基于GDOP贡献值递推的自动天文选星算法

传统天文测量依赖人工选星,自动化程度不高,难以快速选出具有最优几何分布的恒星观测组合,因而存在测量效率低、定位精度易受作业员影响等突出问题.为此,提出一种基于GDOP贡献值递推的自动天文选星算法.首先,构建GDOP贡献值的数学模型,确定递推选星策略,实现自动化选星;其次,利用GDOP值定量评估恒星观测组合的几何分布特性,经可测性分析后编制出具有最优几何分布的观测星表.相比于人工选星,恒星观测组合的GDOP值减小0.025,优化了恒星观测组合的几何分布;每个观测时段测量耗时由29 min减少到12 min,测量效率提高58.6％.所设计的算法性能良好,且可实现自动化,具有较好的应用前景.     

一种多系统组合导航快速选星方法

采用多卫星导航系统组合导航,定位精度和系统可靠性会大幅提升,但导航定位运算量也会成倍增长。为解决多系统组合导航定位精度与实时性之间的矛盾,提出一种新的选星方法。新方法不追求最小GDOP值,而是以满足导航定位精度的GDOP值为前提,结合模糊理论中隶属函数的思想,按卫星在星座中均匀分布为原则进行选星。推导伪距测量的误差模型,分析了GDOP与测量误差之间的关系。北斗、GPS和GLONASS三系统组合导航选星实验结果表明,在不超过3次求解GDOP值的情况下,新方法能以不小于98%的概率得到GDOP≤4。     

视频测量机器人星识别算法在自动天文定向中的应用

天文定向是通过观测天体确定方位的高精度定向方法，在天文测量中具有重要的作用，实现自动天文定向是目前天文定向的发展趋势。基于视频全站仪的工作模式，本文提出了一种星识别定向方法。首先通过视频测量连续快速拍摄多颗星，再将高度角和方位角差作为匹配条件，识别出各恒星，最后利用观测数据和解算的恒星数据关系获得定向结果，实现天文定向自动化。本文分析了因测站坐标误差和观测误差引起的星识别误差，由此给出匹配阈值，进一步提高了匹配的精确度和准确度。     

一种无需精密整平的抗差天文定位方法

针对传统天文定位需要将测量仪器精密整平,并且定位算法精度较低的问题,提出一种无需精密整平的抗差天文定位方法。首先根据二维倾角传感器的倾角测量值对天体位置观测值进行改正,然后在定位模型中加入天顶距改正量以减弱系统误差的影响,在参数解算时采用抗差估计的方法,以达到抑制粗差的影响和限制利用误差偏大的观测值的效果。经算例分析验证,只需将测量仪器概略整平,即可实现较高精度的天文定位。若使用星敏感器代替经纬仪进行天文导航定位,本方法将更具优势。     

新技术在北极星天文方位角测量中的应用

使用GPS接收机的UTC作为北极星天文方位角测量的时间比对的标准时间，利用推估UTl与UTC的差值，将时间归算到UTl的方法，可满足各等级天文方位角测量的要求，现场计算零点恒星时和北极星坐标的精度满足北极星天文方位角测量的要求，实现了现场评估测量精度。     

数字天顶摄像仪中CCD星象亚像素定位的改进二维矩方法

在利用数字天顶摄像仪通过天文测量确定天文垂线偏差的工作中,要求对CCD数字图像中星象中心进行亚像素定位。本文利用MATLAB实现对FITS格式CCD天文图像的正常读取,并与FV读取结果比较分析。在已有亚像素定位的修正矩方法基础上,提出一种利用迭代法寻求合适门限对二维修正矩方法进行改善。利用MATLAB实现对实测图像数据的处理与分析,探讨门限的取值对不同星等恒星定位精度的影响,给出门限的最佳取值。通过与已有修正矩算法处理结果比较分析,在以往修正矩方法计算基础上改进计算区域后再用迭代法计算,暗星定位精度有了很大提高。     

数字天顶摄影天文定位测量的工程实现

实现天文大地定位测量仪器的自动化观测,特别是消除传统天文大地测量人仪差影响的全自动测量,一直是我国天文大地测量工作者追求的目标。采用当今先进的恒星CCD成像技术、精密倾斜测量技术、计算机技术等研制而成的一种用于地面点精密天文定位的数字式测量设备,很好地解决了这一问题。本文论述了数字天顶摄影天文定位测量的基本原理,提出了数字天顶摄影天文定位测量仪器旋转轴方向天文坐标解算的技术途径。通过天顶摄影定位测量原理样机研制的工程实践,验证了该技术方法的可行性和正确性。     

无水天线观测的船舶天文定位新方法

针对船舶天文定位需要同时观测天体和水天线来获取天体高度角,其定位的结果和精度常受制于水天线的可观测时段问题,该文提出了一种无需水天线观测的船舶天文定位新方法。该方法将双天体的方位角作为观测量,通过牛顿迭代法直接计算船位,不受水天线有限观测时段的限制,并且可避免画天文位置线的繁琐作业。基于天体高度方位表数据对该方法模型进行验证分析得:天体方位角测量精度越高,该方法的船舶定位误差越小,当天体方位角测量精度在±0.05°时,船舶定位误差在5nmile之内,该方法可用于夜间船舶定位,从而扩大传统天文定位使用时段。     

