全球定位系统

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2022年第47卷第6期

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理论与探讨
技术报告与应用
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2022 年 6 期目录

2022, 47(6): 1-2.

[摘要](121) [HTML全文] (71) [PDF 1190KB](28)

摘要:

理论与探讨

GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

马祥泰, 胡彦逢, 董绪荣

2022, 47(6): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2022089

[摘要](243) [HTML全文] (51) [PDF 3711KB](40)

摘要:
现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统，为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性，对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座，以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明：为了满足GNSS解算所需的卫星数量，须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言，当接收机灵敏度高于−169 dB时，导航精度可达30 m；利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明，GPS对目标星导航的位置误差约为35 m；北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m，具有良好的内符合精度，其中GPS精度最高，GLONASS精度最低，但大部分时段也在45 m内.

不同对流层模型对机载精密单点定位的影响分析

董建权, 郭将, 栗广才, 罗锋

2022, 47(6): 9-17, 37. doi: 10.12265/j.gnss.2022095

[摘要](187) [HTML全文] (50) [PDF 5922KB](37)

摘要:
对流层延迟是影响精密单点定位(PPP)性能的主要因素之一，尤其是高程方向的解算精度，一般采用模型改正结合参数估计的方法进行处理. 而高程方向位置解算精度对航空重力测量中的重力场恢复至关重要. 因此，分别采用GMF、NMF、VMF1、VMF3作为映射函数，并分别选取$4\;\mathrm{m}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{h}}$、$10\;\mathrm{m}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{h}}$、$50\;\mathrm{m}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{h}}$、$100\;\mathrm{m}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{h}}$作为随机游走噪声参数，对比分析不同对流层模型对机载数据的PPP的影响. 实验结果表明：不同对流层模型对北(N)、天顶(U)方向定位结果影响较大，模型差异可达到3~4 mm；VMF1和VMF3模型在定位精度上优于GMF和NMF模型；选取$4\;\mathrm{m}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{h}}$作为随机游走噪声(RWN)，较其他三种定位精度更高.

GNSS观测值域增强PPP定位中综合改正数质量控制算法

洪菊, 涂锐, 张世旋, 张鹏飞, 王思遥, 李芳馨, 刘明玥

2022, 47(6): 18-24. doi: 10.12265/j.gnss.2022102

[摘要](236) [HTML全文] (54) [PDF 2889KB](29)

摘要:
若全球卫星导航系统(GNSS)观测值域综合改正数中存在粗差或周跳则不可避免地会影响精密单点定位(PPP)增强的定位结果. 针对综合改正数中可能存在的异常，对综合改正数质量控制方法开展研究并提出异常识别与控制算法. 该算法根据综合改正数特点，利用经过频间和二阶历元间差分后的综合改正数组合值采用中位数法进行异常识别与定位，并对使用该异常值的卫星采用模糊度重新初始化、降权或剔除方法进行控制处理，以减少异常值对结果的影响. 以平均边长为26 km的部分香港连续运行参考站(CORS)组成的参考网以及科廷大学提供的零基线数据对该方法验证，结果表明：对30 s采样间隔的数据该方法能够有效探测出差分组合值中大部分1周以上的较大异常和部分1周以内的异常，有效控制部分异常值对定位结果的影响.

GNSS实时周跳修复算法与精密单点定位测试分析

尹翔飞, 刘根友, 王彬彬, 吕栋

2022, 47(6): 25-30. doi: 10.12265/j.gnss.2022150

[摘要](264) [HTML全文] (59) [PDF 2442KB](30)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)能够为用户提供定位、导航和授时(PNT)服务，被广泛应用于国防安全保障和国民经济建设中. 实时精密单点定位(RT-PPP)是一种高精度卫星导航定位方法，针对信号中断导致的重新初始化时间长的问题，提出一种基于历元间差分伪距和载波相位观测量的周跳修复算法，设计了一种RT-PPP算法，并介绍其实现流程. 采用国际GNSS服务(IGS)观测站数据进行周跳修复实验，成功率在99%以上，缩短了重新收敛时间. 在楼顶进行推车实验，RT-PPP在水平方向定位精度优于1 cm，高程定位方向精度为2~3 cm.

