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全球定位系统

2019年  第44卷  第1期

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一种用于BDS-3接收机工程实现的两级B1C信号捕获技术
颜舒琳, 丁超
2019, 44(1): 1-9. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.001
摘要:
北斗三号卫星导航系统(BDS-3)B1C信号相较北斗二号卫星导航系统卫星信号,从信号结构、编码方式再到导航电文结构都发生了改变,包括引入导频信号、二次编码、BOC调制、LDPC编码和B-CNAV1导航电文结构等.这些改变一方面提高了信号性能(如抗多路径、信号捕获和跟踪精度等);另一方面,也带来了一系列问题,对接收机的信号捕获技术提出了全新的要求,如需处理更大的数据流,解决由二次编码带来的符号翻转和BOC调制造成的捕获多峰性问题.针对BDS-3接收机的工程实现,本文提出了一种新颖有效的两级B1C信号捕获技术.其中第一阶段采用扩展并行平均相关搜获结构,用以解决符号翻转问题,同时实现高效的信号粗捕获;第二阶段在缩小的搜索范围内进行高精度搜索,此步骤可有效避免信号多峰性造成的误锁可能.除此之外,本文还介绍了单信道和多信道组合式捕获技术,用户可根据资源占用和捕获灵敏度需求选取更有效的捕获方法.实验结果表明,本文提出的方法允许使用更小更经济的快速傅里叶变换(FFT)模块,并通过大量并行处理的方法实现快速捕获.相较传统的高精度捕获技术,此方法在采样频率超过50 MHz时,能够在保证相近的捕获精度的同时减少至少61%的运算量.
陆基远程和超远程无线电导航系统发展现状与趋势
甄卫民, 丁长春
2019, 44(1): 10-15. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.002
摘要:
高频电磁环境日益复杂,为了提高定位导航授时(PNT)系统的可靠性,需要研发不依赖于卫星导航的陆基无线电导航系统.陆基无线电导航系统具有工作频率低、发射功率大等特点,可靠性高,不易被干扰,可以作为卫星导航系统的备份,因此,发展建设陆基无线电导航系统对于构建稳健可靠的国家PNT体系、保障国家安全和国民经济的发展具有重要意义.文中就国内外陆基远程及超远程无线电导航系统的发展现状及趋势进行了分析.
GPS/GLONASS/BDS/Galileo系统载波相位观测值质量对比分析
刘琳, 席瑞杰
2019, 44(1): 16-22. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.003
摘要:
目前,全球卫星导航系统(GNSS)已进入以GPS、GLONASS、BDS、Galileo四系统为代表的多系统并存的时代,多系统多频率观测值的综合应用极大地提升了GNSS的服务能力. GNSS自身的数据质量是取得高精度结果的先决条件之一,也是多系统精密定位随机模型构建的关键. 为避免码分多址和频分多址机制不同的影响,本文采用几何无关和M-W组合方法,基于科廷大学实测零基线数据对四系统的载波相位单差残差序列对比分析,并利用高度角随机模型中的正弦模型和指数模型对载波相位观测值精度随高度角变化建模,获得适用于不同系统不同频率观测值的随机模型. 实验分析表明,单差残差序列随高度角变化情况在不同系统不同频率表现出不同特性;Galileo系统L1、L2观测值精度相当,均在0.9 mm左右,其他系统则表现出L2精度比L1精度更差的性质. 高度角加权模型拟合结果表明,正弦模型和指数模型对GPS和Galileo系统的L1、L2精度序列拟合一致性较好,而BDS系统使用正弦模型拟合效果略差,GLONASS系统则不适合采用正弦模型评估L2观测值精度.
第24太阳活动周武汉电离层VTEC变化特性分析
刘磊, 杨梅, 姚宜斌, 王友昆
2019, 44(1): 23-31. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.004
摘要:
利用2008-2015年(第24太阳活动周)中国地壳运动监测网络(CMONOC)武汉站(30.5°N, 114.4°E)GPS双频接收机监测的垂直总电子含量(VTEC)数据,分析电离层VTEC变化特性,并讨论VTEC与太阳活动的相关性.结果表明,VTEC估值周日变化在14:00-16:00LT左右达到最大值;同时,电离层VTEC也表现出明显的逐日变化特性,特别是在VTEC峰值处呈现较大差异.在太阳活动高年(2011-2015),VTEC变化呈现明显的双峰结构,即所谓的“半年异常”现象,春季峰值大于秋季峰值,“冬季异常”也更为明显.在各个季节(除春季外),VTEC与F10.7p的相关性最好,与F10.7的相关性次之,与太阳黑子数(SSN)的相关性稍弱;秋季VTEC与太阳活动的相关性最好(MaxF10.7p=0.92232, MaxSSN=0.85575),冬季VTEC与太阳活动的相关性最差(MinF10.7p=0.79028, MinSSN=0.72703).
