低轨小卫星组网的测绘潜能及其关键技术

低轨小卫星组网是近期国际航天发展的热点,美、英等纷纷开启低轨通信和导航小卫星星座建设,抢占低轨小卫星星座发展的先机。本文聚焦低轨小卫星星座在测绘领域的应用,分析了低轨小卫星星座在地形测绘、导航增强、物理场感知、海洋测高等专业领域的应用优势和应用潜能;提出了低轨小卫星在测绘领域应用需要突破的共性关键技术,以及不同功能测绘卫星平台和载荷需要突破的特有关键技术;描述了低轨小卫星星座在各个测绘领域的未来发展方向。

Schmidt算法在导航卫星自主定轨中的应用

针对现有导航卫星自主定轨采用的等效观测Kalman滤波算法精度难以进一步提升的问题,本文将顾及卫星间状态量协方差信息的Schmidt分布式算法应用于自主定轨,给出了逐观测量处理的Schmidt分布式算法测量更新和时间更新计算公式,提出了采用平方根滤波方法解决Schmidt分布式算法用于星间链路定轨时协方差阵非负定问题。仿真和实测数据自主定轨结果表明,相比等效观测分布式滤波算法,本文方法能够有效提升自主定轨精度。

光轴位置测量数据辅助立体影像无控定位技术

在卫星摄影测量中,相机参数经过在轨标定后,仍有随时间变化的低频误差,在无地面控制点情况下,这类低频误差影响卫星影像的定位精度。基于光学自准直原理的光轴位置测量设备可以在轨实时监测相机参数的变化情况,对于全球实时或准实时影像处理,可以使用该测量数据削弱低频误差对立体影像定位精度的影响。本文基于光轴位置测量设备的工作原理,建立了光轴位置测量数据辅助立体影像定位的模型和算法,并利用高分十四号卫星数据进行了试验验证。试验结果表明,利用光轴位置测量数据辅助立体影像定位,无须频繁地进行相机参数在轨标定,也无须地面控制点支持,即可实现卫星影像高精度定位,且全球范围内影像无地面控制点定位精度基本一致,平面精度约为1.87 m,高程精度约为0.73 m。

附加动能与势能比例系数的跟网型VSC能量函数

针对大扰动下跟网型换流器的暂态稳定分析问题,构造了一种附加动能与势能比例系数的新型能量函数,改善了传统能量函数固有的保守性。根据待定梯度法计算能量函数的形式;以能量函数的正定性作为约束条件,初步确定附加系数的取值范围;根据梯度与微分方程判断能量函数的耗散性,进一步缩小了该范围;分析并对比能量函数的稳定域,提出改善保守性的建议。最后将得出的结论应用于并网换流器的电磁暂态仿真模型中,验证了其有效性。

不同基原藁本药材的质量评价研究

目的采集不同基原的45批藁本药材,通过建立高效液相指纹图谱,结合指纹图谱相似度评价、聚类分析、主成分分析、偏最小二乘判别分析进行不同基原的藁本药材的质量评价,以期达到更全面的药材质量控制。方法按照《中国药典》2020年版藁本项下,采用水分、总灰分测定法、酸不溶性灰分测定法、醇溶性浸出物测定法、含量测定法对45批不同基原藁本药材进行质量评价。同时运用高效液相建立不同基原藁本药材的指纹图谱,并运用中药指纹图谱相似度评价系统对其进行相似度评价,用SPSS软件对其进行显著性差异分析、聚类分析、主成分分析,用SIMCA进行偏最小二乘判别分析。结果不同基原藁本药材水分、灰分、酸不溶性灰分测定结果均符合药典要求。藁本浸出物平均含量为37.59%,辽藁本浸出物平均含量为19.59%,新疆藁本浸出物平均含量为14.75%。藁本中阿魏酸平均含量为0.07%,辽藁本中阿魏酸平均含量为0.09%,新疆藁本中阿魏酸平均含量为0.13%。指纹图谱相似度评价结果为相同基原藁本指纹图谱相似度在0.973~0.999,而辽藁本与藁本之间的相似度为0.612~0.780,新疆藁本与藁本之间的相似度为0.108~0.212。通过聚类分析,藁本与辽藁本较为相似,而新疆藁本差异较大。通过主成分分析进行综合评价,新疆藁本综合得分较高。通过偏最小二乘判别分析,预测香草醛、阿魏酸、藁本内酯可能是不同基原藁本质量产生差异的主要原因。结论不同基原藁本药材在浸出物含量、阿魏酸含量、指纹图谱均存在一定的差异,可为藁本临床用药选择、新药开发、药材质量控制等方面提供依据。

中国大地测量研究进展(2019-2023)

2023年7月11日至2023年7月20日,第28届国际大地测量学和地球物理学联合会(The International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)大会在德国柏林举行。按照IUGG传统,国际大地测量协会中国委员会(CNC-IAG)组织国内十余家单位编写了“中国大地测量国家报告(2019—2023)”,分别总结了2019至2023年4年期间的中国大地测量各分支学科研究进展。本文主要归纳和总结了中国大地测量学科近几年的整体进展,侧重各领域代表性研究进展,主要内容包括基准框架、综合PNT与弹性PNT、重力场与垂直基准、GNSS精密产品、多源传感器组合导航和海洋大地测量6个研究方向。此外,结合国际大地测量及相关交叉学科的发展趋势,对我国大地测量学科未来发展提出了几点建议。