随机模型对北斗DCB估计和电离层建模的影响

刘冰雨, 王中元, 王阳阳, 葛于祥, 王瑞光

2022, 47(6): 31-37. doi: 10.12265/j.gnss.2022117

[摘要](164) [HTML全文] (51) [PDF 3034KB](17)

摘要:
差分码偏差(DCB)作为电离层建模和导航定位中一项重要的误差源，对其进行估计求解至关重要. 为提高北斗卫星导航系统(BDS) DCB估计和电离层建模精度，提出了一种综合高度角、卫地距和测站纬度多因素的随机模型，并对比分析了不同随机模型对BDS DCB估计和电离层垂直总电子含量(VTEC)建模精度的影响. 结果表明：不同随机模型对卫星端DCB解算产生约0.2 ns差异. 相较于高度角随机模型，采用高度角、卫地距组合模型测站DCB估计精度平均提高0.13 ns，电离层建模精度提高了约0.2 TECU. 新提出的随机模型，在低纬度测站DCB解算精度上差于高度角模型和高度角、卫地距组合模型，但在高纬度测站DCB解算结果上更优，且对电离层VTEC建模精度提升效果明显，与前两种随机模型相比分别提升了0.88 TECU和0.68 TECU.

基于BPSK-CSK的电文调制与解调算法

王环宇, 袁木子, 马春江, 唐小妹, 欧钢, 林红磊

2022, 47(6): 38-45. doi: 10.12265/j.gnss.2022170

[摘要](224) [HTML全文] (158) [PDF 2804KB](52)

摘要:
针对对导航信号信息传输速率有更高要求的信号，如精密定位信号，提出二进制相移键控-码移键控(BPSK-CSK)联合调制方法，以解决传统的码移键控(CSK)调制信号在接收端对相关器资源需求量大、解调计算复杂度高的问题. 本文方法将分组调制的电文再分为极性位与码相位，使得接收端由原本通过相关求和进行解调，转变为通过较少相关求和运算与子码匹配两步完成电文解调，减少了接收机解调电文所需相关器的数量并降低参与运算的数据量级. 所提方法在极性位数为1或2时，与传统CSK相比，可以实现在电文解调误比特性能损耗可忽略不计的情况下，计算复杂度降低为原来的50%或25%. 当极性位数大于2时，该方法以解调性能为代价降低计算复杂度，但此时结合信道编码，BPSK-CSK仍可实现等计算复杂度下的误比特率降低.

Android智能手机GNSS定位性能分析

张垠, 涂锐, 洪菊, 李芳馨, 苗亚格, 刘明玥

2022, 47(6): 46-53. doi: 10.12265/j.gnss.2022126

[摘要](288) [HTML全文] (100) [PDF 7847KB](56)

摘要:
随着全球卫星导航系统(GNSS)的发展和移动通信技术的进步，用户对位置服务(LBS)提出了更高的要求. 本文采用市面上常见的两部Android智能手机采集GNSS数据，对Android智能手机伪距单点定位(SPP)和单频精密单点定位(PPP)算法进行研究，分析了在不同条件下智能手机的SPP、单频PPP定位性能. 结果表明：在使用多普勒平滑伪距和信噪比随机模型的基础上，Android智能手机GPS单系统的SPP定位精度可达3 m，GPS、Galileo、GLONASS、北斗卫星导航系统(BDS)四系统定位精度可达亚米级. 在单频PPP静态定位中，在GPS单系统下，定位精度仅能达到米级，且收敛时间较长；在GPS、Galileo、GLONASS、BDS四系统下，定位精度可达亚米级，且平面方向可在40 min内收敛. 在单频PPP动态定位中，手机的定位精度仅能达到米级.

