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全球定位系统

2021年  第46卷  第3期

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2021-03期目录
2021, (3): 1-2.
摘要:
2021-03期封二
2021, 46(3): 1-1.
摘要:
2021-03期封三
2021, 46(3): 1-1.
摘要:
理论与探讨
多系统融合单点定位先验和验后定权研究
张哲浩, 潘林
2021, 46(3): 1-6. doi: 10.12265/j.gnss.2021010401
摘要:
针对多模全球卫星导航系统(GNSS)融合伪距单点定位随机模型难以精确构建的问题,在全球范围内选取了10个多GNSS实验跟踪网MGEX(Multi-GNSS Experiment)观测站连续7天的观测数据,将四大GNSS系统的观测值分为五类,比较了高度角模型、用户等效测距误差(UERE)模型及验后Helmert方差分量估计模型的伪距单点定位精度. 结果表明:在四系统融合伪距单点定位时,Helmert方差分量估计模型能提高定位精度,高度角模型定位精度优于UERE模型,其中基于高度角的Helmert方差分量估计模型结果最优.
海洋监测下半潜式无人艇的自适应滑模艏向控制
吴迪, 胡高令, 鲁兴益, 叶杰民, 张丽珍
2021, 46(3): 7-14. doi: 10.12265/j.gnss.2021011501
摘要:
海洋是高质量发展的战略要地,海洋监测则是认识海洋、发展海洋的重要支撑技术. 随着 “一带一路”等海洋强国战略的不断实施,对海洋测量装备提出了更高的要求. 为此,利用全球定位系统/北斗卫星导航系统(GPS/BDS)组合系统和电子罗盘提供高精度位置和艏向信息,并搭载监测器件,将新型半潜式无人艇应用于海洋环境监测. 针对路线巡航中半潜式无人艇模型参数不确定和环境干扰对艏向监测的可靠性和稳定性的影响,结合滑模控制(SMC)的强鲁棒性与自适应控制的高适应性设计了一种自适应滑模控制(ASMC)方法. 理论分析和仿真实验证明,ASMC的可行性和有效性,比传统的比例微分(PD)控制具有更好的适应性和鲁棒性,而且系统瞬态性能和稳定性良好. 将设计的ASMC方法应用于实际监测中,试验结果表明:控制效果稳定,测量数据真实可靠,提高了测量效率.
联合高度角与信噪比的精化随机模型及其对高纬度精密单点定位的影响
吕明慧, 李薇, 张宝成, 柴艳菊
2021, 46(3): 15-23, 53. doi: 10.12265/j.gnss.2020122101
摘要:
利用主成分分析法(PCA)确定了观测噪声中高度角和信噪比(SNR)的贡献,在此基础上建立了精化的全球卫星导航系统(GNSS)随机模型,并验证了基于此随机模型的高纬度测站精密单点定位(PPP)效果. 结果表明:在高纬度地区精化随机模型相比于仅顾及高度角或SNR的传统随机模型效果更佳,定位精度较高度角模型提高约30%,较SNR模型提高约20%. 在高程方向上精度提高最为明显,对比高度角模型和SNR模型分别提高约37%和24%. 该研究对提高高纬度地区GNSS定位精度有一定的参考价值.
基于星载GPS数据的Jason-3卫星简化动力学和运动学法精密定轨
郭恒洋, 郭金运, 杨洲铭, 齐林虎, 赵春梅
2021, 46(3): 24-32. doi: 10.12265/j.gnss.2021022301
摘要:
利用Jason-3星载GPS观测数据,采用简化动力学方法和运动学方法对Jason-3卫星进行精密定轨研究. 通过载波相位残差、重叠轨道对比、参考轨道对比和卫星激光测距(SLR)轨道检核四种方式评定轨道精度. 计算相位残差均方根(RMS)值,简化动力学轨道的RMS值在0.7~0.8 cm,运动学轨道的RMS值在0.50~0.55 cm;简化动力学轨道重叠部分径向RMS值达到0.32 cm,运动学轨道重叠部分径向RMS值达到1.12 cm;与国际DORIS服务(IDS)官方提供的参考轨道对比,简化动力学轨道径向精度达到1.47 cm,运动学轨道径向精度达到4.36 cm;利用SLR观测数据进行核验,简化动力学轨道精度整体优于2.1 cm,运动学轨道精度整体优于3.3 cm. 通过实验证明:Jason-3卫星的简化动力学轨道和运动学轨道的精度均达到cm级.
