学生获奖,比老师获奖意义更深远!——武汉大学卫星导航技术研究中心的大学生创新创业科技实践

随着大众创业万众创新的蓬勃发展,大学生作为我国人才队伍的中坚力量,国家高度重视大学生的创新创业工作,不断加强政策引导,要求各全国高校将创新创业教育贯穿人才培养全过程,坚持理论与实践相结合,组织学生参加各类创新创业竞赛、创业模拟等实践活动,着力培养学生创新精神、创业意识和创新创业能力。

卫星导航定位技术教学和人才培养探讨

随着全球卫星导航系统,包括我国BDS系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟的Galileo系统的迅猛发展,GNSS系统服务模式已从传统的导航定位服务迈向高精度、实时、可靠、多样化的服务。在此背景下,卫星导航定位技术本科教育和专业人才培养面临着诸多挑战。急需将卫星导航定位技术明确定位为一门独立的应用学科而非交叉学科,解决缺乏专业教材、本科培养方案滞后于最新的技术等问题,以进一步提高北斗专业性人才的培养质量。

武汉大学卫星定位学科的发展轨迹

武汉大学卫星导航定位技术研究团队始建于1998年1月,以原武汉测绘科技大学卫星导航定位研发团队为基础组建发展而来。长期以来,团队立足于卫星定位导航及相关领域的基础理论方法研究、新技术的推广应用,是国际上具有重要影响力的卫星导航领域研发与创新研究力量。团队以刘经南院士为学术带头人。

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心(Wuhan University,WHU)正式成为新的国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)电离层联合分析中心(Ionosphere Associate Analysis Center,IAAC).本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来(2016年1月到2018年9月,太阳活动低年)的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs(CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS)进行了比较分析.结果表明:WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.

广播式远程精密水下导航定位技术

面向水下定位、导航与授时服务需求,针对水下声学位置服务范围小、用户容量小、目标易暴露、环境适应性差的问题,本文提出了广播式远程精密水声导航定位理论方法和时空服务框架,研究了信号体制、基站位置与时钟自标校、广域声速场建模等关键技术,分析了基站立体组网优化设计、同步观测和数据处理等关键问题,提出了基站自主定位和时间同步解决方案。针对复杂多变的海洋声速场这一主要误差源,构建了附加声速场时变参数的函数模型和考虑声速变化特性的随机模型,提出了融合海洋物理机理的改正数建模和增强位置服务方法,以期提升水下PNT服务性能。

融合TOA/AOD的5G/SINS紧组合导航定位算法分析

针对5G定位和捷联惯性导航单一定位方式的可靠性和定位精度较差的问题,本文以扩展卡尔曼滤波为基础,提出了融合5G信号到达时间和信号离开角的5G/SINS紧组合导航算法。该算法首先利用惯性传感器输出信息解算用户的位置、速度和姿态,在此基础上利用已知的基站坐标反算出一组虚拟的5G观测值,然后使用该观测值和实际的5G测量值建立统一的观测方程进行滤波解算。仿真试验结果表明,5G/SINS紧组合的定位成功率可达99%以上,且能够有效改善惯导航位推算的发散问题,其定位精度相比单纯的5G定位有了大幅提高,相比5G/SINS松组合受基站数量和基站几何分布的影响较小。融合TOA/AOD的5G/SINS紧组合导航的定位结果有超过99%的历元在3 m以内。在5G观测值中存在系统误差时,5G/SINS紧组合的定位表现优于5G定位和5G/SINS松组合导航。