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。

大地测量学科发展现状与趋势

近50年,由于大地测量观测手段的不断进步和应用领域的不断拓展,大地测量学科不断进化,并与其他学科不断交叉与融合。本文首先简述了大地测量学发展的背景和在历史上发挥的主要作用,梳理了大地测量传统学科的形成。进一步,分析了大地测量发展现状,侧重从观测手段的进步描述学科的发展;从应用领域的拓展描述交叉学科的形成;从国家需求和科学发展出发,描述了大地测量学科未来的发展趋势。最后,综合各方面因素,提出了大地测量现阶段学科分类建议,试图为大地测量工作者的科研选题、基金申请提供借鉴。

基于贝叶斯估计的深海GNSS-A定位精度

本文基于贝叶斯估计采用同时估计海底应答器位置和声速水平梯度的策略处理了水深约3 km的GNSS-A观测数据,分别在单应答器模式、多应答器阵列模式下,分析了航迹几何构型、参数初值以及参数估计策略对海底固定应答器和锚系应答器三维定位精度的影响.结果表明:应答器位置后验不确定度与先验不确定度呈正比关系,其比例系数对于单站模式约为0.1,对于多站模式约为0.05;观测时延残差均方差(RMS)在单站模式下约为0.6 ms,多站模式下约为4.5 ms;圆形测线由于测量时间较短,声速水平梯度变化不大,因此同时估计海底应答器位置和声速水平梯度能够获得较高的定位精度;然而,由于井字形航迹的走航时间较长,声速水平梯度变化较大,该估计策略已不再适用,因而精度最低;圆形测线对参数初值先验精度要求较高;当换能器与GNSS天线的臂长先验精度较高时,对于圆形测线,估计该参数并不能显著提升定位精度.

全球导航卫星系统-声呐组合观测模型分类体系

本文回顾了海底大地测量全球导航卫星系统-声呐观测模型近二十年来的发展,以声速误差处理为主线给出了全球导航卫星系统-声呐观测模型的分类体系,按函数模型、随机模型和约束条件进行了归纳,探讨了未来发展方向。研究表明:测距定位模型无需现场声速剖面测量,但需解决声速垂向梯度影响的有效参数化估计或改正问题;海底大地测量更为关注声速时空变化对观测值影响,为此推荐采用声速场误差加性补偿模型及其导出的声速场参数间接估计模型;海底局域网阵列存在类似共模环境误差,具有提升海洋环境参数估计及海底定位精度的能力。

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。

航天测绘发展现状与展望

航天测绘是全球基础测绘的主要手段,包括卫星地形测量、卫星重力测量、卫星磁力测量、卫星测高、卫星海洋测量等。航天测绘工程的发展经历了“返回型测绘卫星”工程、“传输型测绘卫星”工程和部分“集成型测绘卫星”工程。首先梳理了国际卫星测量的发展历史和现状,阐述了我国航天测绘各个阶段所发挥的作用,并分析了存在的问题,最后对航天测绘的未来发展提出了思路。

高分十四号立体测绘卫星无控定位精度初步评估

高分十四号卫星是我国目前测绘精度最高的卫星之一,采用了先进的多载荷一体化对地观测技术,主要用于全球范围内高精度定位和测制1∶10 000比例尺地理信息产品。本文重点介绍高分十四号卫星有效载荷和地面测绘处理系统及其性能,并利用国内外高精度检测场进行了几何性能评估。试验结果表明:单航线无控定位精度境内区域达到平面1.80 m(RMS)、高程0.80 m(RMS),境外区域达到平面1.76 m(RMS)、高程0.82 m(RMS),无控定位精度处于国际已公布的光学摄影测量卫星的最高水平。

海底大地基准点圆走航模式定位模型及分析

圆走航模式是确定海底大地基准点位置的常用测量模式。本文对圆走航模式的定位效能进行了系统分析。首先分析了顾及声速剖面变化规律的声学测距非差定位模型和削弱系统误差影响的历元间差分定位模型,然后分析了圆走航模式下非差、单差定位模型的定位效能,包括位置参数的可估性,不同分量位置精度的最佳测量半径、所达到的理论精度,以及测距误差对定位参数的影响等。理论分析发现,在标准圆走航模式下,为确保基准位置不同分量精度应有不同的最佳测量半径,前后历元差分定位模型对高程分量不可估。模拟数据及实测算例均发现,圆走航模式下差分定位模型虽然削弱了测距系统误差的影响,但同时也降低了设计矩阵几何观测强度,甚至会造成观测模型病态化,导致差分模型深度信息估计精度明显削弱。

GNSS-A直线测量模式及航迹组合优化分析

海底控制点的GNSS-A定位精度受到测量船相对于海底控制点的航迹影响,本文针对圆形测量模式垂向几何结构较弱的问题,给出了一种新的基于嵌套圆的直线测量模式的分析方法,研究了直线测量模式的参数可估性,并给出了直线测量模式得到唯一解的条件.同时,详细分析了圆形测量模式下要增加十字航迹的原因,推导出圆加十字测量模式下获得海底控制点最优三维点位精度的走航半径约为1.15倍水深.理论分析表明,在圆形测量模式下增加直线航迹能够有效增强其几何结构,提升定位效能.此外,针对是否存在唯一的最优航迹进行了思考,并给出了相应的见解.最后,利用深海实测数据验证了理论推导的结果,圆加十字测量模式较圆形测量模式对海底控制点定位的精度提升可达1.4 cm.

