全球定位系统

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2021年第46卷第6期

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理论与探讨
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2021 年 6 期目录

2021, 46(6): 1-2.

[摘要](420) [HTML全文] (188) [PDF 1939KB](49)

摘要:

综述

GNSS大气海洋遥感技术研究进展

安豪, 严卫, 杜晓勇, 卞双双

2021, 46(6): 1-10. doi: 10.12265/j.gnss.2021101303

[摘要](600) [HTML全文] (483) [PDF 2364KB](117)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)信号资源的大气海洋遥感技术一直是一个研究热点. 伴随着GNSS系统的建设和发展，相继出现了利用GNSS延迟信号、反射信号、掩星信号、极化信号获取大气和海洋环境参数的一系列新技术新方法. 在回顾GNSS大气海洋遥感技术概况的基础上，先后概述了GNSS延迟信号(GNSS-D)技术、GNSS反射测量(GNSS-R)技术、GNSS无线电掩星(GNSS-RO)技术、GNSS极化掩星(GNSS-PRO)技术的基本原理，比较全面系统地分析了其国内外研究和应用方面的现状及最新进展，特别是新兴GNSS-PRO技术的机理、优势及发展现状. 最后对该研究领域的发展前景进行了一些探讨，相关技术的突破和发展必将在气象、水文、海洋、陆地、空间环境等地球科学领域发挥越来越重要的作用.

理论与探讨

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

方文豪, 孔巧丽, 李长松, 张德志, 张令纲, 王田发

2021, 46(6): 11-15. doi: 10.12265/j.gnss.2021083102

[摘要](303) [HTML全文] (143) [PDF 2513KB](23)

摘要:
采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法，在方程中引入伪随机脉冲参数，从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响，对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明：当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时，Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高，而在高于100阶次时，定轨精度基本稳定，且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外，采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨，解算的轨道精度相当，且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.

傅里叶级数拟合LEO轨道误差下的BDS/GPS/LEO 精密单点定位

李相君, 叶小舟, 刘文祥, 王飞雪

2021, 46(6): 16-24. doi: 10.12265/j.gnss.2021071901

[摘要](574) [HTML全文] (134) [PDF 3933KB](54)

摘要:
针对目前多数低轨道地球卫星(LEO)设计处于初步论证阶段，LEO轨道无法精确获取，轨道误差难以准确表述的问题，提出了一种傅里叶级数拟合LEO轨道误差下的BDS/GPS/LEO 精密单点定位(PPP)分析方法. 该方法根据LEO精密定轨后的轨道误差呈现准周期正弦特性，利用傅里叶级数拟合LEO轨道误差，并仿真生成LEO观测数据和星历产品，分析了LEO轨道误差对BDS/GPS/LEO PPP精度与收敛时间影响. 仿真结果表明：BDS/GPS/LEO PPP定位误差随着LEO轨道误差的增加而逐渐增大，但与测站纬度和LEO星座构型无明显关联. 且为保证全球区域BDS/GPS/LEO PPP收敛时间均短于BDS/GPS PPP收敛时间，引入6×10、12×10、18×10 LEO星座后，其LEO轨道误差均方根(RMS)应小于5 cm、11 cm、12 cm.

基于BDS及InSAR的龙羊峡水电站库区地表形变研究

张永荥, 张生鹏, 贡宝扎西, 李水平, 李亚刚, 省天琛

2021, 46(6): 25-29. doi: 10.12265/j.gnss.2021040802

[摘要](383) [HTML全文] (154) [PDF 2479KB](39)

摘要:
目前北斗卫星导航系统(BDS)、连续运行参考站系统(CORS)和合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术发展迅猛，前景广阔. 但是利用上述技术监测库区形变研究聚焦点是人工建筑，并未验证BDS的可用性，也未融合CORS技术的优势. 针对此问题，结合BDS和CORS高时间分辨率，InSAR高空间分辨率的优势，以龙羊峡库区为研究区域探索合适的结合监测方案. 研究结果表明：龙羊峡库区在研究时期内存在大面积的地表形变区，最大沉降速率52.48 mm/a；最大抬升速率43.60 mm/a；以全球卫星导航系统(GNSS)静态解算成果为参考值进行验证，BDS实时动态(RTK)差分监测成果的精度为7.1 mm，InSAR监测成果的精度为4.4 mm，均满足形变监测的精度要求；采用InSAR进行大面积形变区筛选，再结合CORS利用BDS进行重点区域实时动态差分监测的模式对水库全方位形变监测是可行的.

