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全球定位系统

2020年  第45卷  第6期

理论与方法
基于EKF的北斗B1C信号数据/导频联合跟踪方法
赵琳, 柏亚国, 丁继成, 章小春
2020, 45(6): 1-9. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.001
摘要:
针对北斗B1C信号在低载噪比情况下跟踪精度低的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的北斗B1C信号数据/导频联合跟踪方法.通过构建数据/导频双通道联合跟踪模型,增加对B1C信号利用率,并在联合跟踪模型的基础上引入扩展卡尔曼滤波器,削弱传统跟踪环路中鉴别器和环路滤波器带来的跟踪误差,进一步提高跟踪环路对低载噪比信号的跟踪性能.仿真结果验证:在低载噪比情况下,相比于传统单导频通道跟踪、单导频扩展卡尔曼跟踪和联合跟踪,该方法可以有效提高跟踪精度.
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
丁文, 左勇, 叶小舟, 刘文祥, 孙广富
2020, 45(6): 10-15. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.002
摘要:
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.
一种新的病态问题奇异值修正方法
杨秋伟, 陈华, 周聪, 李翠红
2020, 45(6): 16-20. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.003
摘要:
针对测量平差中的病态最小二乘问题,提出了统一的奇异值修正公式,以此为基础提出一种新的奇异值修正法.所提方法克服了现有方法需要确定奇异值截断阈值或者修正阈值的缺陷,基本没有增加额外的计算量,计算简单快捷精度高. 另外,所提方法普适性强,对方程组系数矩阵的维数和是否满秩没有特殊的要求,可以适用于多种类型平差方程组的求解. 以两个病态方程为例对所提方法进行了数值验证,并将计算结果与最小二乘解和奇异值截断解进行了比较,结果表明,所提方法可以获得精度更高的计算结果.
PPP-RTK模糊度快速固定算法研究
商庆华, 成芳, 沈朋礼, 肖厦
2020, 45(6): 21-26. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.004
摘要:
将网络RTK(NRTK)与精密单点定位(PPP)技术优势融合的PPP-RTK技术,已经成为目前精密定位研究的热点. 本文提出一种将模糊度快速固定的解决方案,优化了PPP-RTK的模糊度固定解的算法,使得模糊度估计可靠性提高. 在实验中,利用国际GNSS服务(IGS)测站的实测数据进行了PPP-RTK定位解算. 结果统计表明:利用该算法对静态数据进行定位处理,其中数据收敛时间达到厘米级需要20 min,其中在平面位置方向的定位精度优于3 cm,在高程方向上的定位精度优于5 cm.
星载加速度计校准对GRACE轨道动力学平滑的影响分析
高松涛, 游为, 范东明, 余彪, 生永赟
2020, 45(6): 27-36. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.005
摘要:
本文分别以美国喷气推进实验室(JPL)发布的GRACE卫星约化动力学轨道和ITSG发布的几何轨道作为观测值,利用动力学法分析星载加速度计校准对轨道平滑结果的影响,弧长固定为24 h.对比结果表明:以ITSG发布2009年5月1日的几何轨道作为观测值的结果可知,偏差参数采用一阶项15 min估计一次、尺度模型为对角填充的策略可以提高轨道平滑的精度,得到的动力学轨道与JPL发布的约化动力学轨道残差在X方向、Y方向和Z方向的均方根(RMS)值分别为1.89 cm、1.76 cm、1.56 cm.
技术与应用
利用高频GPS数据反演地震要素
张环宇, 林吉航, 陈庭
2020, 45(6): 37-45. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.006
摘要:
介绍了利用高频GPS观测数据反演地震要素的原理和方法. 以2019年7月4日和7月6日发生在美国加州里奇克莱斯特的地震为研究对象,首先利用PRIDE PPP-AR软件进行动态精密单点定位解算以获得测站的位移时间序列,然后使用S变换对位移时间序列去噪,再根据去噪后的时间序列提取地震波的振幅与周期,并提出双重3-sigma法则以分别提取地震波的体波和面波到达时,最后据此反演出地震的震中位置、震级以及发震时刻. 根据本文提出的方法反演得到的震中位置与美国地质勘探局(USGS)发布的位置偏差在10 km左右,震级偏差在0.2级左右,发震时刻偏差在20 s以内. 结果表明,利用高频GPS数据可以较为准确地反演出地震要素.
融合对流层模型及其在精密单点定位中的应用
蔡舒, 劳源基, 李孟恒, 覃团发
2020, 45(6): 46-54. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.007
摘要:
受实测气象参数的限制,使用标准大气参数的传统对流层模型的精度并不高;使用参数估计法的精密对流层模型增加了观测方程的待估参数,影响收敛速度. 针对实测气象参数缺失的情况,提出一种融合对流层模型,使用两种非实测气象参数模型分别计算出平均海平面处和测站处的气象参数,再利用Saastamoinen模型经验公式求解天顶对流层延迟(ZTD). 利用RTKLIB软件进行精密单点定位(PPP)实验. 提出的融合对流层模型摆脱了实测气象参数的限制,解算结果表明:使用该模型时,在东、北、天方向的定位精度分别比Saastamoinen模型提高16 mm、1 mm、2.2 mm,比MOPS模型提高13.8 mm、0.7 mm、1.6 mm,比GPT/UNB3m+Sa模型提高2.9 mm、0.4 mm、0.7 mm,在天、北方向的定位精度接近参数估计模型,实现了PPP定位精度的提高.
