全球定位系统

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2022年第47卷第5期

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综述
理论与探讨
技术报告与应用

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2022 年 5 期目录

2022, 47(5): 1-2.

[摘要](153) [HTML全文] (68) [PDF 1911KB](44)

摘要:

综述

导航通信探测一体化信号设计探究

王腾飞, 姚铮, 陆明泉

2022, 47(5): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2022112

[摘要](396) [HTML全文] (113) [PDF 2098KB](77)

摘要:
随着现代社会从信息化时代向智能化时代发展，导航通信探测信号的数量急剧增长，指标要求也日益提高，在有限的频谱资源、设备重量、体积与功耗约束下，人们对资源共享多功能一体化信号的需求愈发迫切. 如何通过灵活的信号设计实现资源高效利用和功能动态调整，是该领域当前亟待解决的难题. 本文首先提出了基于“积木单元”思想的信号设计框架，将信号表征为信号矢量和波形基函数的形式，选择基函数的系数组合重构信号矢量，就可以等价地表示对应的信号设计，从而将波形域的信号优化设计转换为信号空间的矢量优化问题. 进一步，分析了传统的信号评估方法，在所提的一体化信号设计框架下推导了导航、通信、探测信号度量准则. 最后，提出了一体化信号度量准则，为信号设计提供了可解释、可量化的优化目标，并讨论了一体化信号设计需要考虑的部分约束，包括能量约束、电磁频谱约束、峰均比等.

理论与探讨

顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法

贺备, 蔡昌盛, 潘林, 蔡成林

2022, 47(5): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2022092

[摘要](406) [HTML全文] (79) [PDF 5063KB](63)

摘要:
利用低轨道地球卫星(LEO)进行导航增强首先需要设计低轨星座，在进行星座构型设计时，星座的稳定性及综合成本是需要考虑的两个重要因素，本文提出了顾及星座稳定性及综合成本进行低轨导航星座优化设计的方法. 首先，利用遗传算法对铱星星座进行了优化，优化后的铱星星座与未优化前星座相比较，全球可见卫星数均值由2.3颗增至2.9颗，可见卫星数标准差由2.3降至0.7，综合成本因子由5.3降至4.5，证明了本方法的有效性. 然后以Walker星座作为基本构型，在保证低轨混合星座稳定性的基础上，顾及导航性能和综合成本，利用遗传算法进行了混合星座的优化. 将优化后的低轨混合星座与北斗星座进行了组合，组合后的星座与北斗星座相比较，全球可见卫星数均值由6.9颗增至9.3颗，可见卫星数标准差由1.1降至0.4.

伪距单点定位两域联合平差解的等价性分析

胡小华, 刘长建, 张熙

2022, 47(5): 16-21. doi: 10.12265/j.gnss.2022083

[摘要](309) [HTML全文] (68) [PDF 1962KB](17)

摘要:
针线性观测模型观测值域联合平差解和平差值域联合平差解完全等价，但实际中联合平差的观测模型多为非线性模型，参数估计时常常需要进行线性化处理，存在线性化引起的模型误差，该误差对两域平差解的等价性影响值得探讨. 以伪距单点定位(SPP)为例，论文推导了其平差值域联合平差求解公式，分析了两域联合平差不能完全等价的原因，并用实例进行了数值对比. 研究表明：在配置相同的情况下，不同全球卫星导航系统(GNSS)组合SPP的两域平差位置解在毫米量级上数值相同，就SPP应用而言，两域平差解可认为相同. 论文内容对于一些GNSS其他应用也具有一定的参考意义.

BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

刘永正, 蔡昌盛, 崔先强, 朱永兴

2022, 47(5): 22-27. doi: 10.12265/j.gnss.2022064

[摘要](462) [HTML全文] (100) [PDF 2752KB](71)

摘要:
通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析，测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能，并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明，BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率，但略差于GPS L5；相较于其它GNSS，BDS数据完整率相对较高，其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高；BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小，B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍，但不同频率相位观测值噪声处于同一量级；对于伪距多路径而言，BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言，GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面，BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优，其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m，相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP，其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.

基于GNSS/UWB的室内外连续定位方法

周振南, 邹进贵, 赵胤植, 胡洪, 蔡礼贤, 周涛

2022, 47(5): 28-34. doi: 10.12265/j.gnss.2022087

[摘要](478) [HTML全文] (109) [PDF 4031KB](54)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)与超宽带(UWB)等定位系统在室内外复杂环境下作用范围有限，并且单一定位源均无法获得从室外到室内连续可靠的定位结果等问题，针对北斗卫星导航系统(BDS)+GPS/UWB松组合定位方法展开研究，设计了室内外动态定位实验与过渡区域静态定位实验，利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对定位误差状态进行最优估计，并对BDS+GPS组合、UWB以及BDS+GPS/UWB松组合三种定位模式进行分析评价. 实验结果表明：在室内外的过渡区域，BDS+GPS/UWB松组合改善了GNSS-实时动态定位(RTK)的定位精度，扩展了GNSS-RTK的作用范围；BDS+GPS/UWB松组合相比于各单一定位源在一定程度上提高了系统从室外到室内定位的连续性与定位结果的可用性.

BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo双频精密单点定位精度分析与评价

卢福康, 余学祥, 肖星星, 胡富杰

2022, 47(5): 35-44. doi: 10.12265/j.gnss.2022059

[摘要](328) [HTML全文] (183) [PDF 3057KB](35)

摘要:
由于北斗卫星导航系统(BDS)已完成正式组网，有必要对BDS的定位性能进行精度评估与分析. 本文主要通过在MGEX (Multi-GNSS Experiment)选取8个测站5天的观测数据，以北斗二号/北斗三号(BDS-2/BDS-3)为主分析BDS-2/BDS-3、BDS-2/BDS-3/Galileo、BDS-2/BDS-3/GPS、BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo四种不同组合卫星系统静态精密单点定位(PPP)性能，试验结果表明：BDS-2/BDS-3静态PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)方向上的定位精度和收敛速度分别优于2.49 cm、2.27 cm、4.04 cm和34.6 min、19.3 min、28.1 min；BDS-2/BDS-3/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.81 cm、1.65 cm、2.94 cm和20.4 min、13.0 min、18.6 min；BDS-2/BDS-3/GPS静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.67 cm、1.62 cm、2.82 cm和18.3 min、10.2 min、16.1 min；BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.46 cm、1.40 cm、2.45 cm和14.5 min、9.3 min、14.5 min.

基于GNSS TEC的电离层自相关预报误差分析及参数优化

熊雯, 王博文, 刘裔文, 朱庆林

2022, 47(5): 45-50. doi: 10.12265/j.gnss.2022097

[摘要](228) [HTML全文] (130) [PDF 2467KB](27)

摘要:
电离层延迟是全球卫星导航系统(GNSS)高精度导航定位应用中的重要误差源. 通过对电离层总电子含量(TEC)进行测量和短期预报可有效提升GNSS单频用户的定位精度，对其他无线电系统的电离层效应也可起到有效减缓作用. 近二十年来提出了很多行之有效的短期预报方法，但还没有哪一种方法有绝对优势，其预测精度都有待提高. 利用Madrigal数据库任意选取的5个格网点的TEC观测数据，首先比较了自相关和自回归滑动平均(ARIMA)方法，然后研究了自相关预报方法中实际参与加权的观测值覆盖天数和观测值数量这两个参数的选取对预报误差的影响，并提出了参数设置优化方案. 试验结果显示：1)自相关方法的预报误差略小于ARIMA方法，且自相关方法所花费时间比ARIMA方法少，总体上自相关方法是一种性能更优的方法；2)对于自相关方法，相比于传统的“4+12”参数设置方案，“3+9”方案总体上具有更优的预报性能，说明TEC时间序列的当前状态可能主要与前3天的状态有关. 相关结果可作为电离层短期预报工程实现的一个有用的参考方案.

基于几何约束和目标检测的室内动态SLAM

高逸, 王庆, 杨高朝, 刘鹏飞

2022, 47(5): 51-56. doi: 10.12265/j.gnss.2022099

[摘要](260) [HTML全文] (65) [PDF 3401KB](20)

摘要:
针对即时定位与地图构建(SLAM)在室内动态环境下定位精度低和地图效果差的问题，提出一种基于几何约束和目标检测的室内动态SLAM方法. 使用目标检测网络获取语义信息，提出运动物体漏检的方法；根据先验知识，提出准确识别动态区域的信息判定方法；结合几何约束和深度学习方法剔除动态点，利用静态点估计相机位姿；根据存储信息构建可闭环的静态地图. 在TUM数据集上进行实验，定位精度比ORB-SLAM2提高97.5%，相较于其他动态SLAM可取得更好的性能. 在室内真实环境进行实验，构建的静态地图更准确，有效提高了室内动态SLAM的定位精度和地图效果.

