全球定位系统

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2022年第47卷第1期

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2022 年 1 期目录

2022, 47(1).

[摘要](246) [HTML全文] (273) [PDF 1540KB](55)

摘要:

理论与探讨

基于预平均处理的导航信号捕获技术

赵丙风, 章林锋, 孙寿浩

2022, 47(1): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021061602

[摘要](393) [HTML全文] (172) [PDF 2723KB](69)

摘要:
针对传统导航信号捕获算法资源消耗大、多普勒分辨率低的问题，提出了一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法. 该方法将经过预平均处理后的导航中频信号和本地信号主码存入相应存储器，然后经变系数匹配滤波器完成相关累加，再经快速傅里叶变换(FFT)频率估计器完成数据的频谱分析，最后利用验证模块对FFT输出结果的最大值进行二次验证，完成捕获检测. 所提方法在达到相同积分时间的同时节省了50%硬件资源，能够提高捕获多普勒分辨率以提高转跟踪成功率，通过软件灵活配置可以实现多系统多频点全球卫星导航系统(GNSS)信号的兼容处理.

北斗三号B1频点信号软模拟源设计

贾晓辉, 克兢, 王雪, 张志敏

2022, 47(1): 9-17. doi: 10.12265/j.gnss.2021082001

[摘要](591) [HTML全文] (270) [PDF 8991KB](72)

摘要:
通过对全球卫星导航系统(GNSS)完整信号流程的精密仿真，建立合理的卫星信号数学模型，产生多种环境下的中频信号，能够为GNSS服务性能评估提供良好的仿真和测试平台，对导航信号各层结构模块化处理并优化算法. 导航电文模块结合轨道仿真软件外推轨道参数，保证了电文参数的真实有效性. 数据采用分段产生信号再校验叠加的方式，保证了信号多层结构的对齐叠加，保证了信号码和载波的相位的连续性，保证了在产生高采样率、长时长信号时模拟源的稳定性. 采用软件接收机分析信号验证了信号模拟源的有效性.

顾及控制点空间分布的坐标转换模型研究

贺俊凯, 徐东升, 王明远, 李明峰

2022, 47(1): 18-22. doi: 10.12265/j.gnss.2021120204

[摘要](408) [HTML全文] (131) [PDF 2162KB](19)

摘要:
针对目前坐标转换中公共点选取缺乏依据、坐标转换精度难以保证的问题，研究了基于控制点空间分布的坐标转换模型. 提出了控制点均匀度的概念，研究了控制点均匀度和密度的表达方法，分析了公共点均匀度和密度对坐标转换模型精度的影响，构建了顾及控制点空间分布的坐标转换模型，探讨了地方坐标系与CGCS2000的坐标转换流程，并结合实例验证了该模型的有效性.

基于速度信息约束的智能终端分米级定位

匡野

2022, 47(1): 23-29. doi: 10.12265/j.gnss.2021102103

[摘要](536) [HTML全文] (173) [PDF 2840KB](55)

摘要:
随着位置服务的发展，人们对定位精度的需求不断提升，目前智能手机定位精度仅为米级. 2016年谷歌宣布允许开发者获取手机全球卫星导航系统(GNSS)原始观测数据，为研究手机GNSS高精度定位算法提供了支持. 由于智能手机获取的伪距噪声较大，单纯利用伪距进行单点定位或伪距差分定位精度有限，很难达到较高精度. 为此在对数据质量进行控制的基础上，利用智能终端输出的数据求解速度，作为初始解对坐标进行约束，并对测速的精度进行分析，组合伪距与载波进行差分定位. 实验结果表明：测速精度约为10 cm/s，满足作为初始解参与解算的定位要求. 静态仿动态测试结果收敛后平面精度为0.35 m，高程精度为0.59 m，动态测试结果平面精度为0.87 m，高程精度为1.09 m，总体定位结果可达分米级别.

