球体测地线八叉树网格的B-rep区域填充算法

地理实体的网格化是地球系统空间网格ESSG面向真三维地理空间计算的基础.针对ESSG现有研究缺乏任意形状体要素网格化方法的问题,面向真三维地质实体构模,以钻孔数据生成的基于封闭不规则三角网的边界表达B-rep作为三维空间实体的边界约束,依据ESSG中体元的空间拓扑关系,提出一种基于球体测地线大圆弧八叉树网格SGOG的三维空间区域填充算法.主要步骤包括空间直线段的网格化、B-rep三角面的网格化和基于上述点、面边界约束的三维空间径向扫描式填充.实验表明,该算法可以实现三维空间的网格填充,且算法的速度快、效率高.     

自主卫星导航的空间基准维持

基于星间测距的自主定轨必然存在星座的整体旋转和漂移,即存在星座空间基准的衰减问题,因此,卫星星座的空间基准维持是自主定轨的主要目标,也是自主定轨的核心问题之一。重点讨论卫星自主定轨中的空间基准维持方法,系统分析星地观测、星间/星地组合观测和星间观测3种观测模式下的卫星轨道参数估计方法,及其对应的空间基准维持方式;提出卫星自主定轨强基准和弱基准概念。强基准是指在星地观测或星间/星地组合观测条件下,强化地面高精度基准站坐标的定轨方式,此时卫星星座基准与地面跟踪站基准一致;弱基准是指在仅有星间链路观测条件下,采用卫星轨道信息先验弱约束的定轨方式,即弱基准是以先验轨道所对应的卫星星座的几何重心建立的。强基准充分利用了星间、星地观测网中的各类信息,计算结果可靠且精度稳定,而弱基准虽然缺少地面观测信息,但先验卫星轨道同样是基于地面跟踪网精密定轨得到的,对卫星空间基准的维持同样可靠,且定轨计算更为简单。采用北斗试验星实测数据,分别开展无基准、弱基准和强基准支持下的自主定轨试验,试验结果表明,弱基准中仅对卫星轨道倾角和升交点赤经进行先验弱约束即可抵偿卫星星座的旋转和漂移,但定轨精度略低于强基准支持下的定轨精度。在无地面跟踪系统支持的特定环境下,建议采用弱基准方法,实现真正意义上的自主定轨。     

一种快速的集中式自主定轨新算法

针对导航星座自主定轨,提出一种提高集中式算法效率的新思路,即充分利用高频、高精度的星间链路测距信息,在短弧内将卫星最优轨道与长期预报轨道的差异用多次曲线描述,得到卫星位置和速度的最佳估值。此方法无需动力学建模和计算状态转移矩阵,因此算法极为简洁。同时,对于自主运行期间缺乏空间基准,提出约束轨道升交点赤经的方法,以减小对地面系统的依赖程度。仿真结果表明,导航星座自主运行60 d,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,在无锚固站的情况下,链路数不少于5条时能够达到轨道URE优于1 m,位置3 m,速度毫米级的定轨精度。最后,通过比对验证了新算法比已有EKF分布式自主定轨算法的效率更高。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

一种基于局部激光高速节点骨干网络的星间链路拓扑规划与仿真优化方法

激光星间链路具有传输容量大和传输速率高等技术特点，具有激光星间链路功能的卫星节点可以在激光-微波混合星间链路网络中作为高速骨干网节点. 如何部署这些高速节点，使得构建的卫星网络拓扑达到最优目标，是星间链路由微波到激光过渡发展中的一个研究重点. 以包括24颗中圆地球轨道（MEO）、3颗地球同步轨道（GEO）和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的导航卫星星座为应用场景，在高速节点数量固定的条件下，综合几何可视性、星间距离和工程约束等约束条件， 以卫星网络接入节点到目的节点的平均端到端时延最小为优化目标，建立数学模型，提出一种基于多源最短路径策略的混合星间链路网络高速节点选取算法，求解局部激光高速节点骨干网络的最优拓扑结构. 仿真结果表明:本文算法得到的局部激光高速节点骨干网络拓扑结构能使整网传输时延更小，通信性能更佳.      