GPS坐标时序共模误差提取方法研究

严丽, 罗正东, 李萌, 邹小平

2022, 47(6): 54-59. doi: 10.12265/j.gnss.2022135

[摘要](239) [HTML全文] (86) [PDF 3245KB](16)

摘要:
针对GPS坐标时序数据中存在的共模误差(CME)，研究利用堆栈滤波(SF)、网络反演滤波(NIF)和主成分分析(PCA)三种方法进行剔除，以提高GPS监测区域地表位移的精度. 通过构建GPS坐标时序模型，去除明显构造运动，提取噪声残差时序，将隐含在噪声残差时序中的区域CME利用SF、NIF、PCA方法提取出来. 以日本房总半岛2019—2021年GPS坐标时序为例，比较三种方法和GPS站点空间分辨率对CME提取的影响，分析CME去除前后慢滑移地表位移的变化. 研究结果表明：SF、NIF、PCA方法提取CME的结果基本一致；GPS站点空间分辨率降低，提取的CME离散度增大；CME对慢滑移地表水平位移的大小和方向均会产生影响，需进行剔除.

陆态网基准站高程时间序列的环境负载效应分析

孙之远, 李岩林, 魏娜

2022, 47(6): 60-66. doi: 10.12265/j.gnss.2022185

[摘要](167) [HTML全文] (44) [PDF 4600KB](26)

摘要:
GPS坐标时间序列呈现显著的季节性变化，以中国大陆构造环境监测网络(CMONOC) 233个GPS测站的高程方向坐标时间序列为研究对象，通过计算环境负载效应改正前后的均方根(RMS)减少率，对比了德国波茨坦地学研究中心(GFZ)与法国斯特拉斯堡大学提供的EOST不同环境负载产品对CMONOC坐标时间序列数据的改善程度. 统计结果表明：经过GFZ环境负载产品和EOST环境负载产品改正后分别有90.2%和75.54%的测站RMS减小，说明GFZ的环境负载产品对CMONOC基准站坐标时间序列数据的改善效果更好. 同时发现环境负载效应不仅对GPS坐标时间序列中的季节项有明显的改正效果，对非季节项的改善效果也非常明显，经过GFZ提供的环境负载产品改正后有87.8%的GPS测站周年项振幅削弱，有82.4%的测站非季节项的RMS减小.

神经网络优化5G定位结果域的分析与评估

陈思潼, 朱锋, 覃伊朵, 杨晓滕

2022, 47(6): 67-72. doi: 10.12265/j.gnss.2022077

[摘要](149) [HTML全文] (53) [PDF 2434KB](27)

摘要:
针对室内环境下的5G定位需求，提出了利用神经网络算法对粗略定位结果进行优化的方法，减小了多径、非视距传播造成的定位误差，改善了结果域的定位精度. 优化算法利用测距定位中的到达时间(TOA)定位法和到达时间差(TDOA)定位法获得粗略定位结果，分别结合BP神经网络、Elman神经网络及通过遗传算法(GA)优化后的GA-BP神经网络、GA-Elman神经网络共利用4种神经网络进行训练，得到修正后的精确定位结果，并对4种神经网络算法进行了分析与评估. Elman算法相较于BP算法具有迭代收敛快、迭代次数少、误差改正好的特点，更适合5G定位结果域的优化；融入 GA 后结果精度均有所提高，其中GA-Elman算法能够训练得到最好的定位结果.

eLoran噪声误差模型及产生方法研究

肖再辉, 闫温合, 刘开琦, 李实锋, 邹云

2022, 47(6): 73-78, 122. doi: 10.12265/j.gnss.2022100

[摘要](148) [HTML全文] (53) [PDF 3075KB](21)

摘要:
增强罗兰(eLoran)系统具备与全球卫星导航系统(GNSS)的互补性，使其成为最佳备份系统. 接收机通过测量到达时间(TOA)进行定时与定位，噪声是影响eLoran信号TOA精度的重要因素，而噪声中高斯白噪声(WGN)又是普遍存在的. 本文首先基于最大似然估计(MLE)方法推导了WGN下的TOA误差模型，其次采用线性同余法与Box-Muller变换对法相结合生成WGN，仿真分析了WGN的时、频域特性，最后利用产生的噪声模拟出TOA测量误差，并与理论TOA模型进行比较. 结果表明：理论误差模型与仿真TOA值误差吻合，验证该研究的TOA测量误差模型和产生噪声的正确性，研究成果可为eLoran信号的TOA误差模型和模拟器中噪声产生提供参考，促进eLoran系统应用发展.