GNSS调零抗干扰天线的反欺骗性能分析

任彬彬, 倪少杰, 陈飞强, 吴健, 高立朝

2021, 46(6): 30-36. doi: 10.12265/j.gnss.2021070601

[摘要](616) [HTML全文] (172) [PDF 2781KB](62)

摘要:
为分析全球卫星导航系统(GNSS)中存在欺骗干扰的场景下调零抗干扰天线的反欺骗性能，推导出在快拍数有限的情况下，功率倒置(PI)算法利用调零天线处理后输出真实信号和欺骗信号功率的理论公式. 详细分析了欺骗信号到达天线阵口面的功率对真实信号和欺骗信号输出功率的影响，通过欺骗抑制比这一指标来衡量PI自适应调零天线的反欺骗性能. 分析得出：即使欺骗信号功率在噪声水平之下，使用PI算法的自适应调零抗干扰接收机依然能对欺骗干扰进行抑制，在欺骗信噪比高时，抑制效果更加明显. 最后通过仿真和硬件平台实测验证了结论的正确性.

GPS导航电文核心定位参数发展演变分析

常志巧, 辛洁, 时鑫, 黄双临, 邵佳妮

2021, 46(6): 37-43. doi: 10.12265/j.gnss.2021070501

[摘要](522) [HTML全文] (192) [PDF 2232KB](44)

摘要:
文章总结了GPS空间信号接口控制文件的发展历程，对比了现有3种导航电文类型的电文结构及播发方式，详细分析了星历参数、钟差参数及完好性参数等核心定位参数的发展演变特点和改进效果. 结果表明：GPS新型导航电文采用增加核心定位参数和减小量化单位的方法，提高了广播星历和钟差产品的精度. 增加两个参数后，地面星历拟合位置误差均方根(RMS)平均值由0.137 m减小为0.025 m. 为适应高精度星历拟合模型，距离量化单位也减小至毫米量级. 通过减小卫星钟差参数的量化单位，预报1 h钟差误差RMS由0.097 m减小至0.042 m.

5G基站的改进加权质心室内定位算法

闫子春, 王小鹏, 王博辉, 柴海珑

2021, 46(6): 44-48. doi: 10.12265/j.gnss.2021071201

[摘要](473) [HTML全文] (150) [PDF 2700KB](57)

摘要:
针对现有基站室内定位算法参与定位基站选择及权重设置不合理导致定位精度低的问题，提出了5G环境下基于接收信号强度指示(RSSI)进行加权质心室内定位算法. 该算法通过RSSI测距得到5个已知基站到待定位点的距离，以已知基站位置为圆心作圆，针对相交所得的五边形区域，取任意3个顶点组成三角形，并根据不同的基站类型以及与待定位点的距离，设定合适权重计算三角形质心坐标，利用所得的10个三角形质心坐标做最大似然估计(MLE)得到最终定位点. 仿真结果表明：在基站稀疏和密集两种环境下，本算法较经典质心算法和加权质心算法，室内定位精度明显提高.

一种GNSS/视觉观测紧组合导航定位算法研究

冯祎, 涂锐, 韩军强, 张垠, 李芳馨, 洪菊, 张世旋

2021, 46(6): 49-54. doi: 10.12265/j.gnss.2021081001

[摘要](640) [HTML全文] (166) [PDF 2742KB](51)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)在弱信号环境下，GNSS信号易受到遮挡或者电磁干扰，严重影响导航定位的可靠性、连续性和精度. 针对此问题，本文作者研究了一种GNSS和视觉观测紧组合导航定位方法. 首先基于相机采集图像数据，利用ORB-SLAM2开源平台求解得到视觉位置结果增量，再联合GNSS伪距观测数据采用卡尔曼滤波(KF)进行组合定位解算. 采用实测的GNSS伪距观测数据和图像数据进行测试，试验结果表明：该算法不仅能有效地提升GNSS弱信号环境下导航定位的连续性和精度，还能在卫星数少于4颗时保持持续导航定位.