北斗/GNSS机载动态PPP性能分析

赵龙, 郭将, 栗广才, 罗锋

2022, 47(5): 57-64. doi: 10.12265/j.gnss.2022096

[摘要](511) [HTML全文] (91) [PDF 3481KB](61)

摘要:
针对基于机载动态场景下的实测数据，使用开源的PRIDE PPP-AR软件，采用伪距和载波相位观测值构建双频的消电离层组合(IF)进行了动态精密单点定位(PPP)实验，并对比了单北斗卫星导航系统(BDS)以及BDS/GNSS在进行机载大动态PPP定位方面的性能. 结果表明：多系统组合在卫星数、卫星几何构型以及位置精度衰减因子(PDOP)等方面均优于单系统，且对比单GPS而言，平面(东(E)、北(N)、高程(U))方向的定位精度分别提升了10%和12%；此外将开源软件PRIDE PPP-AR的解算结果与商业软件WayPoint进行了对比，结果表明前者的定位精度在E和U方向分别提升了46%和36%，N方向提升最多，提升了近2倍，因而PRIDE PPP-AR具备更高的动态解算精度与可靠性.

东北陆态网坐标时序有色噪声及环境负载分析

黄裕, 隋哲民, 金泽林

2022, 47(5): 65-71, 80. doi: 10.12265/j.gnss.2021112202

[摘要](246) [HTML全文] (73) [PDF 3347KB](26)

摘要:
利用Hector软件解算我国东北地区16个陆态网络连续站近10 a的时间序列观测数据，获取连续站坐标残差时间序列数据，进而确定最优噪声模型，最终得出基于有色噪声(CN)以及环境负载改正后的速度场. 结果表明：东北地区陆态网络坐标时间序列数据中主要存在白噪声(WN)、闪烁噪声(FN)与幂律噪声(PL)；北(N)和天顶(U)方向的最优噪声模型为WN+FN；E方向的最优噪声模型均为WN+PL. 在顾及CN及环境负载的影响下，东北地区陆态网络基于ITRF14框架下在N方向上运动的平均速率为−13.003 mm/a，东(E)方向上运动的平均速率为27.020 mm/a，U方向上运动的平均速率为0.528 mm/a，整体呈隆升趋势.

技术报告与应用

智能手机RTK定位软件实现及应用试验

曾树林, 匡翠林

2022, 47(5): 72-80. doi: 10.12265/j.gnss.2022054

[摘要](563) [HTML全文] (244) [PDF 5839KB](72)

摘要:
随着芯片技术的发展，智能手机已成为使用最普遍的一类全球卫星导航系统(GNSS)设备，其提供位置服务的能力逐步彰显. 为探究将手机作为专业GNSS设备的可行性，利用谷歌开放Android智能终端GNSS原始观测数据这一契机，设计并实现一款手机实时动态 (RTK)定位手机应用程序(APP)，并基于该APP开展高精度定位应用试验. 结果表明：在静态条件下，手机RTK定位精度约达1 dm；在行人和车载动态条件下，可达平面亚米级、高程1~2 m的精度水平，RTK定位精度远高于内置芯片解，但稳定性略差于芯片解. 使用手机模拟RTK点测量，其平面精度约达1 m，基本满足地理信息采集和调查等亚米级到米级低精度专业应用的需求.

基于BDS的海上运输监控系统设计

曹宇, 刘昕, 赵永旗, 宋育泽, 唐小波, 张馨予

2022, 47(5): 81-87. doi: 10.12265/j.gnss.2022067

[摘要](278) [HTML全文] (76) [PDF 5204KB](17)

摘要:
海上运输往往受到高温、高盐及高湿环境的影响，尤其是贵重和精密货物，在运输过程中容易出现损坏风险，因此研发了一种海上运输货物通讯监控系统；这对于海运质量的提升是十分重要的. 本文设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的海上运输监控系统，将物联网技术和BDS相结合，以实现对货物的实时监测、导航定位及通讯功能，并以多相流量计的运输为例详细阐述了系统的功能实现方式. 该系统可以作为减少货损成本，提高运输管理效率的工程化辅助工具.

基于衰减因子的虚拟应答器信息融合方法研究

陈永刚, 韩思成, 贾水兰, 许继业

2022, 47(5): 88-93. doi: 10.12265/j.gnss.2022075

[摘要](204) [HTML全文] (69) [PDF 2519KB](11)

摘要:
针对虚拟应答器(VB)信息融合时使用Kalman滤波易出现滤波发散的问题，提出了基于改进Sage-Husa自适应滤波算法的信息融合方法. 首先采用自适应滤波动态调节噪声统计特性参数，抑制滤波发散，在预测误差方差矩阵中引入衰减因子，减小陈旧数据的影响进而提高滤波精度，最后进行仿真实验，将所提出的滤波算法与Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波在VB的位置误差和速度误差上进行对比. 仿真结果证明：在相同的时间内，本文所述算法在VB的定位误差上具有显著优势，具有较好地稳定性.