基于Python设计的TEQC数据质量可视化分析软件
吴家杰, 王挺, 黄尔双
2021, 46(3): 33-38. doi: 10.12265/j.gnss.2021012701
摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)观测数据质量直接影响GNSS定位的准确性与可靠性. 为获取良好的观测数据,用户一般利用由美国卫星导航系统与地壳变形观测研究大学联合体(UNAVCO Facility)开发的TEQC软件进行数据预处理. 由于TEQC是基于DOS系统的命令行软件,存在交互性差、可视化功能薄弱等缺陷. 目前虽有QCVIEW、CF2PS、QC2SKY等第三方绘图工具实现绘图功能,但上述工具已不支持TEQC 2013-03-15以后版本生成的compact3格式结果文件. 因此,利用Python语言,对TEQC的质量检核模块进行可视化设计,编写了一款质量可视化软件TPP(TEQC Plot of Python). 经过软件性能测试分析,该软件能够反映卫星在不同时刻、方位角、高度角的质量检核指标情况.
北斗三号卫星钟差短期预报与稳定性分析
押少帅, 赵兴旺, 胡豪杰, 刘超, 陈健
2021, 46(3): 39-46. doi: 10.12265/j.gnss.2020120703
摘要:
针对北斗三号(BDS-3)卫星钟短期预报问题,在分析卫星原子钟频率稳定性的基础上,选用时间序列模型(ARIMA)、灰色模型(GM)、一次多项式(LP)以及二次多项式(QP)四种钟差预报模型对30天的数据进行拟合预报分析. 实验结果表明:1) 相对于北斗二号(BDS-2),BDS-3原子钟具有更高的稳定性. 其中BDS-3氢钟的千秒稳定性、万秒稳定性和日稳定性分别达到了4.2×10−14、1.89×10−14、4.14×10−15;2) BDS-3氢钟和BDS-3新型铷钟的预报稳定性和精度相对于BDS-2铷钟有明显提高,并且BDS-3氢钟在3 h、6 h和12 h下的预报精度分别达到了0.12 ns、0.18 ns和0.30 ns;3) 在四种模型中,时间序列模型的预报精度最高,在3 h、6 h和12 h下精度分别为0.26 ns、0.47 ns和0.96 ns.
非校正相位延迟参数在复杂铁路场景下GPS精密单点定位应用研究
宋益桥, 林春峰, 赵兵, 郭刚, 郜珂
2021, 46(3): 47-53. doi: 10.12265/j.gnss.2021121002
摘要:
在复杂艰险地区的铁路沿线上全球卫星导航系统(GNSS)基准站相对较少且稀疏,如何获得该场景下测站点的高精度位置信息是亟待解决的重大问题. 论文以GPS系统为例,利用铁路沿线上7个GNSS测站点(14个观测时段)分别开展了卫星跟踪数和位置精度因子(PDOP)评估,观测数据的可靠性、高精度性验证以及固定解精密单点定位(PPP)技术研究. 试验结果表明:1) 在所有时间段内卫星平均跟踪数约分布在5.14~9.07颗,PDOP平均值约分布在2.19~5.72 cm,具有较高地定位可用性;2) 模糊度固定的PPP可进一步改善铁路环境下的单点定位精度. 当观测时间约为90 min时,其在水平方向和高程方向上可分别实现优于10 cm和15 cm的解算精度,且相对于浮点解,三维方向上的定位精度可提升约35.43%. 该研究可为复杂铁路场景下的勘测和施工阶段提供高精度的测站位置信息.
改进Sage-Husa算法在飞机组合导航中的应用
孙淑光, 温启新
2021, 46(3): 54-60. doi: 10.12265/j.gnss.2021012401
摘要:
针对机载组合导航系统,考虑不同飞行阶段的气压高度,提出一种改进的Sage-Husa自适应滤波算法,以提高组合导航系统定位精度. 该算法通过引入气压高度,实时计算并修正滤波异常判定的调节因子,以满足飞机不同飞行阶段的滤波需求. 通过捷联式惯性导航系统(SINS)、全球卫星导航系统(GNSS)定位误差特性仿真、卡尔曼滤波组合算法仿真、以及改进的Sage-Husa自适应滤波算法仿真,并对相关结果进行比较验证. 仿真结果表明,改进Sage-Husa自适应滤波可以提高滤波的自适应性,降低组合导航系统定位误差,取得较好的效果.
一种优化的对流层天顶延迟融合模型FZTD
全雪贞, 张洁, 宋秀容, 杨彬
2021, 46(3): 61-65. doi: 10.12265/j.gnss.2020120701
摘要:
对流层延迟是影响全球卫星导航系统(GNSS)定位精度的主要误差源之一,模型修正法是目前削弱对流层延迟影响的主要方法. 以简单易用的角度为切入点,综合UNB3模型的简易性和GPT2w模型的高精度特点,构建一种简易且精度较高的对流层天顶延迟融合模型(FZTD). 并利用多年的国际GNSS服务(IGS) 对流层天顶延迟(ZTD)数据对该模型精度进行了验证. 结果表明FZTD模型的均方根(RMS)与平均偏差(bias)值分别为4.4 cm和−0.3 cm,均小于传统模型UNB3m(RMS:5.1 cm,bias:1.1 cm)和EGNOS(RMS:5.1 cm,bias:0.3 cm),定位精度提高了14%,而且在南半球提高尤为明显,特别在南极地区,精度提高了近3倍,弥补了传统模型在南北半球精度差异大的不足. 新模型总气象参数仅为120个比GPT2w模型急剧减少,与传统模型相当,为GNSS实时导航定位终端的预定义对流层延迟改正提供了更优的选择.