航天器姿态算法在地面天文定位中的应用研究

针对天顶仪地面天文定位算法需要反复差值,计算繁琐的问题,文章将航天器姿态算法应用到天顶仪定位中来,详细研究了3种姿态算法,并为利用姿态算法实现定位给出了从姿态信息计算天顶仪光轴指向的新方法:建立了姿态算法的定位误差模型,结合过蒙特卡洛仿真,研究了姿态算法的定位精度并与原算法进行了比较;最后通过实际观测实验,实际分析了姿态算法和原算法在实验系统中的实际定位精度。结果表明:各姿态算法均能应用于天顶仪定位中,且精度高于原定位算法。     

数字天顶摄影仪中星象匹配识别与匹配星表编制

在利用数字天顶摄影仪通过天文测量确定重力垂线偏差的工作中,需要建立高精度高密度的恒星星表,实现CCD观测星象与星表中恒星匹配识别。本文提出了一种新的控制三角形匹配算法,利用CCD影像平面中星象与天顶切平面中恒星的三角形角、三角形边长及星等信息作为判定条件,快速准确实现CCD影像平面中星象与切平面中恒星的控制星和参考星识别匹配。根据数字天顶摄影仪CCD星象观测能力,通过对 Hipparcos、Tycho-2星表处理,分别编制了数字天顶摄影仪控制星和参考星匹配星表数据库。0．3s内完成一幅3073＆#215;2048大小的CCD实测图像星象准确匹配识别。     

北斗／GPS双模定位中快速选星算法研究

采用双系统组合定位模式,导航接收机能在同一时刻接收到超过20颗可见星,大大增加了可见星的数量,能提供十分精准的定位。但可见星数量大幅度增加带来定位精度提升的同时也带来了大量的计算量,加上实际作业中的一些问题,都大大增加了选星时间。本文从GDOP与星座几何布局的关系出发,结合实际应用场景,提出了基于仰角和方位角排序的选星算法。该方法以满足定位要求为前提,根据可见星仰角排序初筛卫星,对不同仰角卫星进行合理的顶星选择,以卫星均匀分布为原则,将在理想情况和实际情况下寻找有效定位平衡点,以规避无效选星并减少计算量,从而大大减少选星时间,有效实现了在北斗和GPS双模定位中的快速选星。      

基于组合卫星导航系统的编队卫星分析

针对编队飞行中星间相对定位的任务需求,分析了卫星导航系统对编队卫星的动态观测几何问题,引入了相对定位精度衰减因子(RDOP)描述,并讨论了其性质。在对编队中单颗低轨卫星进行导航卫星GDOP分析的基础上,研究了不同编队宽度下编队集合的共视卫星和共视时段,仿真了一定场景下的编队卫星RDOP,并比较了与PDOP的大小关系。接收机的截止高度角对于导航卫星GDOP影响较大;编队宽度会影响到共视卫星的选择;而与采用单个GPS系统相比,采用GPS-Galileo组合卫星导航系统对编队卫星进行相对定位,RDOP数值明显减小,从而有利于高精度的星间位置确定。     

基于伪卫星的改善GPS几何精度因子的研究

随着人们活动范围的日益扩大和周边环境的日益复杂,高精度GPS导航技术逐渐成为国内外研究的重点。GPS系统的定位精度在很大程度上取决于参与定位卫星的数目和几何布局,而几何精度因子(GDOP)正是衡量定位卫星几何布局优劣的量度。文章从几何精度因子着手,从理论上证明了伪卫星对GPS系统GDOP的改善,分析了伪卫星数量对GPS系统定位精度的影响。借助于仿真实验,结果表明,在GPS导航定位中,伪卫星能够显著增强卫星几何图形结构、提高测量精度、改善精度因子从而提高定位精度。     

GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析

通过STK软件对GPS、BDS、GLONASS、Galileo四个系统的星座结构进行仿真,并选择单系统与多系统组合定位的方式对中国区域内的可见卫星数、GDOP值和定位精度进行覆盖分析。结果表明,GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在我国的GDOP值可达0.7~0.8,定位精度可达3~4m,优于其他方式的组合定位;同时四系统组合定位下的GDOP值降低,定位精度更好,GDOP值与定位精度的波动异常得到了抑制,导航定位的性能与稳定性也得到了相应的提升。     

一种改进的组合导航系统选星算法

针对GPS,GLONASS,BDS组合导航系统定位中卫星的选择作了相关分析。首先用STK软件进行仿真,分析几何精度因子与卫星数的关系,得出组合导航系统最佳选星数;再根据卫星星座的空间几何分布,基于次优选星算法的成本函数模型,结合各导航系统卫星测量精度的差异性以及次优选星算法的峰值、不稳定特点,构建一种以卫星高度角和载噪比确定的加权成本函数模型,提出一种依据加权成本函数选星的分步次优加权选星算法。实验结果表明,该选星算法能近似到达最优选星算法的效果,计算负荷也相对较小,可满足导航定位解算精度和实时性要求。     

