斯-扩展卡尔曼滤波（GS-EKF）算法解算辐射源目标位置。所提方法克服了仅利用相位差变化率定位受观测平台机动影响的缺陷,有效缩短了定位时间,同时不必考虑解相位模糊,定位性能均优于仅利用相位差或相位差变化率的定位方法,在实际工程运用中可以降低设备复杂度和成本。      

一阶扩展差分方法在测站GPS时间误差修正中的应用

分析了全球定位系统（简称GPS）时间测量原理、时间测定误差和差分误差消除模型,给出了在航天测控站两套GPS授时系统应用一阶差分方法,即站间单差定位方法,减小误差,提高时间准确度的思路方法,并提出了多站站间单差定位的一阶扩展差分模型。该模型可以用来获取测站多套GPS授时系统的精确时间和任意2个系统时钟同步误差比对。     

基于BDS/GPS的KBLMS信道补偿多径缓减算法

在全球卫星导航系统（GNSS）中，针对城市峡谷单系统无法定位及信号失锁后重新捕获及跟踪性能表现不佳的问题，提出了一种基于BDS/GPS的卡尔曼最小均方估计（KBLMS）的信道补偿技术。首先，建立双系统模型。其次，设计基于卡尔曼估计的最小均方误差的延迟估计模块，补偿接收信号上的多径失真。最后，设计视距（LOS）最佳估计块以在反馈回路中产生控制误差信号，用于自适应地更新补偿矩阵系数。通过实测数据与实验仿真，分析KBLMS的信道补偿多径缓减算法的性能。结果表明:KBLMS的信道补偿多径缓减技术相较于最小均方（LMS）算法在多径信道中能快速收敛，且码跟踪误差在ENU三个维度误差减少了0.1 chip，载波跟踪误差减少了约0.125 cm，有效降低了多径效应引起的误差，最终残余误差比LMS降低了0.035 chip，说明所提多径缓减算法可以进行更为精准的估计，从而验证了算法的有效性。      

一种用于同步静止卫星监测的微型VLBI网

针对地球静止轨道（GEO）卫星全天时全天候高精度的监测需求，考虑传统甚长基线干涉（VLBI）测站高成本、高投入和GEO卫星专用观测时段有限等制约条件，研发了简易型VLBI观测系统，并组建了包括上海、都匀和乌鲁木齐三站的微型VLBI网（micro VLBI network，MVN），开展了并置站测试以及对GEO卫星亚太6C的连续监测，并评估了当前MVN的观测能力。结果表明MVN扣除系统差后的单站接收精度为2ns，各基线观测时延拟后残差约几纳秒，GEO目标实测位置精度为百米级（内外符精度分别约100m和400m）。不同于传统VLBI和其他GEO监测手段，MVN还具备全天时、全天候、低造价、易布设及易推广等特点，充分表明了其在GEO卫星监测领域的应用价值。     

基于混沌粒子群优化的北斗/GPS组合导航选星算法

全球卫星导航系统（GNSS）接收机在接收信号的过程中会受到诸如建筑物遮挡、信号干扰等因素的影响,无法得到全部可见星。为减轻多星座组合接收机的处理负担,研究利用部分可见卫星进行定位的快速选星算法,提出了一种基于混沌粒子群优化（CPSO）的北斗/GPS组合导航选星算法。首先,对当前历元时刻可见卫星进行连续编码,按照选星数目分组,每个分组视为一个粒子。然后,通过混沌映射初始化粒子种群,选取几何精度因子（GDOP）作为评价粒子优劣的适应度函数;粒子通过粒子群优化算法的速度-位移模型更新自身位置,逐渐趋近空间卫星几何分布较好的卫星组合全局最优解。最后,采集北斗/GPS实际数据对选星算法进行仿真验证和性能比较,结果表明,所提算法在选星颗数多于5颗时,单次选星耗时为遍历法选星的37.5%,选星结果的几何精度因子计算误差在0~0.6之间。该算法可适用于北斗/GPS组合导航定位不同选星颗数的情况。      

基于STF和加权改进的群目标跟踪算法

为了进一步提高群目标交互多模型跟踪算法的估计性能,提出一种改进的群跟踪算法.首先,通过采用模型转换概率的自适应算法,优化模型与目标运动模式的实时匹配.并通过引入强跟踪滤波（STF,Strong Tracking Filter）中的渐消因子,提高机动阶段时的群质心的状态估计精度.其次,分别利用概率加权法和标量加权法完成群质心状态和扩展状态的融合估计.最后在变分贝叶斯滤波的基础上,建立完整的跟踪算法流程.仿真实验结果表明,该方法不仅能够提高群质心状态和扩展状态的估计精度,还能有效降低机动阶段时的峰值误差.     