北斗三号导航定位技术体制与服务性能

介绍了北斗三号系统的星座设计、服务类型、导航信号体制、时空基准以及轨道确定与时间同步机制等技术体制,分析提出了评估北斗三号导航定位服务性能的指标体系,指标涵盖时空基准、空间信号质量、空间信号精度和服务性能4个方面,综合利用全球数据资源对北斗三号基本系统的导航定位服务性能进行了评估。结果显示,各信号分量有效功率比偏差优于0.25dB,S曲线过零点偏差(SCB)优于0.3ns,满足设计要求;北斗三号基本系统当前全球位置精度因子(PDOP)可用性优于85.0%,空间信号测距误差0.48m(RMS),空间信号连续性99.99%,空间信号可用性99.78%,UTC偏差误差优于19.1ns(95%),均满足系统服务性能规范承诺的指标。相对于北斗二号而言,北斗三号在覆盖能力、空间信号精度、空间信号可用性、空间信号连续性等方面均有显著提升。

GNSS/MEMS IMU车载组合导航中IMU比例因子误差的影响分析

从系统状态模型出发,分析比例因子误差对组合导航精度和计算量的影响,同时基于车载运动的特点分析比例因子误差的观测性,提出一种仅保留航向陀螺仪和水平加速度计比例因子误差的降维状态模型。实验结果表明,当比例因子误差大于6×10^(-3)时,增广比例因子误差有助于提高导航精度,但计算量增加约170%;降维模型能够达到高维模型的导航精度,与不增广比例因子误差相比,计算量仅增加约70%。

北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估:定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短报文通信与国际搜救

本文给出了北斗三号全球导航卫星系统定位导航授时、星基增强、精密单点定位、区域短报文通信、全球短报文通信和国际搜救共6类服务的测试评估方法,并利用实测数据对各类服务的核心指标进行了评估。结果表明,定位导航授时服务方面,空间信号测距误差0.23 m(RMS),空间信号可用性99.44%,空间信号连续性99.99%,PDOP可用性100%,B1C信号全球定位精度水平方向1.31 m、垂直方向2.13 m(95%),B1C信号全球定位可用性99.93%,B1C信号授时精度14.7 ns(95%);星基增强服务方面,定位精度水平方向1.03 m、垂直方向2.60 m(95%)、具有垂直引导能力的一类进近(APV-I)可用性100%;精密单点定位服务方面,定位精度水平方向0.17 m(95%)、垂直方向0.22 m(95%)、平均收敛时间9 min;区域短报文通信服务成功率99.6%,服务容量1530万次/h(上行)、935万次/h(下行);全球短报文通信服务成功率96.46%,服务容量40万次/h(上行)、21万次/h(下行);国际搜救服务方面,搜救信号接收成功率98.3%(发射功率37 dBm)。

湖北省连续运行卫星定位服务系统建设及关键技术

主要阐述了湖北省连续运行卫星定位服务系统的系统组成、建设过程,同时对系统的测试结果、特点及关键性技术进行了说明,表明该系统完全达到和超过设计要求;最后,介绍了建成后的系统所能提供的技术服务及其未来的应用发展方向。

卫星导航定位基准站网的发展现状、机遇与挑战

卫星导航定位基准站网不仅是提供国家、区域、全球高精度时空基准的重要基础设施,也是导航与位置服务、精密卫星定轨、地质灾害监测等工程和科学研究的重要支撑。当前,随着基准站网规模的不断增加、观测数据的不断积累以及我国北斗系统的逐步建成,无论在卫星导航定位数据处理理论还是应用方面,基准站网的发展面临着不少机遇与挑战。本文首先给出了基准站网的定义和类别,并描述了功能与意义;然后分析了其发展的历史与现状;最后从基准站网的建立、数据处理理论与方法、应用三方面讨论了所面临的机遇与挑战,并给出了一些建议和想法。

两种电离层模型对卫星导航定位精度的影响分析

北斗卫星导航系统及全球定位系统等全球卫星导航系统电磁波信号在大气中传播会受到电离层延迟的影响,为满足导航用户需求,我国北斗卫星导航系统和美国全球定位系统均采用Klobuchar 8参数模型进行电离层延迟改正。但是全球定位系统Klobuchar模型和北斗卫星导航系统Klobuchar模型的电离层参数并不相同,分析不同导航系统发布的电离层参数精度对这两种双模导航定位中电离层参数的选择具有重要的研究意义。分别采用北斗卫星导航系统和全球定位系统电离层模型进行伪距单点定位,通过比较最终的定位精度从而对这两种不同模型在全球范围内的改正精度进行评价。研究结果表明:在中国区域内,采用北斗卫星导航系统模型的伪距单点定位精度较全球定位系统模型有较大提高;采用北斗卫星导航系统电离层参数更利于中国区域的全球卫星导航系统的导航定位。