不同饱和水汽压模型对GNSS反演可降水量的影响分析
李得宴, 杨维芳, 高志钰, 李蓉蓉
2020, 45(6): 55-63. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.008
摘要:
地基全球卫星导航系统(GNSS)水汽反演过程中需要大气加权平均温度Tm的参与,而饱和水汽压Es作为Tm计算过程中的一个重要变量影响着Tm,因此Es将会间接地影响大气可降水量(PWV)的反演精度.针对目前地基GNSS水汽反演研究中普遍采用的三种不同的饱和水汽压模型(Magnus-Tetens模型、BUCK模型、Goff-Gratch模型),本文就不同的饱和水汽压模型参与反演是否会引起水汽反演结果的差异进行了研究.以香港为研究区域,利用GAMIT解算了2016年旱雨两季(2、7月)的天顶湿延迟(ZWD),同时利用king's park探空站的探空数据通过数值积分计算得到旱雨两季(2、7月)的Tm,然后严格参照反演步骤编程模拟计算旱雨两季(2、7月)每天的PWV.最后对比并分析了不同饱和水汽压模型参与计算对TmPWV的影响及原因,结果表明:三种饱和水汽压模型参与计算得到的PWV与真值(探空站计算得到的PWV)之间不存在具有统计意义的显著性差异,因此均可被用来提供计算Tm时所用到的饱和水汽压Es,但是通过对比分析发现部分研究人员将BUCK模型中的变量T当作露点温度而非大气温度进行计算会使Tm产生较大的误差,进而对该误差进行了不合理性分析.本文的分析将会对后续地基GNSS水汽反演研究中的处理提供一定的参考.
不同截止高度角对短基线高程方向精度的影响
叶克东, 熊永良, 徐韶光, 袁铮
2020, 45(6): 64-68. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.009
摘要:
基于2018年美国连续运行参考站(CORS)网,选择长度在11 km左右、测站间高差均不同的4条短基线数据进行实验. 在估计对流层延迟的情况下,通过设置不同的截止高度角进行基线解算,以标准化均方根误差(NRMS)、U分量基线重复性以及基线较差等指标对解算结果进行比较分析. 结果表明:对于测站间高差大于100 m的短基线,截止高度角的选择并不是影响高程方向解算准确性的主要因素;而测站大地高对短基线高程方向解算精度有一定的影响.
Galileo双频/三频SPP定位精度分析
柳浩天, 刘承禹, 赵娟, 吴皓, 程熙
2020, 45(6): 69-73. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.010
摘要:
针对Galileo系统双频与三频组合三频单点定位(SPP)精度分析问题,本文基于MGEX跟踪站Galileo多频实测数据,分析了Galileo系统双频与三频组合SPP定位精度.发现Galileo系统E1/E5a和E1/E5b双频组合SPP定位精度较高,而E5a/E5b和E1/E6双频组合SPP定位精度过差,不适合进行定位,三频SPP定位精度较双频组合有明显提升,XY方向定位精度优于0.8 m,Z方向精度优于2.3 m,可为今后Galileo系统多频组合定位研究提供一定参考.
基于滑动式傅里叶级数的BDS精密星历内插分析
廖怡平, 邓健, 陈润静, 江泽霖
2020, 45(6): 74-79. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.011
摘要:
精密星历的内插是全球卫星导航系统(GNSS)高精度定位数据处理的重要工作之一,其内插的精度也直接影响着定位精度.本文综合滑动式插值理论与傅里叶级数算法,通过采用不同阶数的傅里叶级数和9阶切比雪夫多项式拟合内插北斗卫星导航系统(BDS)中的地球同步轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆轨道(MEO)卫星精密星历,来分析傅里叶级数插值在BDS精密星历内插中的插值效果.实验表明,不同阶数,傅里叶级数内插效果不同.其中,采用3阶傅里叶级数GEO卫星与IGSO卫星精密星历内插精度最高,达到毫米级精度,MEO卫星在采用4阶傅里叶级数时内插精度最高,达到厘米级精度.对比两种不同内插算法,9阶切比雪夫拟合更适用于GEO卫星与IGSO卫星,而MEO卫星使用傅里叶级数插值精度更高.
基于模糊Kalman滤波的港口车辆组合定位方法研究
杨勇生, 迟景成, 姚海庆
2020, 45(6): 80-85. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.012
摘要:
针对北斗卫星导航系统(BDS)/惯性导航系统(INS)组合导航系统在遮挡环境下定位失效这一问题,通过分析组合导航系统中传感器的状态变化对定位精度的影响,设计了一种基于传感器工作状态的模糊逻辑推理系统,并与卡尔曼滤波算法相结合,通过实时调整系统量测噪声方差的方法提高定位精度.在港口环境下的无人车辆上进行了实验,实验表明,提出的方法能有效提高遮挡环境下无人车辆的定位精度,并具有良好的鲁棒性.
