导航卫星自主定轨星座旋转误差的地面校正算法

目的 基于星间测距的导航卫星自主定轨不可避免地会出现星座旋转,导致轨道精度下降并对造成用户定位系统误差。对星座旋转现象的原因和影响进行了分析,指出轨道升交点赤经的系统偏差ΔΩ和地球定向参数EOP的预报误差是星座旋转的主要误差源,主要表现为星座绕地球自转轴(犣轴)的旋转。在此基础上,提出一种独立、实用的星座旋转的地面校正算法,利用区域地面站的伪距观测值估计并校正星座旋转误差。仿真结果表明,使用两个测站可以估计旋转误差的三个分量,较为完善地消除星座旋转误差,显著提高用户定位的精度;使用一个测站,仅考虑关于犣轴的旋转分量,也可以校正大部分旋转误差,但校正效果略差。     

综合GPS和NCEP CFSv2的区域PWV估计方法

利用地基GPS估计PWV（precipitable water vapor）时,除GPS观测数据外,GPS测站地表的气温和气压也是必要参数。针对我国多数GPS网并未配备相应的气象传感器的情况,利用美国环境预报中心气候预报系统第2版提供的逐6 h产品,并顾及测站高程转换时的平均海平面高改正,提出一种GPS测站气象参数的插值新方法。以香港卫星定位参考站网实测GPS数据进行试验研究,结果表明,平均海平面高对地表气压的插值结果影响较大,而对地表气温的插值结果影响较小;经平均海平面高改正后,地表气压插值结果的平均均方根误差（RMSE）为1.61 hPa,地表气温插值结果的平均RMSE为1.93 K;由插值气象参数估计的PWV的平均RMSE为2.76 mm,验证了所提方法的有效性。     

海洋磁力测量垂直空间归算中曲面延拓迭代方法的改进

海洋磁力测量中，由于受到海流等因素的影响导致磁力仪传感器（拖鱼）的入水深度起伏变化，测得的海洋磁场数据并不在固定的平面上。为了满足不同用户对海洋磁场数据的应用需求，必须采取合理的“曲化平”，实现整个测区磁场数据垂直空间上的统一。针对位场曲面延拓积分方程的迭代解中高阶垂向导数对高频噪声的放大问题，尝试引入Tikhonov正则化方法对其进行改进，以抑制高频噪声的影响。仿真分析表明，在选择合适的正则化参数后，改进的延拓方法可将延拓精度提高1.6 nT。实测数据分析表明，采用改进曲面延拓迭代方法，将磁测成果数据归算到曲面最低平面时，归算后交叉点磁异常不符值精度可提高2 nT，进一步验证了海洋磁力测量数据垂直空间归算的必要性。     

一种新的车载低成本MEMS陀螺仪快速初始对准算法

车载导航系统常用惯性测量元件（IMU）与全球卫星导航系统（GNSS）技术组合以提高系统的稳定性。由于车载导航系统的应用场景限制，对初始对准速度有着较高要求。为了提高传统车载组合导航系统中低成本微机电系统（MEMS）陀螺仪的初始对准速度，降低初始对准过程中的计算量，本文提出了一种适用于任意失准角下的基于网络RTK辅助与无损Kalman滤波（UKF）的MEMS陀螺仪初始对准算法。同时针对车载系统的特点，简化了IMU系统误差方程，分析了简化带来的误差。在诺瓦泰ProPak6和诺瓦泰IMU-IGM-S1组成的导航系统中验证了本文提出的算法。试验结果表明，在以诺瓦泰双天线GNSS输出航向角为"真值"的情况下，本文提出的算法基本可以在5 s内完成陀螺仪的初始对准，对准精度达0.3°。     

基于正弦拟合的三轴磁力仪标定方法

三轴磁力仪是一种常用的磁场测量工具，在地磁导航、海洋磁测、地磁勘探等领域应用较为广泛。作为一种磁场矢量测量工具，三轴磁力仪的磁测误差主要来源于三轴非正交、敏感轴灵敏度不一致及零偏误差等方面，磁力仪的标定优劣影响磁力仪的测量性能。为解决三轴磁力仪的标定问题，建立了磁力仪误差补偿模型，提出了基于正弦拟合的三轴磁力仪标定方法。将磁力仪沿平面旋转时的三轴输出数据拟合成正弦曲线，利用正弦曲线的幅值、初相角和平移量等信息计算出磁力仪的标定参数。仿真结果表明:该方法无需非线性优化过程即可实现标定参数的求解，得到的标定参数与设定值吻合度高；磁测噪声对三轴灵敏度系数及非正交角的计算结果影响较小。     