集成型与智能型测绘卫星工程发展及其关键技术

航天对地观测已经成为全球对地观测的主要手段。本文简单梳理了国际上现有大地测量类对地观测卫星的概况,侧重分析了我国地形测量类对地观测卫星的贡献和存在的问题,未来对地观测卫星的发展趋势,载荷集成型综合测绘卫星发展的可能性及其面临的主要技术瓶颈。总体认为集成型测绘卫星尽管单星观测效率高,但是整体观测效益不高;分析了微小卫星密集组网型对地观测的可能性及其相应的关键技术,包括载荷模块化设计、卫星小型化设计、卫星最佳组网技术、数据传输技术、卫星在轨弹性调配技术和星上数据快速处理技术等;对未来智能卫星对地观测进行了展望,提出了相应的关键技术,包括星上观测智能识别技术、星间智能传输与星地智能传输技术、星上和地面智能数据处理技术等。此外,卫星的智能避障、运载火箭落点的智能跟踪和智能控制也是航天对地观测需要考虑的发展方向。

泛在感知与航天测绘

泛在感知是智慧地球、智慧城市建设的基础。本文将泛在感知分为主动感知和被动感知,并分析了两类感知信息的特点,前者具有时空基准,并具有规则性、精确性和可靠性,后者通常不具备时间和空间基准支持,且数据零散、杂乱、不精确;论述了泛在感知时空基准的重要性,进而讨论了泛在感知与航天测绘的关系,并梳理了泛在感知与航天测绘融合的关键技术。

北斗三号全球系统空间信号精度评估分析

以精密星历和钟差为基准,对BDS-3广播星历的轨道精度、钟差精度和3类空间信号测距误差(signal-in-space range error,SISRE)精度进行评估。结果表明,BDS-3广播星历的轨道精度明显优于BDS-2同类卫星,其轨道径向RMS精度优于0.18 m,切向和法向RMS精度优于0.6 m;BDS-3广播星历钟差的误差基本小于5 ns,且较BDS-2卫星变化更为平稳,其平均RMS统计精度为1.86 ns,平均95%统计精度为3.23 ns,均优于BDS-2卫星;BDS-3卫星仅受轨道影响的SISRE、全球平均SISRE和最差SISRE的RMS统计精度分别为0.12 m、0.58 m和0.60 m,相应95%统计精度分别为0.22 m、0.99 m和1.02 m,较BDS-2均有明显提升。

北斗三号星座拟稳钟差测定及其预报

北斗三号卫星搭载了Ka波段星间链路载荷,可实现卫星之间的测距与通信。将星座内所有卫星的原子钟视为一个钟组,利用星间双向观测实时测量钟组内部时差,选取部分较为稳定的钟作为基准钟,可以建立星座拟稳原子时,得到各卫星的星座拟稳钟差,再通过少量链路向BDT溯源,即可最终得到卫星相对于BDT的钟差。以星座拟稳时间为观测量进行星载原子钟性能及钟差预报精度分析,可以避免卫星轨道误差对于钟差的影响,得到更加真实可靠的分析结果。试验结果表明:北斗三号星载原子钟,尤其是氢原子钟,具有良好的稳定性,MEO卫星氢原子钟天稳哈达马方差为3.5E-15,IGSO卫星氢原子钟为2.8E-15,铷原子钟为8.2E-15;星座拟稳钟差1 h预报误差RMS约为0.1 ns,可有效分离钟差预报误差和时间溯源误差,使北斗三号空间信号精度达到甚至优于15 cm。显然,星间链路的巨大潜力有待进一步挖掘。

PNT智能服务

定位导航定时(PNT)发展的重要方向是智能PNT服务。智能PNT服务必须首先感知用户PNT服务需求,以及用户所处的相关环境,进而实现多源PNT信息智能集成、观测模型智能优化及多源PNT信息智能融合,最终实现PNT信息的智能推送。本文从PNT智能感知、智能模型、智能数据融合到智能服务各个环节论述“智能PNT”的关键技术,并分析其内涵;提出PNT信息智能集成的“可用性准则”,PNT观测函数模型智能优化的“可靠性准则”,PNT多源观测随机模型优化依据的“不确定性准则”,多源PNT信息融合的“精确性准则”,PNT服务的“高效性准则”及高动态用户的“连续性准则”。分析认为,综合PNT是弹性PNT的基础,弹性PNT是智能PNT的基础,智能PNT是PNT服务的重点发展方向。