基于空间电离层环境层析成像测量仪的地震电离层扰动监测系统设计

张宇, 祝芙英, 杨剑, 王兰炜, 张兴国

2022, 47(1): 30-35. doi: 10.12265/j.gnss.2021081002

[摘要](328) [HTML全文] (118) [PDF 5650KB](26)

摘要:
为了更好地开展地震电离层扰动监测和异常信息提取研究，基于空间电离层环境层析成像测量仪研制了地震电离层扰动监测系统，包括小区域监测站网和监测软件系统. 该监测系统产出空间分辨率1°×1°的电离层总电子含量(TEC)、F2层最大电子密度(N_mF₂)和F2层峰值电子密度对应高度(h_mF₂)二维分布图，对扰动异常超过10%的事件进行报警提示. 实现了空间电离层层析成像测量仪在地震电离层监测领域的示范应用，并为其进一步推广应用提供了技术基础.

基于SLAM/UWB的室内融合定位算法研究

周韦, 孙宪坤, 吴飞

2022, 47(1): 36-42. doi: 10.12265/j.gnss.2021081802

[摘要](831) [HTML全文] (340) [PDF 2980KB](110)

摘要:
精确且稳定的自主定位是移动机器人在室内环境下实现自主导航的前提，针对室内定位中视觉即时定位与地图构建(SLAM)存在的累计误差以及环境因素导致超宽带(UWB)定位精度下降的问题，提出一种基于SLAM/UWB的室内融合定位算法. 首先该算法以扩展卡尔曼滤波(EKF)为基础，将UWB的全局定位坐标和视觉SLAM位移增量进行融合，但考虑到测量噪声易受复杂环境影响，引入阈值检测和自适应测量噪声估计器，以抑制异常值和时变测量噪声对滤波器性能的影响，最后使用智能移动小车在不同的室内场地下进行实验. 实验表明：该算法优于单一的UWB或者视觉SLAM定位方式，并且在复杂室内环境下比传统EKF算法拥有更稳定的定位效果.

库区GNSS-R精细化反演水面高度及其验证研究

桑文刚, 刘迎春, 何秀凤, 王昭然

2022, 47(1): 43-48. doi: 10.12265/j.gnss.2021062501

[摘要](501) [HTML全文] (157) [PDF 2686KB](49)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)反射测量技术的出现，为高时空分辨率水位监测提供了一种新的解决方案. 尤其在我国，大中型大坝、库岸高边坡大多建立了GNSS变形监测系统，为全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术监测水位提供了不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源. 以GPS 信噪比(SNR)数据为观测量，详细推导了卫星反射信号反演水面高度的原理，重点分析了精细化提取可用反演卫星及其有效时段的方法，并在此基础上完成趋势项去除及Lomb-Scargle频谱分析，给出完整的反演水面高度的数据处理流程. 通过济南市卧虎山水库坝体及泄洪闸两处位置进行实测，将反演的水位高度与实测的水位进行对比分析. 结果表明：两不同测站的反演精度均达到厘米级，满足水位监测需求. 也充分验证了利用大坝和库区已建立的GNSS变形监测系统开展GNSS-R水位监测的可行性及可靠性.

融合GNSS ZTD和气象要素的内蒙古土壤水含量模型

娄泽生, 杨晶, 吴亮, 孙玉梅

2022, 47(1): 49-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021090802

[摘要](287) [HTML全文] (127) [PDF 3248KB](21)