基于PXIe总线架构的GPS导航信号模拟源设计及实现
刘德智, 陈晨, 李建文, 潘林, 张伦东
2019, 44(1): 32-38. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.005
摘要:
卫星导航信号模拟源为用户终端设备的设计、验证、测试提供输入信号源,是用户终端设备研发和卫星导航信号系统验证的重要工具.早期的射频合成技术产生的信号的精度和通道一致性较差,随后的模拟中频合成技术存在通道间偏差的问题,而目前常用的数字中频合成技术存在相位抖动问题,所以本文基于PXI Express(PXIe)总线的软件无线电架构,设计并实现了一款采用数字基带合成技术的软硬件结合模拟源.模拟源上位机数学仿真软件采用图形化编程语言LABVIEW开发,实现简单,开发效率高,最终生成数字基带合成信号;模拟源硬件则使用美国国家仪器公司(NI)模块化的虚拟仪器,接收并处理上位机产生的数字基带合成信号,最终产生用户终端设备可以接收的全球定位系统(GPS)射频信号.利用频谱分析仪观察模拟源输出信号的频率和带宽,验证了GPS模拟源仿真信号的正确性;利用商用接收机进行定位解算,分析静态和动态场景下的信号质量、定位结果及三轴定位误差,验证了GPS模拟源仿真信号的准确性和有效性.
基于RANSAC的坐标系转换抗差算法研究
刘猛奎, 赵明金, 石波, 王云鹏, 张倩
2019, 44(1): 39-47. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.006
摘要:
空间坐标转换在大地测量、工程测量等领域应用广泛.在利用公共点求解坐标转换参数时,针对公共点中混有多粗差点的情形,给出了基于罗德里格矩阵的坐标系转换模型,并在此基础上提出了基于随机抽样一致性(RANSAC)算法粗差剔除的坐标系转换抗差估计.最后利用仿真数据对该算法进行了验证,同时将该抗差算法与基于IGG3方案的最小二乘抗差估计算法进行了比较.算例结果表明,在20个仿真公共点数据中(仿真多组数据),当粗差点个数超过公共点总数的3/10时,基于IGG3方案的最小二乘抗差算法失效,而基于RANSAC的抗差算法在粗差点个数达到公共点总数的1/2时,依然能保证坐标转换的精度.该抗差算法将RANSAC算法的思想应用到坐标系转换上,有效地剔除了公共点中混有的大量粗差点.
GNSS安全——网络空间安全的新战场
刘畅, 丁凡, 田淼清
2019, 44(1): 48-53. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.007
摘要:
网络安全是当代网络社会面临的重要问题.全球卫星导航系统(GNSS)是网络空间的重要组成部分,GNSS提供的时空信息不仅是万物互联实现所需的时空参考基准,其本身也是网络传输的重要数据内容之一.易损性是引起GNSS安全性风险的重要因素,GNSS受干扰影响可失去定位授时能力或产生虚假信息,造成GNSS安全性风险并进而影响整个网络空间的安全.应从思想认识,系统建设,技术发展,法律法规等方面入手应对GNSS造成的网络安全性风险.
HNGG2017精度特征分析
曾翔强, 敖敏思, 陈春花, 黎晨曦
2019, 44(1): 54-61. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.008
摘要:
精度评估和检核是似大地水准面模型构建和应用的前提.针对湖南省似大地水准面(HNGG2017)模型,引入大量全球卫星导航系统(GNSS)/水准观测成果以及历史模型,提出了内、外部精度以及特征地区综合检核方法.检核结果表明,模型的内、外符合精度优于2.2 cm,与历史模型相比,新模型在北部常德汉寿、西南部永州江永等地区,精度得到显著改善.同时,湖南北部的壶瓶山地区的原水准数据可能存在系统性误差,有待采用更多数据验证.
顾及有色噪声的卡尔曼滤波在多路径误差削弱中的应用
李川, 魏世玉, 刘星, 刘恋, 胡祝敏
2019, 44(1): 62-67. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.009
摘要:
多路径误差为一时空环境效应,难以构建准确数学模型消除其影响,且该误差在基线两端不具有空间相关性,运用现有差分技术也无法很好消除,是高精度短基线测量中主要误差之一.为进一步削弱多路径误差,本文以监测站坐标时间序列中多路径误差为研究对象,根据多路径误差在历元间的时变特性,建立多路径误差状态空间模型,采用标准卡尔曼滤波和顾及有色噪声的卡尔曼滤波从监测站第一天双差固定解坐标残差序列中估计多路径误差改正序列,并根据多路径误差的周日重复特性,利用第一天得到的多路径误差改正序列对之后各天坐标序列进行改正.最后通过实验分析,得出顾及有色噪声的卡尔曼滤波估计方法优于标准卡尔曼滤波的结论.研究方法对提高GNSS定位精度具有重要实用价值.