基本矩阵约束下的摄像机畸变校正及像主点确定

针对视觉测量系统中畸变校正过程烦琐、计算复杂等问题,提出了一种基于基本矩阵约束的镜头畸变自动校正及像主点坐标确定方法。基于对极几何的基本矩阵和一阶径向畸变模型构建了两视图同名点约束方程;为解决待求参数过多导致解不稳定的问题,采用分步求解策略分别求解基本矩阵及畸变参数和主点坐标,用RANSAC稳健估计方法求取基本矩阵,用迭代最小二乘优化求解畸变参数和主点坐标,两步交替进行。提出的算法仅使用两张图像即可获取径向畸变参数及主点坐标,可操作性强,且对噪声具有一定的鲁棒性,适用于自然场景图像的校正。     

多体制遥感卫星成像数据高精度处理新方法

光学和SAR等对地观测卫星需要经过成像、辐射/几何校正等处理和不断的时序积累，才能为计算机解译提供精度高、稳定性好、时间持续的数据和特征。传统中低分辨率对地观测卫星通常基于地理网格内地物目标电磁波散射特性简化为理想点目标的假设，进行逐像素处理。然而，高分宽幅、大斜视、多通道等新体制卫星的工作模式更加复杂，其数据处理对星地全链路各环节产生的误差非常敏感，对成像参数标定或估计的精度提出了更高要求，此时基于理想点目标假设来进行参数估计、成像及校正处理的方式已难以满足处理精度要求。并且，近年来多体制卫星组网式协同和融合应用的新发展，也使得当前的理想点目标假设难以表征和建模多源多时相数据特征。为此，本文提出了多体制遥感卫星成像数据高精度处理的新方法，首先创新提出了“超像素”的概念和表征理论框架，建立了基于超像素的精确成像模型，然后通过挖掘超像素稳定特征并借鉴生成对抗学习机制，实现了星地全链路高耦合成像参数的高精度估计和持续精化，有效提升了多体制遥感卫星成像数据产品的精度，为计算机解译提供了好的数据产品输入。     

三维AOA/TDOA被动定位及其迭代融合算法

对辐射源的三维被动定位是电子支持测量系统（electronic support measure system，ESM）的重要内容，特别是在军事上，是侦察定位、监视监测的重要方面。到达时间差（time difference of arrival，TDOA）、到达角度（angle of arrival，AOA）是被动雷达普遍采用的两种定位方法。本文基于分别安装于不同运动平台上的两个传感器的AOA和TDOA测量，给出了迭代最小二乘（iterative least squares，ILS）融合算法。其中，传感器的位置、速度以及状态等参量由集成GPS／INS系统估计得到，AOA／TDOA测量方程由运动平台的位置、姿态以及传感器的AOA、TDOA测量数据构成。本方法首先将ISL用于对两个传感器的AOA融合，然后将得到的估计结果作为AOA／TDOA的ILS融合的初始值。仿真结果显示采用AOA／TDOA融合算法，使定位精度得到有效提高。     

顾及卫星PCO改正的BDS-3卫星差分码偏差精确估计EI北大核心CSCD

精确的差分码偏差改正信息是实现全球导航卫星系统多频数据精密应用的基础,而现有DCB参数估计方法及数据产品中并未考虑天线相位中心偏移的误差影响。以BDS-3为例,本文在分析BDS-3卫星PCO变化特性及其对DCB估值理论影响的基础上,推导了DCB参数中的PCO误差经验校正方法,同时提出了顾及PCO误差改正的DCB参数估计方法。利用国际GNSS服务组织全球分布的BDS-3基准站数据,实现了PCO改正前后C2I-C6I/C1P-C5P两类DCB参数的精确估计,并在BDS-3 C2I/C1P单频标准单点定位中开展定位验证。结果表明,PCO改正前后的卫星DCB差异最大可达0.60 ns,引起不同类型卫星间的DCB差异最大可达1.17 ns,DCB参数中的PCO误差对BDS-3定位应用的影响不可忽略。与未改正PCO误差的DCB产品对应的定位结果相比,基于PCO-estimated-DCB和PCO-corrected-DCB两种方案的BDS-3 SPP精度增益相当,在水平与高程方向定位精度分别提升了5.7%和6.8%。     