摘要:
土壤水含量是农牧业衡量干旱的重要指标，对气候生态具有重要影响，土壤水的变化趋势对于区域的水土流失和气候变化研究等工作具有重要意义，而我国对于土壤水含量的监测起步较晚，因此有必要利用其他已有数据开展土壤水含量模型研究. 利用内蒙古已有全球导航卫星系统(GNSS)天顶对流层延迟(ZTD)数据和湿度、日照以及蒸发量数据进行土壤水含量反演模型研究. 首先将各要素与土壤水含量进行相关性分析，因土壤水含量与GNSS ZTD数据均存在观测噪声，所以应对数据进行去噪处理. 利用小波变换方法剔除噪声，去噪后土壤水含量数据与各要素相关性均有所提高，土壤水含量与湿度相关性最好，两者各实验点的平均相关性为0.645；土壤水含量与日照和蒸发量呈负相关，其平均相关性分别为−0.561、−0.547；而土壤水含量与GNSS ZTD数据相关性最小，其平均相关性为0.271. 根据各要素与土壤水含量的相关性，进行土壤水含量模型构建并进行可靠性验证. 经验证误差统计发现：实验区域NMWJ站模型精度最高，其精度为90.1%；HLAR站点模型精度最低，其精度为69.1%；各站点的平均精度为81.35%. 基于多变量要素的土壤水含量模型可为土壤水含量的趋势变化研究提供参考，通过研究土壤水含量的变化趋势，对区域进行水资源的合理分配利用从而达到节约水资源目的.

iGMAS多品牌监测接收机数据质量分析

滕月昊, 贾小林, 雷盼荣, 周平, 曹创

2022, 47(1): 59-67. doi: 10.12265/j.gnss.2021083104

[摘要](420) [HTML全文] (132) [PDF 3511KB](37)

摘要:
为了验证全球卫星导航系统(GNSS)接收机研制状态，全面确认全球连续监测评估系统(iGMAS)监测站接收机性能，为后续GNSS接收机数据的质量评定做出贡献. 基于iGMAS多品牌接收机比测实验，通过对多个品牌监测接收机多系统不同频点观测数据质量(完整率、多路径、周跳比、观测噪声)及零基线相对定位精度进行统计分析，综合评估了接收机工作性能及其观测数据的质量. 结果显示：iGMAS监测站接收机数据质量及其性能满足相应标准；数据完整率和多路径方面，国内品牌接收机与国外水平接收机基本相当；在周跳比、伪距和载波相位噪声及零基线相对定位精度方面，国产监测接收机明显优于国外监测接收机.

三种GNSS高程时序降噪方法的效果对比分析

范小猛, 胡川, 张重阳, 李成洪

2022, 47(1): 68-73. doi: 10.12265/j.gnss.2021090701

[摘要](465) [HTML全文] (178) [PDF 2509KB](34)

摘要:
为了探究经验模态分解(EMD)、整体经验模态分解(EEMD)和小波降噪三种方法的降噪性能，以中国区6个国际GNSS服务(IGS)站高程分量的5 a、10 a和20 a时序数据为例，对它们的降噪结果进行比较分析. 首先利用线性拟合分离趋势项，并采用3σ准则剔除异常值，得到满足符合降噪要求的样本序列；然后分别用这三种方法分离样本序列中的噪声，得到降噪后的序列；最后以信噪比(SNR)、相关系数、均方根误差(RMSE)为评价指标比较分析它们的降噪性能. 实验结果表明：1)当坐标时间序列质量较差时，EEMD和小波降噪可以很好的分离噪声；2)对于5 a和10 a时序数据，小波降噪的效果最好；对于20 a时序数据，EEMD和小波降噪效果接近，优于EMD；3)小波降噪抑制有色噪声的能力最佳.

不同解算策略对GPS坐标序列噪声模型建立及速度影响

付杰, 聂启祥, 贺小星, 陈红康, 郇常敏

2022, 47(1): 74-79. doi: 10.12265/j.gnss.2021091501

[摘要](445) [HTML全文] (145) [PDF 2392KB](22)

摘要:
解算策略选择与GPS站速度及参数模型估计密切相关，本文选取陆态网下121个GPS基准站2011—2019年时间序列作为研究对象，采用赤池信息量准则/贝叶斯信息量准则(AIC/BIC)最优噪声模型评价准则，探讨GAMIT、Bernese及二者联合解算策略(Comb)对GPS坐标序列噪声模型和速度估计的影响. 结果表明：不同的解算策略会对GPS站参数估计结果产生一定的影响，在最优噪声模型估计上，GAMIT和Comb解算结果主要表现为闪烁噪声+白噪声(FN+WN)和幂律噪声 (PL)+WN模型特性，Bernese解算结果在东(E)、北(N)方向表现为FN+WN模型特性，天顶(U)方向则为PL+WN模型特性；解算策略对于速度及速度不确定度的影响，在U方向上会更为显著.