基于手机GNSS位置信息的隔离者行为判别技术

刘少林, 马宝田, 靳睿敏, 甄卫民

2022, 47(5): 94-99. doi: 10.12265/j.gnss.2022026

[摘要](214) [HTML全文] (49) [PDF 2858KB](20)

摘要:
在新冠疫情爆发期间，对密切接触者或者来自中高风险区的人员进行隔离是一种有效遏制疫情蔓延的措施，为避免隔离人员擅自离开隔离区，需配备大量管理人员采用人盯人的方式进行24 h监管，耗费大量的人力和财力，并且容易出现信息漏报、无法实时收集分析以及监管人员安全性等问题. 利用现有基础设施，实现对隔离者的自动实时监控十分必要. 在自动实时监控中，最重要的是如何实现隔离人员离开隔离区后及时进行判别和告警，针对于此提出了一种基于手机全球卫星导航系统(GNSS)位置信息进行隔离人员行为判别的方法. 此方法利用手机GNSS芯片输出的位置信息以及载噪比(CNR)信息实现判别，利用实测数据对方法进行了验证. 分析结果表明：该方法能够准确、有效地判别隔离人员是否离开隔离区域.

基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估

郑志卿, 张克非, 李龙江, 师嘉奇, 张明浩

2022, 47(5): 100-110. doi: 10.12265/j.gnss.2022119

[摘要](440) [HTML全文] (81) [PDF 11642KB](53)

摘要:
2020年6月北斗卫星导航系统(BDS)完成全面组网，为分析其解算水汽信息的精度，选用15个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站2021年10月至11月的观测数据进行水汽反演. 利用GAMIT软件分别解算BDS、GPS、Galileo和GLONASS的观测数据，将得到的对流层天顶延迟(ZTD)与国际GNSS服务(IGS)发布的结果进行对比，并将解算的大气可降水量(PWV)分别与探空数据、ERA5数据计算得到的PWV对比. 实验结果表明：截止高度角设置为5°时，4个卫星系统估计的ZTD均方根 (RMS)均小于13 mm，GPS-PWV、BDS-PWV、Galileo-PWV、GLONASS-PWV与无线电探空可降水量(RS-PWV)相比，RMS平均值分别为2.25 mm、2.46 mm、2.52 mm和2.84 mm，RMS均小于3 mm；与ERA5-PWV相比，RMS平均值分别为1.63 mm、1.86 mm、1.76 mm和1.99 mm，RMS均小于2 mm. GPS探测水汽的精度最高，BDS探测水汽的精度低于GPS和Galileo，高于GLONASS，均满足气象学应用需求.

基于北斗PWV的暴雨时空变化特征分析

郭秋英, 赵耀, 黄守凯, 张海平, 李国伟, 孙英君

2022, 47(5): 111-117. doi: 10.12265/j.gnss.2022123

[摘要](331) [HTML全文] (71) [PDF 4877KB](29)

摘要:
利用49个山东省连续运行参考站(SDCORS) 2020年的北斗观测数据，使用GAMIT软件进行了大气水汽反演，得到了全年逐小时的大气可降水量(PWV)序列. 将反演得到的PWV与探空气象站观测的PWV对比，平均偏差为2.4 mm，均方根误差(RMSE)为3.4 mm，相关系数达到0.98，结果表明反演结果的精度符合气象研究需求. 分别从单连续运行参考站(CORS)和全省范围对PWV在暴雨过程中的变化进行了分析，发现PWV在暴雨产生前5~12 h开始上升，至暴雨产生时刻，PWV最大值普遍达到60 mm以上，平均变化率达到1~3 mm/h，越临近暴雨产生，PWV变化幅度越大，降水结束后，PWV会迅速下降. PWV的变化与暴雨的产生具有高度相关性，PWV在暴雨产生前后的剧烈变化，可用于暴雨预警研究，对于生产生活活动具有重要现实指导意义.

罗兰-C小型有源接收天线设计与仿真

刘杨, 齐俊东, 陈奇东, 黄晓, 徐文璞, 刘睿

2022, 47(5): 118-126. doi: 10.12265/j.gnss.2022147

[摘要](462) [HTML全文] (164) [PDF 4728KB](80)

摘要:
针对罗兰-C无线电导航信号接收需求，研究一种高性能的罗兰-C小型有源接收天线，可以减小天线体积和安装难度，方便罗兰-C导航接收机的使用，具有较高的实用意义. 天线主体采用磁棒线圈天线接收长波频段罗兰-C信号，在天线内设计了包含放大电路、带通滤波电路、差分输出电路和供电电路在内的前端信号调理电路，从而增大信号灵敏度，提高信噪比；设计了一体化的天线结构，以便工程化应用. 通过仿真和实测结果表明：该天线在工作频带内，可以全向高效接收罗兰-C信号，而且对接收到的微弱罗兰-C信号进行放大并滤除带外噪声，信号强度和信噪比满足使用要求. 该天线具有体积小、灵敏度高、使用方便的特点，可应用于罗兰-C无线电导航，组合导航、附加二次相位时延计算等场景.