A closed-form formula to calculate geometric dilution of precision (GDOP) for multi-GNSS constellations

With the future global navigation satellite system (GNSS), the multi-GNSS constellations, which are composed of various single systems, will be the main navigation method in future. For the multi-GNSS constellations, the geometric dilution of precision (GDOP) is an important parameter used for satellite selection and the evaluation of positioning accuracy. However, the calculation of GDOP is a time-consuming and power-consuming task. Using Schur complement, we present a closed-form formula to calculate GDOP for multi-GNSS constellations. The formula can be applied to multi-GNSS constellations that include two, three or four different single systems. Furthermore, a closed-form formula for the case of exactly five satellites is also derived. Compared with the conventional numerical methods, the formula can reduce the amounts of multiplication and addition effectively. Numerical experiments validate the effectiveness and feasibility of the closed-form formula.     

Satellite selection with an end-to-end deep learning network

Benefiting from multi-constellation Global Navigation Satellite Systems (GNSS), more and more visible satellites can be used to improve user positioning performance. However, due to limited tracking receiver channels and power consumption, and other issues, it may be not possible, or desirable, to use all satellites in view for positioning. The optimal subset is generally selected from all possible satellite combinations to minimize either Geometric Dilution of Precision (GDOP) or weighted GDOP (WGDOP). However, this brute force approach is difficult to implement in real-time applications due to the time- and power-consuming calculation of the DOP values. As an alternative to a brute force satellite selection procedure, the authors propose an end-to-end deep learning network for satellite selection based on the PointNet and VoxelNet networks. The satellite selection is converted to a satellite segmentation problem, with specified input channel for each satellite and two class labels, one for selected satellites and the other for those not selected. The aim of the satellite segmentation is that a fixed number of satellites with the minimum GDOP/WGDOP value can be segmented from any feeding order of input satellites. To validate the proposed satellite segmentation network, training and test data from 220 IGS stations tracking GPS and GLONASS satellites were used. The segmentation performance using different architectures and representations of input channels, including receiver-to-satellite unit vector and elevation and azimuth, were compared. It was found that the input channel with elevation and azimuth can achieve better performance than using the receiver-to-satellite unit vector, and an architecture with stacked feature encoding (FE) layers has better satellite segmentation performance than one without stacked FE layers. In addition, the models with GDOP and WGDOP criteria for selecting 9 and 12 satellites were trained. It was demonstrated that the satellite segmentation network was about 90 times faster than using the brute force approach. Furthermore, all the trained models can effectively select the satellites making the most contribution to the desired GDOP/WGDOP value. Approximately 99% of the tests had GDOP and WGDOP value differences smaller than 0.03 and 0.2, respectively, between the predicted subset and the optimal subset.     

星点亚像元细分定位精度分析

星点的精确定位为后续的导航解算提供数据支撑。基于高斯分布原理进行星点模拟,为星点定位提供图像数据。分别介绍了质心法和高斯曲面拟合法的亚像元细分定位原理,并研究系统误差、随机噪声、分割阈值、星等和星点坐标分布5个因素对星点定位精度的影响,分析两种方法的异同点。对模拟的星点进行定位分析发现,星点距离参考点越远定位误差越大,定位精度随噪声增大而降低。实验表明,相比高斯曲面拟合方法,质心法具有更好的实用性,其定位精度对星点的像元信息依赖性较小。     

一种顾及几何精度因子的GNSS控制网构型选站方法CSCD

在相对定位基线解算过程中,控制网约束点坐标位置的选取对数据解算精度有一定的影响.讨论了顾及最小几何精度因子(GDOP)值控制网构型选站方法,对全球MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站进行6个约束点基准站的选择,利用北斗二号/北斗三号(BDS2/BDS-3)的实测数据,对全球18个连续监测评估系统(iGMAS)观测站的站坐标进行解算,并与全球格网化随机选站法选站结果的解算精度进行对比.实验结果表明:相较于格网化随机选站法,采用顾及GDOP值选站法进行相对定位基线解算时,6000 km以上的基线长度标准差值能够提高约7 mm;长基线在东(E)、北(N)、天顶(U)三方向的标准差值精度提升约5 mm;待定点的点位精度能够提升约40%.可以看出采用GDOP法选站可以提高BDS-2/BDS-3相对定位解算精度.     

北斗卫星导航系统动态定位精度测试与分析

随着北斗卫星导航系统的建设与发展推动全球卫星导航事业在民航的发展。介绍了卫星导航系统的定位误差通过与作为真值数据的组合导航定位数据进行比较仿真分析了实测数据下精度因子与可见星数目的占比分布北斗卫星导航系统在低海拔平原地区和高海拔山脉地区均可以提供实时导航定位服务且定位结果均符合《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》标准,满足用户的定位要求。