华北区域GNSS基准站高程时间序列的非线性变化分析
陈岸, 吴毅江, 林洪栋, 王乐, 苏晓葵, 何顺姬
2020, 45(6): 86-91. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.013
摘要:
基于陆态网络全球卫星导航系统(GNSS)观测成果,采用功率谱分析法和最小二乘方法,以华北地区为例,研究了区域基准站高程时间序列的非线性变化特征,并分析了不同环境负载的影响.结果表明,GNSS基准站高程方向存在显著的周年和半年周期特征,且周年特征要显著于半周年特征.位于不同地区的基准站的振幅和相位存在差异,华北平原南部地区的周年振幅要大于北部地区,整体上华北地区周年变化在秋季时节振幅达到最大.不同环境负载效应对华北GNSS高程位移的影响不一致,利用三种环境负载修正GNSS序列后,水文负载的修正效果最好,非潮汐大气负载次之,非潮汐海洋负载修正结果不理想.
适用于工程测量三、四等水准要求的GNSS水准方法研究
李善军, 刘辉, 苏勇, 段太生
2020, 45(6): 92-99. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.014
摘要:
针对传统水准测量效率不高而全球卫星导航系统(GNSS)静态测量所得大地高又被闲置的问题,给出了提高高程测量精度的方法和相应措施.通过对模型组合的选定,开发了双模型高程异常计算软件.基于三、四等水准测量的技术标准,提出在卫星定位静态测量中相应的观测要求,经过在全国多个不同地方的施工现场验证,实现了卫星静态测量达到三等水准测量的精度.研究实验结果表明:对工程测量中三等及以下的高程控制测量任务,按文中静态测量要求,并运用双模型高程异常计算软件,可以与平面控制测量同时轻松完成.
新技术新方法
结合变化向量分析和直觉模糊聚类的遥感影像变化检测方法
季欣然, 黄亮, 陈朋弟
2020, 45(6): 100-106. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.015
摘要:
针对多时相遥感影像变化检测存在数据不确定性、检测精度不高等问题,提出了一种结合变化向量分析(CVA)和直觉模糊C均值聚类算法(IFCM)的多时相遥感影像变化检测方法. 首先通过CVA构建两个时相遥感影像的差异影像;然后采用直觉模糊C均值聚类算法对差异影像进行聚类得出变化区域和未变化区域;最后对变化检测结果进行二值化处理并进行精度评价. 选取两个时相的高分一号遥感影像和Szada数据集影像作为实验数据. 实验结果表明,采用提出的方法可有效解决传统方法存在的数据不确定性问题,变化检测精度达到了95.92%和92.70%,是一种可行的遥感影像变化检测方法. 研究结果可用于森林动态变化监测、土地复垦利用规划变化分析以及灾损评估.
单基站基于波达角度的刚体位置姿态最大似然估计
姚晓峰, 吴圣兰, 周彪, 庞敏
2020, 45(6): 107-114. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.016
摘要:
针对刚体定位同时估计目标的位置和姿态信息的问题,研究了在三维空间中利用单基站进行刚体定位(RBL)的框架.该框架采用单个基站对安装在刚性目标表面的小规模无线传感器信号的波达方向进行测量,并将其与传感器拓扑信息融合,提出了两种用于RBL的最大似然估计算子.利用改进的高斯-牛顿算法对旋转矩阵和平移向量的最大似然估计算子进行优化估计,解算出了目标物体的三维位置和姿态.仿真结果表明,文中提出的最大似然算子可以接近理论克拉美罗下限,并且在收敛成功率和运算成本方面具有较为出色的性能.
基于Keras平台的LSTM模型的对流层延迟预测
时瑶佳, 吴飞, 朱海, 韩学法
2020, 45(6): 115-122. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2020.06.017
摘要:
对流层延迟是影响全球卫星导航系统(GNSS)测量精度的重要因素. 针对现有对流层延迟模型稳定性差,精度较低等问题,在无实测气象参数条件下,提出一种基于Keras平台的长短期记忆神经网络(LSTM)的对流层延迟预测模型. 选取全球均匀分布的8个测站,使用其2016年第90-131年积日共42 天的整点对流层延迟数据预测其第132-136年积日的整点数据. 以国际GNSS服务(IGS)中心提供的对流层产品为真值,分析比较LSTM模型和反向传播(BP)神经网络模型的预测效果. 研究表明,LSTM模型预测结果的均方根误差基本达到mm级,其平均绝对误差和平均绝对百分比误差均比BP模型低,LSTM模型在精度和稳定性上较BP模型均有明显提高;LSTM模型在中高纬区域的均方根误差(RMSE)均值达到7.82 mm,中高纬地区更适合使用该模型.