BDS-3精密单点定位模糊度解算及性能评估

谭涵

2022, 47(6): 79-85. doi: 10.12265/j.gnss.2022107

[摘要](227) [HTML全文] (61) [PDF 3642KB](30)

摘要:
基于国际GNSS服务(IGS)提供的MGEX (Multi-GNSS Experiment)的观测数据，对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)相位小数偏差(UPD)进行估计，进一步开展基于精密单点定位(PPP)的浮点/固定解试验，分析评估其定位性能. 结果表明：北斗卫星导航系统(BDS)定位精度与GPS大致相当； BDS-3 PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)三个方向上浮点解的平均均方根(RMS)分别为1.4 cm、1.0 cm、1.6 cm；通过模糊度固定算法，可将三个方向的定位精度提升至0.9 cm、0.7 cm、1.4 cm.

技术报告与应用

基于牛顿迭代法的GNSS欺骗干扰参数估计

王佳奇, 唐小妹, 孙广富

2022, 47(6): 86-90. doi: 10.12265/j.gnss.2022171

[摘要](241) [HTML全文] (84) [PDF 2475KB](25)

摘要:
欺骗干扰是全球卫星导航系统(GNSS)发展面临的重要挑战，针对小时延场景下欺骗干扰参数估计方法计算量大的问题，提出了一种基于牛顿迭代法的参数估计方法. 该方法以码相位估计为核心，通过构建欺骗场景下信号参数的非线性估计模型，采用牛顿迭代法对信号码相位进行估计，在此基础上采用最小二乘法对信号幅度和载波相位进行估计. 实验结果表明：该方法的平均迭代次数在10次左右，相比于传统参数估计方法，算法有效性大幅提升. 在准确性方面，该方法能够有效提高小时延场景下的信号参数估计精度.

基于导航接收机的GNSS弱干扰检测识别技术

靳睿敏, 郭艺, 杨会贇, 车磊, 徐文璞, 甄卫民

2022, 47(6): 91-95. doi: 10.12265/j.gnss.2022218

[摘要](352) [HTML全文] (77) [PDF 2437KB](58)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)已广泛地应用于各种军民系统中，但由于GNSS信号弱，同时民用信号格式是公开的，因此极易受到各种无意或有意的电磁干扰. 对于GPS L1 C/A码，高于−160 dBm/Hz的噪声就会对接收机的捕获造成干扰，而频谱干扰监测设备的监测灵敏度通常为−150 dBm/Hz，因此无法实现卫星导航弱干扰信号的监测，并且通用的频谱监测接收机也无法实现卫星导航欺骗干扰监测. 针对利用导航接收机的输出信息，提出了联合接收机输出的自动增益控制(AGC)、载噪比(${\rm{C/{N_0}}}$)及位置信息实现了卫星导航弱压制干扰和欺骗干扰的检测与识别. 通过搭建实际测试环境，测取实测数据对本文的方法进行验证，测试结果表明，本文的方法能够实现欺骗干扰和压制干扰的检测与识别，检测准确率能够达到96%，压制干扰和欺骗干扰的识别准确率能够达到94%.