通道特性下时域抗干扰对相关峰的影响分析

李湘豪, 陈飞强, 鲁祖坤, 刘哲, 韩春阳, 欧钢

2021, 46(6): 55-62. doi: 10.12265/j.gnss.2021012902

[摘要](278) [HTML全文] (112) [PDF 3694KB](23)

摘要:
天线、射频前端等模拟器件的非理想通道特性会导致全球卫星导航系统(GNSS)接收机内产生测距偏差，现阶段由传统的抗干扰算法导致的测距偏差已成为高精度测距接收机实现其精度提升的主要障碍. 通过理论推导证明在通道特性理想时，由于抗干扰滤波器系数在迭代下的时变特性以及干扰自相关值的不确定性，仍然会导致相关函数的非对称性；在实际通道特性下，基于单天线的传统时域抗干扰算法会导致原本不对称的相关峰畸变程度进一步恶化，并证明了在实际通道特性下，原本不对称的相关峰畸变程度恶化，是由于传统的抗干扰算法在迭代的过程中产生的不同时刻相关函数的叠加效应导致的.

青藏高原地区MERRA-2水汽产品精度检验分析

江志成, 曹海迪, 石晨阳, 柴香, 张振威

2021, 46(6): 63-67. doi: 10.12265/j.gnss.2021072201

[摘要](420) [HTML全文] (254) [PDF 2416KB](40)

摘要:
MERRA-2是当前最新发布的大气再分析资料，其提供的格网水汽产品具有较高的时空分辨率，但尚无文献对MERRA-2水汽产品在青藏高原地区的适用性予以评价. 因此，亟需开展青藏高原地区MERRA-2水汽产品的适用性分析. 根据MERRA-2格网水汽数据和格网点位势数据，建立了青藏高原地区的水汽垂直剖面函数，并利用水汽垂直剖面函数将格网点水汽值插值计算到临近探空站点或全球卫星导航系统(GNSS)站点上，再利用双线性插值法进行水平方向上的水汽插值计算，进行精度分析. 研究表明：高原地区测站间日均偏差(bias)多数分布在2 mm以内，月均偏差均小于1 mm，MERRA-2水汽产品在高原中部和北部精度较高，南部精度较低.

内蒙古陆态网络坐标时间序列噪声分析及速度场修正

李鑫, 姚德新

2021, 46(6): 68-73. doi: 10.12265/j.gnss.2021070801

[摘要](341) [HTML全文] (99) [PDF 2516KB](13)

摘要:
利用中国地震局全球卫星导航系统(GNSS)数据产品服务平台获取内蒙古自治区境内15个陆态网络连续站2010-06—2021-06的观测数据，通过GAMIT/GLOBK软件、HECTOR软件解算得到去奇异值后的坐标时间序列，最后结合贝叶斯信息量准则(BIC)数值分析确定最优噪声模型：内蒙古自治区坐标时间序列在东(E)方向的最优模型为白噪声+闪烁噪声 (WN+FN)，在北(N)和天顶(U)方向的最优噪声模型为白噪声+幂律噪声(WN+PL). 采用最佳噪声模型对速度场进行修正，在ITRF14框架下，内蒙古地区陆态网络连续站的平均运动速率为30.653 mm/a，运动方向为26°57′51″SEE；垂直方向上平均运动速率为0.792 mm/a.

线状工程GPS高程拟合方法研究

袁晓燕, 石晨阳, 柴香, 曹海迪

2021, 46(6): 74-77. doi: 10.12265/j.gnss.2021053103

[摘要](405) [HTML全文] (160) [PDF 2957KB](27)

摘要:
针对数学模型只适用于特定地形和神经网络模型易陷入局部最优解的特点，提出了最优加权算法，分别利用两种数学模型和两种神经网络模型进行线状工程GPS高程拟合，并将每种模型拟合效果好的单一算法组合成最优加权算法. 结果显示：多项式拟合法优于多面函数法，遗传模拟退火算法优化BP神经网络算法(GSA-BP)优于其他算法，为最优单一算法；加权算法比其单一成员算法精度分别提高17.7%、10.0%，且能基本满足四等水准测量要求，在线状工程GPS高程拟合中具有可行性.