利用网格索引与R树的弧段求交并行算法

本文通过对图幅进行网格化划分,建立网格索引,对弧段按网格建立R树空间索引,进一步降低了空的相交判断次数;根据网格之间一定的独立性,对不同网格内弧段进行并行化求交,并在单CPU多核计算机上利用OpenMP并行机制对算法进行了实现。分析与实验表明:改进后的新算法对较大数据量弧段求交的处理效率较高,与同类算法相比,在空间数据拓扑的建立与空间分析的应用中具有一定优势。     

国外卫星导航系统星间链路发展研究

利用星间链路提升卫星导航系统性能已成为全球卫星导航系统的重要发展趋势之一。以GPS为代表的国外卫星导航系统都在积极发展星间链路。我国北斗卫星导航系统也将在新一代全球导航卫星上搭载星间链路,目前已开展在轨试验。通过国内外文献查阅和跟踪研究,系统梳理比较了GPS,GLONASS和Galileo三大全球系统已投入使用和正在论证的星间链路技术方案。在此基础上归纳了星间链路的发展特点与趋势:1)星间链路的设计不再局限于实现自主导航,更倾向于通过星地联合实现增强提升导航性能;2)星间链路的发展当前以高频段射频星间链路为主,激光星间链路是未来的发展方向;3)星间链路测距通信将主要采用时分多址体制。相关研究成果对我国北斗卫星导航系统星间链路的发展具有借鉴意义。     

一种卫星资源一体化网格组织模型

针对以卫星本体为组织单元开展卫星应用时存在的地面覆盖表征不统一、难整合,现有的卫星分析方法存在大量重复计算、耗时严重等问题,提出了一种基于地理网格的卫星资源一体化组织模型。该模型的基本思路为:以全球等经纬度剖分网格体系(geographical coordinate global subdivision grid with one-dimension-integer on two to nth power,GeoSOT)多尺度网格作为统一的空间表征单元和索引主键,建立一张数据库大表对多星时空覆盖能力进行归一化网格组织,用存储代价换计算时间,提升分析计算效率。选择区域目标访问分析和区域覆盖率计算作为典型应用方法进行实验,初步验证了基于该模型的分析方法的计算效率较传统方法有较明显的提升。该模型可为多星资源整合、联合分析、协同调度提供技术基础。     

星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

考虑星间链路的星地时间同步与上注调度的启发式算法

通过描述全球导航卫星系统基于星间链路的星地时间同步与上注任务过程,分析了基于星间链路的星地时间同步与上注任务约束复杂、星地链路资源紧缺等特点。在此基础上建立了任务调度模型,提出了基于规则的多阶段启发式算法,将出入境卫星与非出入境卫星任务按小时分步调度,设计了总体调度流程,并给出了算法流程中每一步的启发式规则。最后,设计了三个具有代表性的算例并进行测试,结果证明了该方法的有效性。     

一种适用于卫星导航系统星间链路的可抢占时隙TDMA体制

针对传统TDMA体制数据传输时延较大的缺点,提出了一种适用于卫星导航系统星间链路的可抢占时隙的TDMA体制,并抽象出了该TDMA体制下的时隙编排优化目标,结合卫星导航系统星座的星间可视性,以顶点着色为理论基础提出了一种优化的时隙编排算法。仿真结果表明,与GPS星间链路的TDMA体制相比,所提出的TDMA体制可达到相同的卫星自主定轨精度以及系统用户等效观测误差(URE)性能,同时大幅提高了系统通信性能。     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。     

三维Hilbert曲线层级演进模型与编码计算

格网单元的编码计算是全球离散网格系统的核心,支撑着网格快速索引及应用分析的高效计算。Hilbert曲线具有聚簇性高、连续性强的特点,是研究设计全球离散网格编码的重要工具。利用Hilbert曲线进行格元编码实现了坐标等效降维表达,但是对Hilbert曲线不同层级之间的变换关系、一维Hilbert码如何刻画格元多维空间结构与关系等网格编码基础理论问题的研究尚不完备。本文以八叉树立体网格中三维Hilbert曲线层级演进关系为突破口,使用状态矩阵与演进矩阵构建层级演进模型,进而分别设计笛卡儿坐标至Hilbert码计算以及邻近格元Hilbert码计算方法。与现有算法对比,本文算法以层级演进模型为理论基础,避免了烦琐迭代步骤以及转换步骤,算法流程简明直接。试验结果表明,本文笛卡儿坐标至Hilbert码计算效率较迭代算法提高为7%~23%,邻近格元Hilbert码计算效率较转换算法提高4.0~4.5倍。     