BDS/GNSS融合精密单点定位性能分析
尹海博, 郭杭, 罗孝文
2021, 46(3): 66-71. doi: 10.12265/j.gnss.2020121501
摘要:
随着北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网成功,基于BDS的应用研究正在如火如荼的进行中,尤其是包括BDS在内的多频多模融合定位正成为研究的重点. 利用MGEX (Multi-GNSS Experiment)多个测站的BDS、GPS、GLONASS、Galileo观测数据,基于RTKLIB开源代码,在Visual Studio 2017平台上进行了BDS/GPS、BDS/GLONASS、BDS/Galileo三种组合系统的精密单点定位(PPP)实验,从静态PPP、动态PPP、可见卫星数、精度衰减因子(DOP)等方面对比分析了三种组合系统的定位性能. 实验结果表明:BDS/GPS组合系统的可见卫星数最多,各DOP值最小,静态PPP收敛后三个方向的精度优于6 cm. 不论是静态PPP还是动态PPP,其定位性能都最好;BDS/GLONASS、BDS/Galileo组合系统动态PPP的定位抖动较大,可见卫星数都要小于BDS/GPS组合系统,收敛时间较长,两者的动态PPP定位性能也差于BDS/GPS组合系统.
技术与应用
基于SoC的导航接收机闭环跟踪环路设计与实现
薛志芹, 刘坤, 李立广
2021, 46(3): 72-77, 103. doi: 10.12265/j.gnss.2020121402
摘要:
在传统基于FPGA+DSP架构的导航接收机中,跟踪模块处于开环处理模式,存在实时性和可靠性差的问题,同时现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和数字信号处理(DSP)之间大量的数据通信导致了IO资源和功耗的增加. 基于片上系统(SoC)架构提出了一种卫星导航接收机的闭环跟踪环路方案,整个跟踪处理过程在FPGA内实现了完整的闭环处理,有效地解决了开环跟踪存在的问题,极大地减少了FPGA与CPU之间的数据通信量. 此外,所有跟踪通道通过时、分复用的方式共用一个跟踪环路处理模块,有效节约了硬件资源,降低了成本,为小型化、低功耗卫星导航芯片的设计与发展奠定了基础.
北斗/超宽带组合定位的室内外过渡区无缝链接方法
蔡逸豪, 王潜心, 朱美国, 陈臣, 胡永峰
2021, 46(3): 78-84. doi: 10.12265/j.gnss.2021021901
摘要:
室内外无缝导航定位是万物互联之基石,具有广阔的市场前景和应用价值. 但目前对于室内外过渡区的无缝组合导航技术,仍存在诸多棘手问题亟待解决. 对此,从三个方面对BDS/UWB组合定位的室内外无缝链接方法进行了改进:一是提出了一种基于内引法和外引法的室内信标绝对定位方法,以解决室内外定位结果的坐标基准统一问题;二是提出了一种基于位置精度因子(PDOP)平稳变化的室内信标优化布局方案,以提高过渡区域的导航定位精度与信标可用性;三是提出引入自适应权重因子,来解决BDS/UWB组合定位的观测值合理定权问题. 通过具体实验验证:1) 利用基于内引法和外引法的室内信标绝对定位方法,可实现室内外坐标基准的统一,显著提高了用户使用的便捷性;2) 采用所提信标优化布局方案,可有效提高过渡区定位精度,相比无超宽带(UWB)信标,BDS/UWB组合定位的平均定位精度至少提高 355%;3) 自适应权重因子可实时调节不同时间、不同类型观测值的权比,增强了观测信息利用效率,相比北斗卫星导航系统(BDS)空旷区域,定位精度可至少提高22.5%.
陆基增强系统与仪表着陆系统的空间对准
倪育德, 张振楠
2021, 46(3): 85-93. doi: 10.12265/j.gnss.2021011101
摘要:
陆基增强系统(GBAS)与仪表着陆系统(ILS)输出的导航信息基准不同,若要利用数据融合技术实现二者的联合共用,首要问题就是对不同的导航信息进行空间对准. 本文作者研究了GBAS与ILS的偏移指示方式,详细推导了GBAS与ILS的空间对准算法,开发了X-Plane飞行数据交互分析系统. 利用该系统从X-Plane中采集飞行数据,对所给空间对准算法进行仿真验证. 仿真结果表明,所提出的空间对准算法能有效将GBAS与ILS的导航信息转换到统一基准之下,可为GBAS与ILS的数据融合研究提供必要的理论支持.