基于RSSI联合算法的二维室内定位系统设计与实现

张良承, 顾留碗, 李晓明, 母晓敏, 杨涛, 汤婕

2021, 46(6): 78-83. doi: 10.12265/j.gnss.2021072901

[摘要](506) [HTML全文] (272) [PDF 3074KB](29)

摘要:
针对位置指纹匹配算法计算量大导致室内定位精度不高的问题，提出了一种基于接收信号强度指示(RSSI)的联合算法. 该算法以K近邻位置指纹匹配算法为基础算法，加入三角定位辅助算法，首先进行三角定位得出参考区域，再进行位置指纹匹配进行精准定位，有效地提高了定位精度. 使用Android Studio基于Java语言开发了一款集Wi-Fi位置指纹采集与在线定位一体化的软件，并在试验场地进行测试.实验结果表明：该算法定位精度在二维平面内达到 1～3 m，较单一算法定位精度有所提高.

病态加权总体最小二乘的广义岭估计解法

翁烨, 邵德盛

2021, 46(6): 84-89. doi: 10.12265/j.gnss.2021061601

[摘要](339) [HTML全文] (157) [PDF 2170KB](26)

摘要:
针对加权情形下的变量误差(EIV)模型，采用广义岭估计法处理总体最小二乘平差的病态性问题. 结合最优化准则和协方差传播率推导了未知参数的改正数求解公式；根据参数估计值的均方误差最小化原理，通过求偏导数列出广义岭估计中岭参数的迭代解式，并讨论了广义岭参数的含义和作用，给出了确定岭参数的L-曲线法. 通过算例比较分析了加权最小二乘估计、总体最小二乘估计、加权最小二乘岭估计、总体最小二乘岭估计、加权最小二乘的广义岭估计和总体最小二乘广义岭估计，叙述了加权总体最小二乘的广义岭估计的优缺点.

基于观测量校正的星载GNSS-R海面风速快速反演方法

谭承旦, 罗瑞丹, 李亚峰, 袁超, 杨光, 田向伟

2021, 46(6): 90-97. doi: 10.12265/j.gnss.2021071402

[摘要](590) [HTML全文] (111) [PDF 3021KB](31)

摘要:
快速反演(FDI)算法是一种典型的星载全球卫星导航反射技术(GNSS-R)海面风速反演方法，具有计算复杂度低、快速实时反演的特点，但是FDI算法中的反演观测量提取精度不高，导致风速反演精度低. 针对于此，提出基于观测量校正的改进FDI算法，用于实现海面风速的快速高精度反演. 该方法首先利用辅助测量信息对观测量进行校正以降低干扰因素的影响，然后基于统计分析方法对ASCAT卫星风速数据进行海面风速值提取，最后建立了海面风速与校正观测量的地球物理模型函数(GMF)关系式，实现对海面风速的反演. 与传统FDI算法相比，该方法的反演偏差值更小，均方根误差(RMSE)降低了29%.

技术报告与应用

多场景下的行人步频自适应检测方法

郭丞, 吴飞, 朱海

2021, 46(6): 98-106. doi: 10.12265/j.gnss.2021062101

[摘要](391) [HTML全文] (287) [PDF 4006KB](42)

摘要:
针对步频检测中容易出现步数过计、错计等问题影响行人航迹推算(PDR)室内定位精度，提出一种自适应步频检测算法. 由于智能手机内置加速度传感器直接采集得到的数据存在大量干扰噪声，提出一种组合滤波去噪方法，即将加速度数据依次通过赫尔指数移动平均法、卡尔曼滤波(KF)和低通滤波的预处理滤波组合去除噪声. 然后在不同场景下，如上下楼、水平地面和不限制步速，经过峰谷值去异、自适应动态阈值、峰谷值成对的检测算法后获取峰谷值个数，实现在多场景和多步态下的准确计步. 实验结果表明：相比峰值检测和动态阈值算法，该方法能有效剔除伪真步数且适应于上下楼场景，综合场景下的实验平均精度达到99.44%.