GF-4增强型地表反射率库支持法的气溶胶光学厚度反演

针对GF-4等国产卫星气溶胶光学厚度反演算法存在的地表反射率估计困难、云像元污染等问题,本文发展了一种增强型地表反射率库支持的气溶胶光学厚度反演方法,改进了云筛选与地表反射率确定方案,在考虑GF-4逐像元成像角度的情况下,使用6SV模型与MOD09-CMA数据对季度尺度上的GF-4 PMS传感器数据进行大气校正,提出了百分比最小值均值法建立地表反射率库,并据此建立了NDVI与红蓝反射率关系模型,根据地表反射率的分布特点,当NDVI小于0.2的时候使用地表反射率库估计地表反射率,而当NDVI大于0.2时,则使用NDVI来估计地表反射率。使用MOD04气溶胶模式时空分布确定气溶胶参数。在京津冀地区开展气溶胶光学厚度反演实验,使用Aeronet站点数据与MOD04产品对反演结果进行了对比验证,与Aeronet相关系数R为0.964,均方根误差RMSE为0.13,满足±(0.05+0.2τ)的点多于78.9%,相关系数与均方根误差优于MODIS暗目标法产品,满足期望误差线的数量优于MODIS暗目标与深蓝算法产品。     

无人平台视觉导航算法验证仿真系统的设计与实现

近年来,基于视觉的导航和目标跟踪算法开始广泛应用于无人平台。针对各类视觉导航算法和综合任务方案在无人平台上实地测试风险性高、现场采集参数精度低、效率差等问题,设计并搭建了一套以高精度工控导轨平台、姿态控制云台、工业相机和模拟地形沙盘为主要部件的无人平台半物理仿真系统。引入OptiTrack光学运动捕捉设备对仿真系统真实的位姿控制精度进行了评价,结果显示系统空间三轴位置控制均方根误差在1 mm左右,横滚、俯仰、航向姿态角控制均方根误差小于0.1°,可以服务于视觉导航算法和综合任务方案在无人平台上的性能评估。     

无定向点优化布局的多边交会测量精度分析

多边交会系统利于提高激光跟踪仪坐标测量精度,但测量精度易受测站布局和系统参数标定精度的影响。引入球心拟合的无定向点系统参数标定法,避免传统系统参数标定精度受定向点分布的影响,根据无定向点系统参数标定模型推导出多边交会的最佳测站布局——直角正三棱锥,从而保证多边交会测量精度。仿真结果表明,在5 m范围内,球心拟合的无定向点系统参数标定中误差为0.006 4 mm,最佳测站布局下多边交会的点位中误差为0.005 mm。经标准尺长度测量验证和四面体标准器坐标测量验证,优化后多边交会的长度测量中误差为0.003 6 mm,坐标测量中误差为0.005 3 mm。在无定向点系统参数标定和直角三棱锥布局下,激光跟踪仪多边交会能够实现微米级三维坐标测量。     

活跃期区域电离层总电子短期预报及适用性分析

太阳活跃期受太阳风高能粒子影响易发生磁暴，使得电离层总电子含量异常扰动，其非平稳性与非线性特征较平静期明显增强。分别利用2011年区域内多个测站的实测数据与IGS（International GNSS Service）发布的全球电离层模型（global ionosphere model，GIM）进行逐点建模，选取db4小波基对样本序列进行分解后，采用时间序列模型对各分量进行预报并重构，实现对ARIMA（auto regressive integrated moving average）模型的改进。通过分析ARIMA模型与改进模型预报值的残差比例和实验区域内均方根误差的分布情况，来评定改进模型的预报精度与适用性。结果表明，改进模型的残差与实验区域内的均方根误差较ARIMA模型总体减小，且该模型对区域内均方根误差峰值能起到较大的削弱作用。     

基于IGS站组网的移动激光雷达测量系统整体检校

针对车载移动测量系统中激光扫描仪和载体坐标系之间存在的位置和姿态偏差，在结合常规特征点、特征面检校方法基础上，本文提出了一种带有误差改正数的位置和姿态检校方法。利用TLS获取的车载系统整体点云模型和传感器固有几何属性，获取传感器之间相对关系初值，在此基础上引入误差改正数，构建误差改正模型。在与IGS站联测的检校场中借助平面、球形标靶和平面反射标志等特征，采用最小二乘法迭代法计算误差改正数最优解，从而实现传感器快速检校。试验结果表明，该方法切实可行，检校后点云平面绝对精度和高程绝对精度分别为0.043、0.072 m，相对精度为0.018 m，满足移动测量系统数据获取的精度要求，对促进车载移动测量技术发展和应用具有重要意义。     