高速铁路平面控制网更新方法的研究与应用

袁达

2022, 47(1): 80-85. doi: 10.12265/j.gnss.2021080901

[摘要](341) [HTML全文] (160) [PDF 1931KB](19)

摘要:
针对运营期高速铁路基础平面控制网(CPI)存在连续多个点位更新，造成高铁线上加密CPII也随之大量更新的问题，提出了一种基于稳定的CPI、加密线路平面控制网(CPII)为约束点更新CPI点问题的新方法. 工程应用表明提出的新方法在更新补设的CPI点能更好的与运营期高铁现状相符，并能降低高铁路线上加密CPII的更新率. 通过与传统方法进行比对，结果表明：提出的新方法在计算加密CPII时更新率时降低了7.3%，验证了该算法在运营高铁加密CPII更新计算时具有较大的应用价值.

改正通道延迟的GLONASS/BDS组合伪距定位

罗元, 苏本磊

2022, 47(1): 86-92. doi: 10.12265/j.gnss.2021101307

[摘要](551) [HTML全文] (269) [PDF 2706KB](48)

摘要:
由于俄罗斯的GLONASS卫星间频率存在差异，测站硬件延迟误差无法被接收机钟差参数吸收，提出为每颗卫星估计一个通道延迟改正参数的方法，以提升GLONASS/BDS组合伪距定位精度. 实验表明：加入通道延迟改正能有效降低GLONASS定位误差，改正后东(E)、北(N)、天顶(U)方向误差的均方根(RMS)值分别减小了0.43 m、0.69 m、0.73 m，并且改正效果长期有效. 在测站北斗卫星导航系统(BDS)观测效果有限时，GLONASS/BDS双系统组合伪距定位较BDS单系统性能更佳，改正通道延迟后，能进一步提升双系统定位性能，改正后E、N、U方向的误差RMS值分别减小了0.37 m、0.28 m、0.5 m.

CORS基站在低空无人机PPK技术处理中的应用研究

周烽松, 楚彬, 曾翔强

2022, 47(1): 93-97. doi: 10.12265/j.gnss.2021091701

[摘要](566) [HTML全文] (214) [PDF 2468KB](27)

摘要:
传统无人机应用动态后处理 (PPK)技术时需要临时架设地面基站，增加外业工作负担. 以大疆精灵4 实时动态定位(RTK) 无人机为研究对象，利用不同距离连续运行参考站(CORS)基站、地面基站的数据参与无人机PPK技术，并与无人机RTK处理成果进行对比分析. 结果表明：CORS基站相关成果受距离影响明显，离实验区域近时，其精度略低于实验区架设基站和无人机RTK模式获取的成果，可以满足1∶1 000比例尺测图要求. 该成果对降低外业工作强度和减少外业工作流程有着一定的意义.

技术报告与应用

一种基于机器学习算法的区域/单站ZTD组合预测模型

杨旭, 何祥祥, 王媛媛, 谭福临, 陈雄川

2022, 47(1): 98-102. doi: 10.12265/j.gnss.2021072902

[摘要](440) [HTML全文] (183) [PDF 2167KB](40)

摘要:
针对天顶对流层总延迟(ZTD)具有一定的时空变化特性，提出了一种基于BP神经网络、长短期记忆网络(LSTM)算法的区域/单站ZTD组合预测模型. 以连续14天香港连续运行参考站(CORS)网络18个监测站观测数据为例，利用BP神经网络、LSTM及本文算法进行了区域、单站及二者组合ZTD预测模型研究. HKWS测站的预测结果表明：利用前13天数据预报第14天数据，区域、单站、组合模型ZTD预测的均方根误差（RMSE）分别为10.2 mm、10.4 mm、8.5 mm，组合模型相对于区域、单站模型预测精度分别提升了17.2%、18.4%.

