北斗卫星导航系统高动态定位性能检定理论及关键技术研究

摘要

定位性能是卫星导航系统性能的基础和核心，卫星导航系统定位性能的测试与评估贯穿于卫星导航系统的设计、研发、部署、运行和扩展等各个阶段。本文紧紧围绕北斗卫星导航系统高动态定位性能检定理论及关键技术展开研究工作，设计了基于多节点摄影/惯导组合测量技术的动态定位性能检定系统。围绕如何提高动态定位检定系统的定位性能，对高动态条件下多节点摄影/惯导组合测量方法、摄影测量交会定位性能关键技术等展开了详尽的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴在分析、归纳动态定位检定系统需具备的功能要素基础上，提出了独立于卫星测量方式的北斗卫星导航动态定位检定系统建立方法，采用军用飞机作为动态定位检定载体，完成了北斗导航动态定位检定系统功能模块设计。高动态条件卫星导航系统定位性能检定工作是国际上研究的难点，论文所做工作具有较强的创新性和实践意义。⑵从动态定位检定系统允许事后数据处理及提高组合定位精度角度出发，提出了区别于组合导航滤波算法的多节点摄影/惯导组合测量方法。将多节点摄影信息应用到捷联惯导误差传播模型，利用最小二乘最优估计法统一解算惯导误差参数，使动态定位检定系统在检定节点间内能输出均匀的高定位精度和高数据更新率数据。设计的动态定位检定系统水平定位不确定度优于0.68m、垂直方向定位不确定度优于1m。⑶在分析捷联惯性导航系统误差方程基础上，采用差分代替微分的数值计算方法构建了运动条件下初始误差与各个时刻误差之间的误差传播关系，建立了动态条件下捷联惯导误差传播模型，进行了摄影节点数量和节点分布方案的设计。模拟实际动态定位检定环境，对摄影测量交会定位精度、载体运动速度、不同精度惯性器件等对多节点摄影/惯导组合测量方法性能的影响进行了详细的分析。利用陀螺漂移为0.02°/h级别的捷联惯导系统进行了多节点摄影/惯导半物理仿真试验和车载试验，验证了动态条件下捷联惯导误差传播模型和多节点摄影/惯导组合测量理论的正确性。⑷高动态条件下的多系统时间同步是个难点，论文研究了授时接收机、嵌入式计算机、摄影拍照时刻、捷联惯导系统、待检测接收机之间的时间同步解决方案。受限于摄影相机从控制指令触发到机械快门打开时间延迟的不稳定性，对基于液晶快门实现摄影测量时刻精确记录的方法进行了分析，提出采用光敏感器记录高速闪光时刻实现摄影测量时刻的精确记录的方案。⑸利用捷联惯导姿态数据等条件解决了高动态条件下摄影相机、捷联惯导、待检测接收机位置归心关键问题，对静态车载条件下的动态定位检定系统各系统的位置归心精度进行了验证，通过带自准直系统的全站仪测量光学引北棱镜的基准方向与地理北方向的夹角的方式，实现了捷联惯性导航系统航向归算性能的验证。⑹对高动态条件下面向动态定位检定的摄影测量关键技术进行了细致的研究，解决了哈苏H4D-60相机高精度标校和标志中心对应像点坐标的高精度量测问题。提出了相机投影中心位置精确测定及不依赖编码标志方案的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，提出了图像量测软件椭圆拟合参数自适应设定方法并对相机色差影响进行了分析。⑺设计了机载高动态摄影交会工作主要流程，为验证动态定位检定条件下摄影测量交会所能实现的定位精度，在缩小比例测试场内完成了静态摄影测量交会性能试验，推估在动态定位检定环境下，摄影测量交会方法能够为捷联惯性导航系统提供优于0.5m的位置传递精度。⑻提出的多节点摄影/惯导组合测量方法能够同时实现高精度的测速功能，根据仿真试验、半物理仿真试验和车载试验，在动态定位检定条件下能够实现优于0.67m/s的测速精度，满足北斗卫星导航系统测速精度需求（包含因子K＝3）。设计了动态定位检定系统定位性能验证方案，动态定位性能检定系统还适用于对其它卫星导航系统或其它动态定位技术进行动态定位性能检定工作。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作及研究内容安排

第二章 动态定位检定理论基础

2.1 坐标系统

2.2 时间系统

2.3 卫星导航定位观测方程

2.4 摄影测量基本数学模型

2.5 捷联惯性导航系统基本原理

2.6 本章小结

第三章 北斗动态定位检定系统设计

3.1 北斗动态定位检定系统指标评价及指标确定

3.2 北斗导航动态定位检定系统应具备的功能

3.3 北斗动态定位检定载体及检定技术选择

3.4 北斗导航动态定位检定系统总体框架及功能

3.5 高动态条件下多系统位置归心技术研究

3.6 高动态条件下多系统时间同步技术研究

3.7 本章小结

第四章 面向动态定位检定的摄影测量关键技术研究

4.1 摄影测量设备性能选择

4.2 高分辨率相机高精度标校方法

4.3 标志图像中心像点坐标高精度量测方法

4.4 相机投影中心位置精确测定方法研究与实现

4.5 地面标志数量及构型设计

4.6 本章小结

第五章 摄影测量交会性能验证试验

5.1 机载高动态摄影测量工作流程设计

5.2 两步法摄影物点、像点自动匹配方法研究

5.3 参数自适应的标志图像量测软件设计与实现

5.4 机载试验缩小比例测试场设计与测量

5.5 静态摄影测量后方交会性能验证试验

5.6 本章小结

第六章 多节点摄影/惯导组合测量技术研究

6.1 捷联惯性导航系统误差方程及误差传播模型

6.2 多节点摄影/惯导组合测量方法基本原理

6.3 控制节点的数量及分布方案设计

6.4 多节点摄影/惯导组合测量方法定位性能影响因素

6.5 多节点摄影/惯导组合测量方法半物理仿真试验

6.6 多节点摄影/惯导组合测量方法车载试验

6.7 本章小结

第七章 北斗动态定位检定系统性能验证方案初步设计

7.1 计量学基础

7.2 北斗动态定位性能检定系统性能验证方案设计

7.3 北斗动态定位性能检定系统性能拓展性分析

7.4 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 论文的主要工作总结

8.2 论文的创新点总结

8.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

附 录 缩略语

作者简历