Bancroft算法在多卫星导航定位系统解算中的推广应用

提出了一种改进的Bancroft算法运用于组合双系统SPP解算。为检验新算法的解算精度,选取2013年2月采集于武汉大学实验大楼楼顶的GPS/BD双频双模接收机实测数据进行解算。实验结果表明改进的Bancroft算法与传统的最小二乘算法的解算精度相当,其解算效率与最小二乘算法相比提高了22%,从而验证了改进的Bancroft算法在组合双系统SPP解算中的可行性及优越性。

因子图框架下里程计辅助GNSS/INS组合导航算法

在复杂观测环境下,GNSS/INS组合导航系统的GNSS信号易受干扰从而导致INS独立导航精度迅速下降。针对上述问题,本文基于因子图的里程计辅助GNSS/INS组合导航算法,利用里程计观测信息结合非完整性约束构建航向速度约束方程,同时采用能多次线性化计算和多次迭代的因子图优化方法进行参数估计。实际车载试验解算结果表明,在GNSS信号良好时,基于因子图方法比滤波方法具有更快的收敛时间,收敛速度提高了近10倍;在GNSS信号发生中断时,添加里程计辅助后组合导航系统在东向和北向分别提升了83%和89%。与传统的滤波融合手段相比,本文采用因子图优化后在东向和北向的定位精度分别有63%、70%的改善。

融合全景SLAM与目标识别的无人机自主飞行技术

无人机自主飞行可以使无人机更好地应对复杂的环境和任务,降低操作成本和飞行风险,对环境做出及时响应,实现更高效、安全、广泛的应用,在民用和军事领域都能发挥重要作用,为多个领域赋能。全景相机具有360°的全方位视角,获取的环境信息更加完善,相较于单目相机更有优势。为了实现无人机的自主飞行,基于全景相机进行同时定位与建图,利用SPHORB算子进行特征提取和匹配,从而获取无人机的位姿数据的同时对周围环境建图,获取环境信息。利用YOLOv5算法进行目标识别,获取目标地物在相机坐标系中位置,为无人机自主靠近/远离目标提供信息基础,使无人机具备更加强大的环境感知能力,有利于无人机避障飞行,更好地规划飞行路径,实现自主飞行。

一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法

针对在地心地固(ECEF)坐标系下基于右不变误差的卡尔曼滤波在GNSS/SINS组合导航中,因位置矢量数值较大导致系统线性误差运动学矩阵和观测矩阵不稳定进而降低滤波器性能的问题,提出一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法。首先在世界坐标系中构建导航状态和考虑地球自转的运动学方程。然后在世界坐标系下定义矩阵李群上的右不变误差,该误差在右群作用下保持不变,并重新推导和设计基于该误差的矩阵李群滤波算法,根据GNSS观测构建世界坐标系下的观测矩阵。实验结果表明,在低精度惯导场景中相对于ECEF坐标系下的传统扩展卡尔曼滤波,所提算法的北向、东向、地向位置误差均方根分别减小了82.6%、61.8%和10.6%,具有一定的实用价值。