一种全面的CORS性能测试方法
王方超, 吕志平, 刘春鹤, 李林阳, 邝英才
2019, 44(1): 68-75. doi: DOI:10.13442/j.gnss.10089268.2019.01.010
摘要:
连续运行基准(参考)站(CORS)系统的性能测试至关重要,其指标直接决定了所提供服务的精度、可用性和可靠性.基于CORS数据处理实践,建立了一种全面的CORS网数据质量检验与性能测试方法,该方法综合利用GAMIT、TEQC等软件,引入数据完整性、周跳比、多路径、静态和动态定位精度、系统可靠性、时间可用性、空间可用性等性能指标,分别进行服务端与用户端的性能测试.实验选取了跨度一年的郑州CORS(ZZCORS)数据和多天的静态、动态实测数据,结果表明:在服务端,基准站的数据质量较好且位置精度较高,但个别基准站垂直方向沉降较大;在用户端,郑州市区大部分范围内的空间可用性较好,可以满足用户不同精度的定位需求.
4G对北斗RDSS系统的干扰分析及应对策略
王福军, 王前, 白英广, 谢维华
2019, 44(1): 76-81. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.011
摘要:
针对4G系统对北斗系统无线电测定业务(RDSS)产生的邻频干扰问题,提出了一种基于整机模块分解的影响分析方法,从理论上归纳出用户机抑制带外干扰的主要技术措施,两个关键指标是有效带宽和处理增益,主要模块是射频模块(RF).根据理论分析,设计了不同参数的射频通道,并在测试平台上验证了各射频通道的带外抑制能力,分析了测试结果的规律性和差异性.研究成果可为北斗系统与4G系统兼容共存提供技术基础.
地磁暴对北斗用户伪距定位的影响分析
王威, 刘宸, 王宇谱, 姜意, 许芬
2019, 44(1): 82-88. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.012
摘要:
地磁暴是近地空间经常发生的一种自然现象.发生磁暴时,电离层会发生明显的波动,导致电离层模型改正精度下降,进而影响单频用户定位解算结果.利用哈尔滨、北京、三亚三个地区的观测结果,计算了2017年4月地磁暴发生前后的电离层变化,并分别解算了双频模式、单频基本导航模式和单频增强模式下的伪距定位结果,对比了不同模式定位结果的差异.发现在地磁暴期间,双频定位结果最好,单频增强模式的结果稍逊于双频结果,两种模式一般优于单频基本导航模式.
北斗地基增强系统框架下流动站定位精度分析
王涛, 蔡东健, 周旺辉, 解雯
2019, 44(1): 89-93. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.013
摘要:
江苏连续运行的参考站(CORS)苏州分中心已经建成覆盖全市的北斗地基增强系统框架网络,并基于此框架网络对区域用户提供服务,针对流动站在不同环境下连接各种源节点的稳定性和局限性问题进行了一系列测试.结果表明,在卫星不被遮挡的情况下,无论接收机是采用单星模式、双星模式,还是三星模式,其定位精度均能满足要求,即平面精度优于5 cm,高程精度优于10 cm.在卫星被遮挡的情况下,三星模式优势尤其明显,其初始化时间、稳定性以及定位精度均优于其他两种模式.
全球范围IGS监测站GPS观测数据质量分析
宗干, 郭金运
2019, 44(1): 94-100. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.014
摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)的持续完善及其在多领域内的大量应用,拓展了国际GNSS服务组织(IGS)连续监测站的服务领域,从而提升了对其观测数据的质量要求,因此有必要对大范围内IGS站点卫星观测数据质量进行分析.结合目前各GNSS的全球覆盖程度以及发展成熟度,本文以GPS为对象,对全球范围IGS站点该系统的原始观测数据质量进行评价,包括数据所受多径影响、数据观测完整程度以及数据中跳变比例三方面,得出了关于IGS站点GPS数据质量的分析结果,该结果可为地学研究及工程应用过程中站点的选取作参考.