一种基于高斯和滤波的蓝牙信标室内定位算法
严志
2021, 46(3): 94-98. doi: 10.12265/j.gnss.2020110602
摘要:
高精度的室内定位是物联网中基于位置服务应用的基础. 低功耗蓝牙信标的接收信号强度指标(RSSI)可用于室内定位. 为此,提出基于高斯和滤波的蓝牙信标室内定位(GSF-IL)算法. GSF-IL算法考虑到室内环境信号的多径衰落以及波动,利用高斯和滤波(GSF)算法处理RSSI测量值,使RSSI值具有非高斯特性,并利用瓦瑟斯坦距离(WD)将GSF模型的分量数降至单高斯分量. 仿真结果表明:提出的GSF-IL算法实现对原始RSSI值的修正作用,并利用了定位精度.
非组合模型下Galileo双频与三频短基线解算精度分析
徐亚楠, 刘舜
2021, 46(3): 99-103. doi: 10.12265/j.gnss.2021010801
摘要:
Galileo系统是当前常用的定位系统之一,本文作者利用自编软件进行了一种非组合模型下Galileo系统双频与三频短基线解算试验. 经研究发现:对于9 km短基线,非组合模型下Galileo双频短基线解算水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm,三频组合解算精度较双频有明显提升,水平精度优于3 cm,高程精度优于4 cm.
BDS-3/GPS在遮挡环境下定位性能分析
杨毅, 胡洪, 解雪峰, 田香勇
2021, 46(3): 104-110. doi: 10.12265/j.gnss.2020120301
摘要:
针对在全球卫星导航系统(GNSS)信号易遮挡地区,单一系统可见卫星数较少,定位性能不理想甚至难以满足定位需求的问题,分析北斗三号(BDS-3)在不同区域遮挡环境下对定位性能的改善. 通过全球不同区域MGEX(Multi-GNSS Experiment)监测站的观测数据,采用GPS、BDS-3、BDS-3/GPS组合定位三种模式,在不同模拟遮挡环境下进行伪距单点定位,分析了各模式下可见卫星颗数、历元利用率、几何精度衰减因子(GDOP)值和定位精度. 结果表明:在北半球区域,相较于其他方向遮挡,GPS模式在低纬度地区南面遮挡的定位稳定性和精度最高,在中高纬度地区北面遮挡的定位稳定性和精度最高,BDS-3和BDS-3/GPS组合模式在低纬度地区各方向遮挡定位精度相当,在中纬度和中高纬度地区,北面遮挡的精度明显优于其他方向遮挡的定位精度. BDS-3/GPS组合定位模式,大大增加了可见卫星颗数,历元利用率提高,卫星空间几何结构改善,GDOP值降低,稳定性和定位精度明显优于单系统.
北斗卫星导航系统在一体化智能安全头盔中的应用
曹宇, 唐小波, 宋育泽, 王宁, 鲁洪江
2021, 46(3): 111-115. doi: 10.12265/j.gnss.2021011402
摘要:
随着自动化仪器越来越普及,工程现场应用的智能化安全头盔,已经为国内外用户所重视. 为加快一体化智能安全头盔的商业化生产步伐,本文作者设计了一套基于北斗卫星导航系统(BDS)一体化智能安全头盔的操作人员工作环境监测与安全评估系统. 通过获取一氧化碳(CO)浓度、温度、湿度等所处环境的实际情况,实现操作人员工作状况的目标定位和监测数据传输,实现控制台对操作人员工作环境实时安全评估、轨迹追踪及灾害预警功能.
基于某卫星导航接收机的硬件抽象层SCA标准符合性测试设计
罗文
2021, 46(3): 116-122. doi: 10.12265/j.gnss.2020121702
摘要:
针对卫星导航信号波形在不同硬件平台上的可移植性问题,在系统中引入Modem硬件抽象层(MHAL)后,实现了不同计算单元上组件间管理的统一性和通信的标准化. 为了便于测试MHAL的标准符合性[1],防止不同研制单位研制出互相不兼容的软件通信体系结构(SCA)通信设备,现以某卫星导航接收机为例说明具体硬件平台的MHAL测试方法,设计了一组测试用例集. 通过采用公共对象请求代理体系结构(CORBA)中间件TAO (The ACE ORB)和软件功能动态配置法,该测试用例集可屏蔽被测设备之间的差异,提高测试用例的通用性、兼容性、测试效率. 用户只需在PC端一键操作即可完成自动化测试. 结果表明:该测试用例集可以验证MHAL实现数据传输的能力、满足SCA标准的符合性程度和用户需求.