GPU-CA模型下的溃坝洪水演进实时模拟与分析

基于元胞自动机(CA)的局部并行计算特性和统一计算设备架构(CUDA)并行计算架构,提出了GPU-CA的溃坝洪水演进计算模型,重点探讨了溃坝洪水演进元胞自动机模型、GPU模型映射、计算优化、CPU/GPU协同的溃坝洪水演进模拟与分析等关键问题,研发了原型系统,并选择了案例进行初步试验。试验结果表明,在保证溃坝洪水演进模拟结果有效性的情况下,与基于CPU-CA串行计算模式相比,基于GPU-CA的溃坝洪水演进模型计算可提高计算效率,加速比随着元胞格网分辨率的提升而增加,当元胞格网的大小为10m时,模型计算效率的加速比可以达到15.9倍,可支持实时溃坝洪水演进模拟分析与风险评估。     

天地技术合一的野外地质工作现代化模式

在无人、无通讯信号的艰险地区开展地质调查工作,其传统模式是小组独立作战,工作环境基本与世隔绝。由于卫星电话或电台在成本和使用上不便,使野外地质调查工作处在极其原始状态下,保障生命安全和地质工作调查精度困难极大。通过3S技术、IP通讯卫星技术与北斗系统、网格GIS和“云”计算技术的集成,构建北斗系统与网格组合的静动态4级组网模式和多种资源的协同技术,形成天地空技术合一的现代化野外地质工作＋管理＋安全保障的技术架构与智能地质调查服务模式。     

增量法地形可视计算与分析

DEM在表达地形时具有水平等距网格和垂直高差的特点,根据DEM表达地形的特点,利用双增量地形可视计算方法,以水平方向矢量叉乘增量计算来判断点的可视性,采用垂直方向高程增量的谷地凹处盲区测试,根据地形高程的变化来消除不可视点,该算法思路清晰、计算复杂度低。同时重点分析该算法在地形的部分区域和不同特征地形上的特点,指出该算法在起伏山地和沟谷地形中的优势;横向上与ArcGIS功能模块进行比较,可视计算速度大大提高。     

一种基于网格的数码相机数字化图像纠正拼接算法

随着数码相机的不断普及和数字化图书馆建设步伐的加快,利用数码相机对文档文件进行数字化成为一种趋势,但采用数码相机进行数字化时,由数码相机的镜头造成的几何畸变给数字化后的图像拼接带来一定的困难。为了纠正这种几何畸变,提高数码相机数字化的质量,本文提出一种基于网格的图像纠正拼接算法。该算法首先通过计算每个网格的变形参数来纠正图像的几何畸变,再逐个网格来进行图像拼接。试验表明,该算法能对数码相机数字化的文档类图像进行批量的纠正拼接,并且计算速度快,精度高,拼接效果好等优点,为文档类文件用数码相机进行数字化提供了一定的技术支持。     

改进SA方法的卫星视频图像超分辨率重建

为了提高卫星视频图像的质量,针对SA方法中无法实现小数倍超分重建和"黑色格网"问题,提出了改进的SA超分辨率重建方法。对于小数倍超分问题,首先建立参考帧低分辨率图像坐标系,以超分倍数构建参考帧高分格网,按表达的物方元素一致的原则,把所有低分辨率图像和高分辨率图像的坐标系统一在一个参考坐标系下;对于"黑色格网"改善问题,在使用运动估计参数时,为了减少由于运动补偿造成的误差,取消传统SA方法中四舍五入的运动参数补偿方法,改为以待求点为中心确定容许误差,通过容许误差选择参估点,用参估点计算高分辨率网格像素,以减少"黑色格网"现象。利用仿真和真实的卫星视频数据实验验证了该方法的有效性。     

基于北斗星间链路的卫星自主导航可行性分析

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)在BDS-2基础上,设计实现了高速宽带星间链路网络,以期实现导航和通信的一体化建设,并为卫星自主定轨(autonomous orbit determina-tion,AOD)技术的实现积累宝贵的实测数据.首先,利...