综合PNT应用服务体系:概念框架、技术路线与应用展望

综合定位、导航与授时(positioning,navigation and timing,PNT)体系是我国数字化经济社会运行发展的重要支撑,以北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)为核心的综合PNT应用服务是我国未来时空信息领域技术与产业的发展重点.本文首先定义了“按需弹性可伸缩综合PNT应用服务体系”概念,提出了“一体白盒(软件定义节点)+统一网络(弹性可伸缩系统)+网信场图(智能运管服务)+智能博弈(复杂任务决策)”的应用服务框架,设计了“固基、强网、增效”的综合PNT应用服务技术路线,给出了“公网+专网+机动网”的综合PNT应用服务模式,并对应用前景进行了展望.未来以“北斗+低轨+5G+伪卫星+位置大数据”为核心的综合时空应用服务体系将为多层次、多领域用户提供北斗室内外泛在空间云端协同的精准位置服务,助力全社会数字化转型.

北斗室内外无缝导航定位体系与冬奥应用示范

近年来在学术界和企业界的共同努力下,室内定位领域取得了一系列重要进展,但是仍然存在技术体系不完备、标准不统一等问题。本文提出了一种通用普适的北斗室内外无缝定位体系架构,制定了实现该架构的技术发展路线以及相关关键技术,介绍了基于该体系架构下的北斗室内外无缝定位系统在北京2022冬奥会上的应用情况,最后对未来技术发展进行了分析与展望。

基于改进YOLOv5木板材表面缺陷的定量识别

【目的】为解决人工及传统数字图像处理方法对木板材表面缺陷识别效果差、效率低等问题,提高木材利用率。以深度学习模型为基础,构建木板材表面缺陷检测系统,旨在拓展深度学习模型在木板材缺陷检测领域的应用。【方法】基于“Wood Defect Database”公开数据集中的839张木板材缺陷图像,使用Imgaug数据增强库对数据集进行扩充;通过在主干特征网络部分引入SE注意力机制,使用focus、FPN+PAN结构构建YOLOv5木板材表面缺陷目标检测框架,进而采用迁移学习思想改进训练方式,将训练过程分为两个阶段(冻结阶段和解冻阶段)。然后将构建的模型与当前主流深度学习目标检测模型进行对比,最后利用混淆矩阵、Loss值变化曲线、模型大小、检测时间以及均值平均精确率等指标评价模型。【结果】提出了一种基于YOLOv5模型对木板材表面缺陷中活节、死节、裂缝、孔洞的检测方法。模型对死节、活节、裂缝、孔洞识别结果的均值平均精确率分别约为98.66%、99.06%、98.10%和96.53%,并与当前主流检测模型进行比较,改进的模型具有更好的精确率、召回率和均值平均精确率,分别为97.48%、96.53%和98.22%。模型单幅图像平均检测时间为10.3 ms,最大检测耗时20.5 ms,检测效果与泛化特性较好,模型所占内存仅13.7 MB,易于移植。【结论】实验表明改进的YOLOv5模型可用于检测木板材表面主要缺陷。且模型对木板材表面缺陷的识别效果优于其他5种主流检测模型。在维持原有检测精度的基础上,提高了小目标缺陷的识别能力,减少了木板材缺陷漏检的情况,实现了在复杂场景下的快速检测。

广义阻尼LAMBDA方法及其在长基线实时定位中的应用

在长基线实时定位中,相邻观测值之间具有强相关性导致法方程出现病态,此时载波相位整周模糊度难以快速固定.针对这一问题,在传统阻尼最小二乘模糊度降相关平差(leastsquares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)方法基础上,提出了广义阻尼LAMBDA方法,并推导出载波相位模糊度的单历元解表达式.该方法利用了坐标和载波相位模糊度的先验信息,在改善法方程病态性的同时也提高了浮点模糊度的解算精度,有助于整周模糊度的快速固定.采用两条长基线(266 km和456 km)实测数据进行验证,改进后的方法相比于传统方法,载波相位模糊度固定率提高了28.8%;当放大因子c=0时,广义阻尼LAMBDA方法与传统阻尼LAMBDA方法等价.选择澳大利亚连续运行参考站系统(continuous operation reference system,CORS)网中四条长基线实时数据流进行测试,实验结果表明:在基线长度小于1 000 km的多系统实时定位中可以获得水平优于0.02 m,高程优于0.04 m定位精度.基于广义阻尼LAMBDA方法在长基线实时定位中具有一定的应用参考价值.

基于多传感器信息融合的障碍物感知追踪系统设计

自动驾驶系统是指采用先进的通信、计算机、网络和控制技术,对车辆实现实时、连续控制。自动驾驶研究领域中,对车身周围障碍物的感知追踪是自动驾驶车辆安全行驶的基础和前提。因此,重点研究了基于激光雷达、IMU、北斗卫星信号多源信息融合的障碍物感知与追踪系统。利用激光雷达提供的三维点云数据划分最大最小高度差栅格实现自动驾驶车辆周围的障碍物感知功能。基于激光雷达点云的障碍物感知算法中,针对特殊的悬空类型障碍物,采用高度划分的点云栅格中的点云概率密度作为悬空障碍物是否能够通行的判断依据,能够有效提升障碍物感知系统的鲁棒性。利用IMU和北斗卫星信号紧耦合方式实现自动驾驶车辆的轨迹跟踪,从而利用车辆运动状态信息结合匈牙利匹配算法实现多传感器信息融合的障碍物追踪功能。在基于多传感器信息融合的障碍物感知追踪系统中,利用IMU和北斗卫星紧耦合方式得到的转移矩阵信息去除由于车辆运动造成的激光雷达点云畸变,从而提升车辆障碍物感知追踪系统的准确度。通过实际采集得到的激光雷达、IMU及北斗卫星数据验证了提出的基于多传感器信息融合的障碍物感知追踪系统的有效性和实用性。