利用轨迹数据提取城市居民出行时空分布特征

陈伟亮, 杜久升

2022, 47(1): 103-110. doi: 10.12265/j.gnss.2021081602

[摘要](528) [HTML全文] (279) [PDF 3261KB](61)

摘要:
介绍了利用出租车轨迹数据提取城市居民出行时空分布特征的过程，包括利用数理统计的方法对出租车上下客事件基于时间进行特征分析；给出了一种融合核密度估计(KDE)与兴趣点(POI)分类的密度聚类算法，实现了出租车上下客热点区域的挖掘以及居民出行活动规律与城市功能区之间关系的发现. 研究表明：居民的出行活动特征在“工-休”日之间以及不同时段之间都表现出明显的差异，并且这种差异性与城市功能区的分布有着密切的联系.

LGO解算南方静态数据的天线高改正研究

戴伟

2022, 47(1): 111-114. doi: 10.12265/j.gnss.2021072601

[摘要](480) [HTML全文] (278) [PDF 2140KB](35)

摘要:
智慧城市建设需要城市基础点位的准确坐标，往往采用与当地的连续运行参考站系统(CORS)联测方式进行静态解算. 通常采用徕卡LGO数据处理软件进行静态解算，而LGO软件有时无法识别南方测绘公司生产的全球卫星导航系统(GNSS)接收机的天线类型，使用LGO解算该设备获得的静态观测数据时会遇到天线未定义的情况，从而导致天线高错误，影响基线解算和网平差的精度，使高程出错. 本文作者分析了天线未定义问题出现的原因，总结了天线高误差对GNSS静态定位精度的影响. 在此基础上，提出了正确获取天线高的建议和思路，为类似问题的解决提供了参考.

综述

我国常用地心坐标系的现状与发展

刘光明, 胡煜, 沙峰, 谢国钧, 成伟

2022, 47(1): 115-120. doi: 10.12265/j.gnss.2021082701

[摘要](601) [HTML全文] (669) [PDF 1943KB](112)

摘要:
针对我国常用地心坐标系CGCS2000、北斗坐标系(BDCS)和WGS-84坐标系的现状，对三种坐标系之前的联系与区别进行了辨析，指出了各自存在的问题与局限性，并参考国外经验，对我国的CGCS2000坐标系和BDCS坐标系的进一步发展提出了建议. CTRF2000建立至今已超过20年，不具备现势性，更适用于要求统一性和稳定性的二维坐标应用场景，因此，应持续进行维持，进行定期更新. 我国已有上万个连续运行参考站(CORS)，有条件也有必要建立我国境内的准实时参考框架，用于更高精度的三维坐标应用场景. 长期以来，习惯于把全球导航卫星系统(GNSS)测得的坐标都叫作WGS-84坐标系. 在生产实践中应重点关心地心坐标的三要素：精度、历元和框架. BDCS坐标系与WGS-84坐标系没有本质区别，借鉴美国地理空间情报局(NGA)的做法，对BDCS坐标系地基和天基参考框架的概念进行扩展，使BDCS坐标系同时具备全球性、现势性和精准性. 概念扩展后的BDCS参考框架的作用相当于“WGS-84+IGS”. 在数字地球、3S集成、智慧城市等应用中，可采用CGCS2000和BDCS坐标系双基准服务. 以CGCS2000为基础底图的基准，在高精度应用中使用扩展后的BDCS坐标系基准，可兼顾标准性和现势性，并满足全球化和精准化需求.

美国军用卫星导航用户装备发展现状及趋势

刘栋梁, 陆静, 郑紫霞, 张嵩

2022, 47(1): 121-126. doi: 10.12265/j.gnss.2021071401

[摘要](300) [HTML全文] (263) [PDF 2234KB](69)

摘要:
以美国军用卫星导航用户装备为主，对美国的GPS第一代、第二代、第三代典型用户装备现状进行分析，在此基础上总结了GPS用户装备的发展特点，并提出了GPS用户装备的发展趋势，为我国卫星导航终端设备的研制提供了一定的参考价值.