京津冀地区GNSS对流层延迟空间插值研究
王勇, 郝振航, 娄泽生, 石强, 李江波
2019, 44(1): 101-107. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.015
摘要:
对流层延迟差异影响合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)形变测量精度;水汽的变化影响天气变化.对流层延迟与水汽具有较好的对应,因此有必要开展全球导航卫星系统(GNSS)对流层延迟的插值研究.以京津冀地区为例,针对GNSS对流层延迟,开展对流层延迟的空间插值研究.首先开展了GNSS对流层延迟与水汽的比较分析,两者存在显著正相关特性,相关性超过91.7%,论证了对流层延迟取代水汽的可行性.然后利用反距离权重法对京津冀地区2016年9月至2017年8月的12组GNSS测站对流层延迟进行空间插值,通过提取插值点对流层延迟与GNSS站点对流层延迟比较验证空间插值精度.全年数据平均偏差最大为1.12 cm,均方根误差最大为0.89 cm;未发生降水过程平均偏差最大为1.25 cm,均方根误差最大为0.82 cm;发生降水过程平均偏差最大为1.08 cm,均方根误差最大为1.38 cm.京津冀平原区域的GNSS对流层延迟空间插值结果精度满足气象等应用要求,可为气象预报和InSAR大气校正提供参考.
顾及MLE的IGS坐标时间序列噪声模型特性分析
王子舆, 李仲勤
2019, 44(1): 108-112. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.016
摘要:
以30个GPS基准站坐标序列为对象,提出分别采用赤池信息量准则(AIC)与贝叶斯信息准则(BIC)噪声模型估计准则判定GPS时间序列噪声特性,对比分析GPS时间序列噪声模型特性,探讨不同噪声模型对GPS站速度及其不确定度的影响. 结果表明GPS站坐标序列噪声模型主要表现为FN+WN、PL及FN+RW+WN噪声模型特性;FN+WN噪声模型对GPS站速度估计值的影响相对较小,但在U分量影响最为明显;此外,RW对站速度不确定度的影响不可忽略, 正确获取模型参数估计的实际不确定度及改正噪声分量对于合理应用GPS坐标时间序列数据具有重要的意义.
基于GPS观测分析青岛地区电离层板厚变化特性
周育锋, 李世诚, 冯健
2019, 44(1): 113-118. doi: 10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.017
摘要:
基于青岛站2000年8月至2006年4月间半个太阳活动周的GPS和测高仪的同步观测,提取期间的电离层TEC和 fo F2的小时观测数据,联合分析该地区电离层板厚的日变化、季节变化和随太阳活动变化,研究表明青岛地区电离层板厚在日出前时段出现明显的增强峰,并随季节和太阳活动呈现出较复杂的变化关系.利用板厚的相对偏差,探讨了电离层板厚扰动变化分布特征.
香港地区大气加权平均温度建模与研究
王皓, 赵兴旺
2019, 44(1): 119-124. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.018
摘要:
在地基GPS水汽反演过程中,针对因大气加权平均温度的精度而影响大气可降水量计算结果精度的问题,文中采用回归分析方法对香港地区2006-2016年的探空数据进行研究,构建适用于香港地区的单因子以及多因子两种大气加权平均温度计算模型.并使用两种模型分别预测2017年加权平均温度,与多种经验公式结果以及真值进行对比,单因子和多因子模型与真值的偏差在-5 ~5 K范围内分别占比80.72%和85.26%,明显优于其他经验公式;且按季节分别建模对大气加权平均温度计算结果的精度并没有明显提高,但按昼夜分别建模能够使计算结果的精度得到明显的提高.因此为了能够使水汽反演计算时的精度得到提升,应当使用当地多年的探空气象资料构建适用于当地的加权平均温度计算模型,对于提高GPS反演大气水汽总量的精度具有重要意义.
利用改进型MODIS火点探测算法实现河北省秸秆焚烧火点识别
魏英策, 桑会勇, 张涛, 丛杨, 谷祥辉
2019, 44(1): 125-130. doi: DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.019
摘要:
为准确地了解河北省秸秆焚烧火点的空间分布,为秸秆焚烧监测的实现、禁烧工作的开展、环境质量改善提供支持.基于MODIS L1B数据、MODIS标准火点产品MOD14、全国秸秆焚烧火点日报数据为基础,采用改进型MODIS火灾探测算法,并通过IDL语言实现,得到秸秆焚烧火点空间分布信息,并进行空间与定量精度分析.研究表明:火点大部分位于河北省南部的一些地区,其中尤以邢台、石家庄、邯郸火点数量最为突出;该算法运算速度快,获取的秸秆焚烧火点数据具有一定检测精度和可靠性,对秸秆焚烧的监测具有一定的实用价值.