GNSS/INS组合导航系统测试技术研究

在GNSS/INS组合导航系统开发过程中以及设备研制完成后,需要对系统各项性能指标进行试验验证,由于涉及到位置、速度、姿态以及时间多个测量信息,又分为静态、动态等多种应用场景,测量精度高、测试难度大,如何有效地评估组合导航系统在实际应用中的精度是一大难题。根据GNSS/INS组合导航系统的特点和已有的测试方法和测试条件,设计了多层次的测试方案,可以支撑GNSS/INS组合导航系统全方位的测试验证,降低系统设计开发难度,提高验证效率,降低系统开发成本,并对系统性能进行了充分测试。

高精度位置服务终端技术与应用

国外位置服务系统建设的巨大成功,催生了国内位置服务(Location Based Service,LBS)产业的发展热潮,进而影响了位置服务终端的技术革新。位置服务终端作为用户最直接感受到的服务承载平台,面向不同需求的人群提供愈发精细化的服务。在高精度位置服务终端硬件平台基础上,针对亚米级定位性能和位置服务需求,论述了单频精密单点定位技术、地图技术与位置服务网络,开展终端应用示范活动,验证了其具有提供高精度位置信息以及实时位置服务的能力。

车载自主导航系统里程计误差在线标定方法

本文针对车载自主导航系统存在的里程计安装误差和标度因数误差影响其导航精度的问题,提出一种车载自主导航系统里程计误差在线标定方法。将里程计航位推算的位置信息与惯性导航系统解算的位置信息之差作为组合导航滤波器的量测更新数据,同时将里程计的航位推算位置误差、安装误差角、标度因数误差列入传统的组合导航滤波器状态量中并进行实时估计,实现对里程计误差的在线标定。车载试验表明,在线标定方法与设定已知路标点的传统里程计标定方法对比,安装误差角标定误差在0.006°以内,标度因数误差标定误差在0.04%以内。使用在线标定的参数进行自主导航精度测试,针对陀螺漂移为0.01°/h的高精度光纤惯性导航系统,自主导航精度在0.1%D以内,满足车载自主导航系统导航精度的要求。

GNSS拒止环境下的伪卫星指纹定位方法

伪卫星具有发射与天上卫星相同信号的能力,可以作为GNSS(Global Navigation Satellite System)信号遮挡环境下稳定可靠的定位信号源,使得基于现有终端硬件条件实现室外内连续高精度定位成为可能,因此逐渐成为室内定位领域的研究热点.本文提出了一种基于同源多通道伪卫星的指纹库匹配定位方法,利用顾及位置信息的变分自编码网络(Variational Auto-Encoder,VAE)学习伪卫星载波相位信息在隐含空间下的概率分布特征,建立伪卫星观测数据隐含特征与室内位置间的映射关系,进而实现GNSS拒止环境下的指纹匹配定位.针对指纹定位结果波动大的问题,本文提出一种粒子滤波融合处理方法,提高了定位系统的稳定性和定位精度.本文在试验环境以及机场环境下,通过大量试验验证了该定位算法在动态和静态下的定位性能,并与常用的基于指纹库匹配的定位方法进行了比较.结果表明,在室内试验环境下,动态平均定位精度为0.39 m,95%的定位误差小于0.85 m,在真实机场环境下,动态平均定位精度为0.75 m,最大定位误差为1.69 m,92%的定位误差小于1 m,验证了算法的有效性.

基于伪卫星与微惯导组合的室内定位终端设计

伪卫星定位是室内定位的一种有效手段,然而常规定位终端是基于GNSS与微惯导传感器的。针对该问题,提出了基于北斗伪卫星与微惯导传感器的室内组合定位终端,通过内置北斗伪卫星定位IP软核,能够实现北斗卫星信号的接收和解析,微惯导传感器安装在脚步,感知行人运动状态,二者数据经蓝牙传输到终端软件完成数据融合。同时终端软件叠加高精度室内地图,支持位置的实时可视化显示。

室内行人自主定位算法的研究

室内定位与导航在军事单兵系统、消防定位和大型场馆引导领域都拥有非常大的需求。由于GNSS导航在复杂的室内环境下会出现衰减、多径等问题,因此针对行人的基于低成本MEMS惯性传感器的行人航位推算(Personal Deadreckoning,PDR)导航系统成为该领域的研究热点。以捷联惯性导航原理为基础,设计了室内行人自主定位算法并实现了该算法实时地解算行人位置,该系统模块佩戴于行人脚部,可以完成在室内环境中行人所在位置的实时定位。实验结果表明,该室内行人自主定位算法的精度在行进距离的1%以内,达到了室内定位功能的要求。

北斗伪卫星室内外无缝亚米级定位技术:实现北斗泛在空间覆盖,助力科技冬奥位置服务

瞄准室内外无缝定位重大需求,历经八年攻关,中国电科五十四所卫星导航系统与装备技术国家重点实验室项目团队突破了室内复杂环境定位误差控制、阵列式伪卫星室内亚米级定位、多尺度空间弹性可伸缩组网、室内定位IP软核与芯片适配等关键技术,研制了完全自主可控的北斗伪卫星室内外连续定位系统,形成了国内首款多形态北斗伪卫星微基站、基于北斗信号的室内外一体化定位微终端(时空盒)等核心装备,建立了我国首套室内定位系统团体标准及北斗伪卫星信号格式工程标准,国际上首次实现了大型体育场馆大规模亚米级定位服务,成功应用于2022北京冬奥会古杨树场馆群,填补了北斗进入室内提供高精度定位空白,为北斗系统泛在覆盖提供了重要技术支撑。