一种自主式陆地导航系统的研究

为实现车辆在不依赖卫星定位的条件下能长时间、长距离、高精度导航,研究了一种激光陀螺捷联式惯导系统（LSINS）/里程仪/地理信息系统（GIS）陆地组合导航系统。在建立误差估计模型的基础上,充分利用GIS位置信息和可能出现的临时停车状态,提出了用GIS标定里程仪参数并修正方位角误差以及自动零速校准的方法。通过野外跑车试验,对系统的实时定位和定向精度进行了考核,证明上述方法可有效降低导航主要误差源的发散速度。     

自研激光雷达三维点云配准技术

为了实现激光雷达点云与图像重建点云的三维空间配准,基于自研三维扫描激光雷达系统,提出了新型的快速多尺度因子（FMSR）点云配准算法,研究了空间点云配准技术。该算法主要包括初始配准和精确配准2个步骤:初始配准使用基于尺度自适应关键点质量（ASKQ）的点云特征提取算法,提取关键点的特征匹配对,求解点云配准初始参数;精确配准利用K-邻近（KNN）算法全局搜索,提升计算效率,多次迭代得到2组点云之间的最优旋转矩阵、最优平移向量和最优尺度因子。仿真和实验结果表明,所提出的算法对空间目标（尺寸为20.30 m×7.85 m×26.56 m）实现空间点云配准,配准精度达到0.194 m,运行时间为16.207 s;与多尺度迭代最近点（S-ICP）算法相比,配准精度提高了0.131 m,运行时间提高了30%。所提出的空间点云配准技术可为场景重建和纹理匹配提供算法基础。      

实际入射角的相位干涉仪测角方法

为了提高短距离定位精度,消除采用平行入射假定所引入的计算误差,分析和研究了近似误差对角度估计和解相位模糊的影响;得出了满足平行入射近似的前提条件,为干涉仪的波长、基线长度等参数设计提供了指导依据;提出了实际入射角的相位差估计和相应的角度计算方法,提高了角度估计精度。文章提出的高精度相位干涉仪测角方法,适用于多个运动平台（如卫星、飞行器）的互相定位、航天器交会对接、地面短距离目标定位等测角精度要求高的工程应用。     

基于地面基站的定位系统构建和方案

针对大型、复杂、多功能建筑,其内部信号环境恶劣,卫星导航的信号衰减较大,较难稳定捕获跟踪,建筑内多径效应严重,短多径对定位精度的影响较大,直接使用卫星导航信号进行定位难度大的问题,提出了一种基于地面基站的大区域（建筑群）室内定位方案。根据频率与信号穿透性能和空间衰减之间的关系,选择甚高频频段作为信号载波,采用码伪距和载波伪距联合定位的方式,可同时兼顾覆盖性和定位性能。利用所提出的新型定位方式,搭建了一个基本测试系统,通过信号的产生、发射、无线传播,进行了信号的捕获、跟踪和伪距求差解算,初步验证了本文方法的可行性及覆盖能力。      

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站（40°N,115°E）、武汉站（30.53°N,114.36°E）和海口站（20.02°N,110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0～1 TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。      

基于预测碰撞点的剩余飞行时间估计方法

分别针对顺轨与逆轨拦截飞行轨迹的特点,设计了相应的剩余飞行时间（TGO）估计方法。该方法通过对弹目碰撞点的预测,降低了发射条件差异对TGO估计精度的影响。首先对线性比例导引运动方程进行变形,得到拦截弹飞行轨迹关于弹目距离的一阶微分方程,基于预测碰撞点,对不同初始发射角造成的积分结果误差进行修正,得出了2种拦截模式下的TGO解析表达式。通过与3种现有估计方法对比分析,验证了提出方法的实时性和估计精度,且能够优化制导性能。      

北斗卫星导航系统空间信号用户测距误差计算方法研究

按照空间信号用户测距误差（UserRangeError,URE）定义,参考GPS标准定位服务性能规范中URE的计算方法,结合北斗卫星导航系统（BDS）多星混合星座类型,在考虑仰角限制情况下,详细推导了适用于BDS的瞬时URE和均方根URE计算公式。利用广播星历和精密星历计算的卫星轨道误差和卫星钟钟差,带入所推导的公式,对BDSURE进行分析评估;并使用GNSS接收机原始观测量和伪距观测方程计算BDSURE,最后将两种计算结果进行对比分析。研究结果表明,两种方法BDSURE的计算结果基本一致,在95%置信度情况下均小于2.5m,满足北斗公开服务性能规范中对空间信号URE的基本要求。     

一种基于SD-ICA的卫星电池健康状态估计方法

针对容量增量分析（ICA）法应用在卫星电池的健康状态（SOH）估计中存在较大误差的问题，提出了基于带平滑处理并使用放电数据的容量增量分析（SD-ICA）的电池健康状态估计方法。首先，利用光滑样条函数的拟合结果具有二阶导连续的特性，对低分辨率的遥测数据进行平滑处理，从而提高了计算结果的准确性。其次，针对ICA必须使用微小电流放电数据的限制，推导出有负载条件下的容量增量（IC）计算方法，降低了对卫星电池放电工况的要求。最后，利用IC曲线的第一特征点（FOI1）与电池容量的关系，对卫星电池的健康状态进行估计。经验证，所提方法具有对数据分辨率要求低、不需要增加电池工况、计算简便等优势，可以准确地从卫星遥测数据中估计电池健康状态。研究成果在卫星电池的健康管理和任务规划中具有重要的应用价值。