北斗时空区块链

刘光明, 谢国钧, 沙峰, 成伟

2021, 46(6): 107-111. doi: 10.12265/j.gnss.2021071202

[摘要](560) [HTML全文] (172) [PDF 2233KB](75)

摘要:
简要介绍了区块链技术的工作量证明共识算法. 指出了时空歧义会引起共识分歧，并导致效率降低、算力浪费. 提出了通过北斗短报文服务传输共路信令，可以构造无尺度网络，规避网络异步生态，并在区块链应用方面做了较深入地探讨. 指出了所有分布式的行为都可以应用区块链技术来解决信任问题. 论述了将区块链技术用于现实世界时应该同时保证账本可信、物理可信和时空可信. 提出了北斗卫星导航系统(BDS)的作用不仅能便捷可靠的采集时空标签，而且更深层的意义在于BDS定位、导航和授时(PNT)服务具备时空可信性，具体包括：服务泛在性、基准统一性、时空自洽性、因果必然性和共识同步性. 最后，对北斗时空区块链的具体应用进行了分类和介绍，包括流程全链监管、资源高效共享和任务众创协作.

远海远域移动平台条件下GNSS卫星授时性能评估

朱恩慧, 王治平, 李国俊

2021, 46(6): 112-117. doi: 10.12265/j.gnss.2021080401

[摘要](306) [HTML全文] (125) [PDF 2263KB](24)

摘要:
相较于在陆地静止条件下的卫星授时性能，在远海远域的移动平台条件下更易受到可视卫星条件和空间电磁环境所带来的影响. 在东西伯利亚海域测试点、航行最北测试点、北冰洋返航点、白令海测试点、日本海测试点，利用高性能铯原子钟作为卫星接收机的参考外频标进行授时试验.从授时误差抖动、可视卫星数和频率准确度等方面分析了远海远域动态全球卫星导航系统(GNSS)多系统授时性能，试验结果可作为在北半球重要航道及极地海域测试区域授时性能评估的重要依据. 试验结果表明：所有测试点GNSS平均可视卫星数保持在10颗以上，单向授时时差抖动保持在±20 ns以内，输出频率准确度可达到10⁻¹³量级.

基于GPS-IR的归一化植被指数反演

肖星星, 吕伟才, 仲臣, 曹进进, 李延杰, 张灿

2021, 46(6): 118-124. doi: 10.12265/j.gnss.2021060901

[摘要](351) [HTML全文] (106) [PDF 2757KB](36)

摘要:
针对利用GPS接收机在接收L 波段信号时对周围植被水分含量较为敏感的特性，使用GPS反射信号的变化，进行测站归一化植被指数(NDVI)反演. 利用2个GPS参考站近5年的连续观测数据计算的归一化微波反射指数(NMRI)，构建了反演NDVI的一元线性模型. NMRI整体变化趋势与同时间段内中分辨率成像光谱仪(MODIS) NDVI趋势表现一致，其反演结果相关系数R分别为0.626 53、0.625 73，均方根误差(RMSE)分别为0.051 29和0.055 08，进而使用BP神经网络模型反演相关系数分别提高了2%、6%. 表明GPS干涉反射测量(GPS-IR)反演区域NDVI结果具有较高可靠性. 该研究为获取精确位置、实时连续、高分辨率的 NDVI 提供了一定的理论支撑.

研究通讯

顾及有色噪声影响的青海地区应变场分析

张幸, 魏冠军

2021, 46(6): 125-130. doi: 10.12265/j.gnss.2021061101

[摘要](365) [HTML全文] (81) [PDF 2999KB](20)

摘要:
基于青海地区14个中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)连续站10年的坐标时间序列数据，利用贝叶斯信息准则(BIC)确定各连续站的最优噪声模型，进而得出修正后的水平速度场，并在此基础上建立整体旋转与线性应变模型来分析青海地区的应变特征. 结果表明：青海地区CMONOC连续站坐标时间序列各方向的噪声特性存在较大差异，东(E)、北(N)、天顶(U)方向的最优噪声模型分别为白噪声+幂律噪声(WN+PL)、白噪声+高斯-马尔科夫噪声(WN+GGM)和白噪声+闪烁噪声(WN+FN). 考虑有色噪声(CN)影响青海地区CMONOC连续站基于ITRF2014框架下的平均水平运动速率为39.45 mm/a，运动方向为88°57′58″NEE. 青海地区构造活动相对强烈的东北与西南部分别表现为挤压应变特征和拉张应变特征；从东北向西南，挤压应变逐渐减小，拉张应变逐渐增大，总体表现为挤压应变.