卫星转发信道饱和条件最优功率增益设计与分析

侯林源, 黄新明, 张鹏程, 肖伟, 李井源, 李峥嵘

2022, 47(6): 96-101. doi: 10.12265/j.gnss.2022093

[摘要](131) [HTML全文] (43) [PDF 2508KB](15)

摘要:
为了优化卫星转发信道饱和条件下信号的接收性能，分析透明转发器饱和状态下互调噪声的产生原因，削弱互调噪声对转发信道载噪比(CNR)恶化的影响. 本文通过建立信道模型、计算信道参数、仿真优化分析的方法对问题进行研究. 分别研究转发器增益调整对接收端CNR的直接影响与互调信号对CNR的间接影响，并进行了理论计算与仿真分析. 仿真结果表明：在饱和条件下，转发器增益回退可以改善CNR损耗. 当干扰信号发射功率为45 dBW时，转发器回退−1 dB可以达到最小的CNR损耗为−1.55 dB. 随着干扰增强，最优的增益回退值会逐渐增长，同时最小的CNR损耗也会增加，研究成果可应用于卫星转发信道中，为饱和条件下转发器增益调整优化提供指导借鉴.

亚太地区BDS-3/GNSS组合系统单频单点定位性能分析

管庆林, 樊春明, 王俊杰

2022, 47(6): 102-108. doi: 10.12265/j.gnss.2022042

[摘要](149) [HTML全文] (45) [PDF 3018KB](19)

摘要:
针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)向全球提供定位、导航和授时(PNT)服务后的定位性能评估问题，基于MGEX (Multi-GNSS Experiment) WHU2站7天实测数据，从可视卫星数、几何精度衰减因子(GDOP)、定位精度、定位成功率和伪距残差方面分析了BDS-3及BDS/GNSS组合伪距单点定位(SPP)性能. 结果表明：在亚太地区，BDS-3具有比美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo更优的SPP性能，其水平、垂直和三维精度分别为1.19 m、2.34 m、2.38 m，三维精度比北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、GPS、GLONASS和Galileo 的SPP精度分别提升了54.8%、27.2%、86.4%和1.2%. 此外，BDS/GPS/Galileo组合能获得最优的SPP精度，其水平、垂直和三维精度分别为0.96 m、1.66 m、1.77 m，相较于BDS-2/BDS-3 SPP分别提升了18.6%、19.4%和17.3%.

一种基于少通道准校正GNSS干扰信号的空间谱测向方法

马宝田, 郭述利, 刘少林

2022, 47(6): 109-113. doi: 10.12265/j.gnss.2022091

[摘要](165) [HTML全文] (108) [PDF 3126KB](21)

摘要:
针对导航干扰信号测向初始相位估计难度大导致空间谱测向精度低、误差大的问题，提出了一种以经典多重信号分类(MUSIC)算法为基础的“少通道准校正空间谱测向方案”. 该方案是在每个通道内加入校准源，从而获得任意两个通道的初始相位差，减小了通道间的初始相位差对协方差矩阵计算的影响，实现空间谱测向的目的. 将所提的方案应用于五阵元三通道测向天线并在试验场地进行测试，实验结果表明：该方法能够解决复杂场景下单信号、双信号的测向，在低信噪比(SNR)的情况下，测向误差仍能保持在3.5°左右，测向精度较高，测向结果与全通道的测向结果基本一致.

基于不同空间尺度测站网的BDS-3 GEO卫星轨道机动实时监测

苗亚格, 涂锐, 洪菊, 刘明玥

2022, 47(6): 114-122. doi: 10.12265/j.gnss.2022133

[摘要](171) [HTML全文] (64) [PDF 3808KB](18)

摘要:
地球静止轨道(GEO)卫星为保持地球同步特性，需要频繁进行轨道机动，及时准确的对卫星轨道机动的状态进行动态监测，有助于对卫星真实轨道进行修复，使其在机动过程中仍能提供基本可用的轨道参数. 利用基于历元差分测速原理的卫星轨道监测模型，对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的2颗GEO卫星各12次历史机动进行了分析. 结果表明：所选不同空间尺度测站网均可以对C59卫星的机动时间与轨道动态变化进行实时监测，且监测结果基本一致. 另外，本文所选的不同空间尺度测站网均可对C60卫星机动时间进行精准探测，但在对其轨道状态进行实时监测时，空间尺度较大的测站网监测结果更优.