改进的GNSS/SINS组合导航系统自适应滤波算法

GNSS/SINS(global navigation satellite system/strapdown inertial navigation system)组合导航系统已得到广泛的应用与研究,当处于复杂环境时,GNSS输出容易出现误差均方差突变、误差均方差缓变、硬故障和软故障4种现象,进而影响组合导航系统滤波精度及载体的导航安全。为了解决上述问题,提出了一种改进的GNSS/SINS组合导航系统自适应滤波算法。首先,利用滤波过程中的观测异常检验统计量与滤波器门限值构建观测因子,然后,将变分贝叶斯原理与抗野值滤波方法结合,设计了改进的组合导航系统自适应滤波算法。仿真实验表明,相较于传统算法,当GNSS输出误差均方差发生变化时,所提算法可将位置精度及速度精度提高11.8%及13.7%;在GNSS输出发生硬故障时,所提算法可将位置精度及速度精度提高70.8%及69.6%。实验结果表明,所提算法具有较强的自适应性,可提升复杂环境下组合导航系统的精度和连续可用性。     

基于自检校的机载线阵CCD传感器几何标定

将基于附加参数的自检校光束法区域网平差技术应用于机载线阵CCD传感器几何标定中,以ADS40为对象,分析集成传感器成像几何关系,引入GPS观测值数学模型和IMU视轴偏心角模型,建立用于标定的自检校光束法区域网平差模型;在深入分析机载三线阵CCD传感器成像误差特性的基础上,建立有效的相机标定参数模型;并采用检校场ADS40数据进行了标定试验,结果表明几何标定方法可行有效,可显著提高测量精度和可靠性。     

IGRF12和WMM2015模型在中国区域的精度评估及其适用性分析

利用中国大陆区域35个地磁基准台站2008~2015年的观测数据,结合高精度的地壳磁场模型NGDC-720,计算各台站观测值和地磁场模型值7个要素之间的差值。通过引入均方根误差,评估最新的国际地磁参考场模型IGRF12和世界地磁模型WMM2015在中国区域的精度及其适用性。结果表明,IGRF12模型与台站年均值的一致性吻合较好,但对于不同台站,IGRF12模型误差相差较大。WMM2015和IGRF12模型误差具有相似的空间分布特征,且地磁各要素差值的最大值、最小值和均方根误差十分接近,其中地磁偏角和总磁场强度的均方根误差优于16'和100 nT。因此,在研究中国区域地磁异常时,IGRF12或WMM2015模型均可作为主磁场改正的参考背景场。     

GPS/BDS/GLONASS多系统组合定位分析

可见卫星数是评价导航系统定位性能的一个重要指标,也是系统可用性的基本要求。均方根差(亦称中误差)是观测精度的数据标准。本文通过实验分析了不同环境下的多系统组合的可见星数以及中误差,进而研究了多系统组合在不同环境中的可用性及定位精度。实验结果表明:在相同环境下,系统组合的可用性大幅提高,精度高于单GPS系统的精度,其中GPS/BDS/GLONASS三系统组合测量精度最高,GPS/BDS组合精度次之,GPS/GLONASS组合精度略低于GPS/BDS组合。     

利用BDS数据反演大气可降水量及其精度分析

随着GAMIT软件版本的不断更新，对BDS数据基线解算已成为可能。本文提出了一种基于GAMIT软件的BDS大气可降水量反演方法，并对利用探空数据计算得到的大气可降水量与GPS数据反演结果进行精度验证。结果表明，通过BDS反演得到的大气可降水量与探空数据计算结果之间的平均相对误差、均方根误差均小于2 mm，相关系数大于0.98；与GPS反演结果之间的平均相对误差、均方根误差均小于3 mm，相关系数大于0.96。BDS反演结果精度较高，基本能够满足气象需要。     

An integrated bundle adjustment approach to range camera geometric self-calibration

This paper describes a new method for integrated range camera system self-calibration in which both traditional camera calibration parameters and rangefinder systematic error parameters are estimated simultaneously in a free-network bundle adjustment of observations to signalised targets. Its mathematical basis is collinearity and range observation equations augmented with correction models for systematic error sources identified in the data. The self-calibration results from datasets captured with two different range cameras, a SwissRanger SR3000 and a SwissRanger SR4000, are presented and analysed in detail. The method’s effectiveness is demonstrated in terms of systematic error removal and independent accuracy assessment. Up to a 54% reduction in the residual RMS was achieved by inclusion of the proposed error models in the self-calibration adjustment. An improvement of at least 74% in the RMS of object point co-ordinate differences, over that achieved without calibration or provided by the manufacturer’s software (in the case of the SR3000), was realised in an independent accuracy assessment. In addition, the effects of several influencing variables, including the range stochastic error model, the network geometry and the range measurements themselves, on key correlation mechanisms are analysed in detail.