地影期间卫星姿态四元数产品对北斗精密单点定位的影响分析

与分析中心保持一致的卫星姿态模型是精密单点定位(PPP)获得高精度定位的关键因素。本文基于武汉大学分析中心(WUM)提供的卫星姿态四元数产品,详细阐述了利用卫星姿态四元数计算偏航角的方法。针对卫星在太阳高度角较低的情况,分析了WUM对BDS-2/BDS-3所采用的姿态模型策略,并基于开源定位软件GAMP深入研究了不同的卫星姿态模型策略对BDS-2/BDS-3 PPP定位的影响。研究表明,在深地影时期,不一致的姿态模型会导致偏航角出现360°的差异,进而使相位缠绕和卫星天线相位中心改正出现分米级的偏差。在此期间,使用卫星姿态四元数产品,与名义姿态相比PPP的定位精度在东、北和天顶方向能分别提高约32%、29%和38%;相较于剔除姿态异常卫星策略(剔除远日点和近日点的卫星),PPP的定位精度在3个方向分别能提高约29%、25%和28%。因此,PPP用户应采用各分析中心提供的卫星姿态四元数产品进行天线相位中心改正(PCO)和相位缠绕改正,避免使用不一致的姿态模型导致PPP定位结果的可靠性降低。

接收机端天线相位中心标定及其对北斗导航卫星精密定轨的影响

实现并给出了基于自动机器人的TRM57971.00/NONE和TRM59800.00/NONE两类天线在GPS L1和L2以及北斗B1I和B2I频点的相位中心改正,并将两者相位中心改正结果进行了比较和分析。在此基础上,利用2016年4月9日到2016年5月8日共30天配有以上两类天线的约31个IGS MGEX测站数据,在是否考虑接收机端北斗频点相位中心偏差以及偏差和变化的条件下确定了3类北斗卫星精密轨道。结果表明考虑接收机天线北斗频点相位中心改正能够有效改善北斗IGSO和MEO卫星重叠轨道差异,但是考虑相位中心偏差以及变化的轨道改善幅度与仅考虑相位中心偏差相当。具体而言,考虑接收机端北斗频点相位中心改正后北斗IGSO卫星轨道在切向、法向、径向的重叠轨道差异分别改善了63.1 mm、21.5 mm和6.7 mm;MEO卫星轨道重叠精度则在切向、径向和法向分别改善了217.1 mm、75.8 mm和23.3 mm。同时北斗单系统精密单点定位相对于单GPS系统精密单点定位结果在高程方向的一致性可以提高约10.0 mm。

基于MEMS IMU的GNSS RTK/INS紧组合定位分析

本文针对复杂动态的城市环境自动驾驶规模化应用需求,提出惯性单元辅助RTK快速收敛的自动驾驶低成本、高精度定位方法。使用MEMS IMU M39和战术级IMU Pos320,通过对多组实测车载数据进行仿真中断,得到INS位置漂移误差、模糊度收敛时间、模糊度固定正确性指标,再对无惯导辅助、M39辅助模糊度固定和Pos320辅助3种情形下的模糊度固定时间和定位精度进行了统计和分析。结果表明,M39在GNSS中断5 s时可辅助RTK实现模糊度瞬时固定,中断时间为10 s时可以将RTK模糊度收敛时间压缩至1/4。MEMS IMU的加入使得RTK模糊度固定错误个数显著下降,10 cm以内高精度定位占比由62.25%提高至98.44%。试验验证了MEMS IMU辅助RTK能够加快模糊度收敛速度,提高了其在自动驾驶导航定位应用中的精度和可靠性。

无人机技术在精准林业中的应用与挑战

森林是陆地生态系统的主体和国家生态安全的保障。随着信息化技术的发展,无人机作为智能化装备的代表,在森林精准调查、设计和管理等方面发挥了关键作用。近年来,随着精准林业的发展以及无人机技术的应用,如何有效协同无人机技术和林业发展需求,实现森林质量精准提升和可持续发展,成为林业研究的重点和热点问题。该文从林业无人机系统及关键技术、研究现状、应用进展以及挑战等方面对近年无人机技术在精准林业中的应用进行阐述,重点探讨了无人机技术在森林资源调查监测、病虫害预警、火灾防控、林业植保、林业管理与执法等方面的应用,并分析了无人机技术在精准林业中面临的机遇和挑战,以期为无人机技术助力精准林业发展提供有益参考。