全球定位系统

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2021年第46卷第1期

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理论与探讨
技术与应用

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理论与探讨

基于GNSS多径信号的反射面参数估计算法

邵乙伦, 赵娟, 刘承禹, 王岩, 陈新

2021, 46(1): 1-6. doi: 10.12265/j.gnss.2020111601

[摘要](591) [HTML全文] (360) [PDF 1013KB](53)

摘要:
全球卫星导航系统（GNSS）多径信号广泛存在于城市峡谷等复杂导航定位场景中. 多径信号在干扰GNSS接收机并造成系统定位精度下降的同时，也为接收机提供了周边反射面环境信息. 在码相位延迟幅度联合跟踪算法（CADLL）实现GNSS多径信号感知和特征参数提取的基础上，设计实现了基于粒子滤波的反射面参数估计算法. 该算法可以在GNSS多径环境中增强接收机的环境感知能力，相关环境信息可应用于场景感知、避障、路径规划和定位增强等领域. 静态环境下进行GNSS多径信号采集和算法测试，实验结果表明该算法能够有效估计反射面位置参数，反射面方位角均方根误差（RMSE）小于10°，反射面俯仰角RMSE小于5°，反射面距离RMSE小于10 m.

超定测距定位方程参数估计的松弛重心迭代法

袁兴明, 孙振

2021, 46(1): 7-12. doi: 10.12265/j.gnss.2020052504

[摘要](408) [HTML全文] (292) [PDF 723KB](17)

摘要:
针对重心迭代法收敛速度缓慢的不足，基于残差最小步长准则，提出了一种松弛重心迭代法. 该方法依据残差最小性质，导出了松弛因子的确定公式，从而自适应调整迭代步长来提高重心迭代法的收敛效率. 松弛重心迭代法实质为最速下降法，具有迭代格式简单、无需矩阵求逆和计算海森矩阵的优点. 最后采用全球卫星导航系统（GNSS）定位数据和水下定位数据进行验证，结果表明松弛重心迭代法能够明显提高重心迭代法的收敛效率.

基于PCA-SMO的CSI指纹定位方法

孟俊剑, 邹进贵, 赵胤植

2021, 46(1): 13-19. doi: 10.12265/j.gnss.2020111301

[摘要](671) [HTML全文] (410) [PDF 1256KB](42)

摘要:
Wi-Fi信道状态信息（CSI）中包含丰富的特征信息，使得基于CSI的指纹定位方法可以构建更高维度的特征以改善定位精度，但指纹特征中的冗余信息也导致构建的指纹库存储量大、建立定位模型的时间开销变大以及实时定位计算量大等问题. 对此，提出使用主成分分析（PCA）的方法对原始指纹特征进行降维，而后利用序列最小最优化算法（SMO）建立降维后特征与对应位置的回归模型并进行位置预测. 实验结果表明，此算法在有效克服上述问题的同时，平均定位误差为1.25 m，定位误差在2 m之内的累计概率可以达到97%.

顾及控制点均匀性的无人机实景三维建模精度分析

成李博, 李佳, 段平, 王云川

2021, 46(1): 20-27. doi: 10.12265/j.gnss.2020102801

[摘要](574) [HTML全文] (287) [PDF 1487KB](28)

摘要:
无人机（UAV）倾斜摄影技术以其低成本、高效率、高精度等优点成为实景三维模型构建的主流. 实景三维模型的精度受很多因素影响，研究主要从控制点分布均匀性的角度出发，探究其对实景三维模型精度的影响，提出一种较为普适的控制点均匀性衡量指标. 研究中设计了两种不同数目的控制点实验，每种实验各包含3种不同均匀性分布方案. 使用UAV获取实验区航空影像，分别采用6种方案参与模型构建. 通过分析模型精度，结果表明：控制点均匀性较低时实景三维模型精度较差，高程精度比平面精度差；增加控制点的均匀性会提升模型的整体精度；控制点均匀性的提升对均匀性较低时模型精度的改善较高；控制点均匀性可作为一种评价指标应用于外业控制点的布设中去.

基于卡尔曼滤波和改进DBSCAN聚类组合的GPS定位算法

葛倩, 侯守明, 赵文涛

2021, 46(1): 28-35. doi: 10.12265/j.gnss.2020100904

[摘要](1108) [HTML全文] (175) [PDF 1093KB](70)

摘要:
实时获取智能移动终端的地理位置信息是增强现实（AR）实景智能导航系统实现的关键，为了提高智能终端GPS定位的精度，提出了一种基于卡尔曼滤波与改进的具有噪声的基于密度的聚类方法（DBSCAN）结合的GPS组合定位优化方法. 通过对GPS系统采集到的位置坐标数据进行卡尔曼滤波，去除较大的数据波动，控制定位误差范围，采用DBSCAN聚类算法进行分类去噪和二次聚类，对类中数据求得算术均值和类间数据总数进行加权求重心，确定位置坐标. 实验结果表明，提出的算法能有效提高GPS单点定位精度，减少定位误差，同时很好地满足了AR实景智能导航系统实时性和鲁棒性的要求.

基于紧耦合的视觉惯性定位方法

卢佳伟, 许哲

2021, 46(1): 36-42. doi: 10.12265/j.gnss.2020082801

[摘要](618) [HTML全文] (284) [PDF 1373KB](42)

摘要:
惯性测量单元（IMU）受自身温度、零偏、振动等因素干扰，积分时位姿容易发散，并且机器人快速移动时，单目视觉定位精度较差，为此研究了一种基于紧耦合的视觉惯性即时定位与地图构建（SLAM）方法. 首先研究了视觉里程计（VO）定位问题，为减少特征点的误匹配，采用基于快速特征点提取和描述的算法（ORB）特征点的提取方法. 然后构建IMU的数学模型，使用中值法得到运动模型的离散积分. 最后将单目视觉姿态与IMU轨迹对齐，采用基于滑动窗口的非线性优化得到机器人运动的最优状态估计. 通过构建仿真场景以及与单目ORB-SLAM算法对比两个实验进行验证，结果表明，该方法优于单独使用VO，定位精度控制在0.4 m左右，相比于传统跟踪模型提高30%.

顾及有色噪声影响的甘肃境内CMONOC基准站坐标时间序列分析

刘双童, 徐鉴民, 高志钰, 陈晨, 杨树文

2021, 46(1): 43-49. doi: 10.12265/j.gnss.2020101002

[摘要](496) [HTML全文] (226) [PDF 1487KB](27)

摘要:
针对甘肃省境内19个CMONOC基准站坐标时间序列结果，采用极大似然估计法（MLE）探讨了各基准站的最优噪声模型，确定了基准站的速度场，并分析了甘肃省地壳运动状况. 研究结果表明：甘肃省境内CMONOC基准站各坐标分量噪声特性存在较大的差异，“白噪声+闪烁噪声（WN+FN）”为最优噪声模型，能够更好地描述基准站坐标时间序列3分量上的噪声特性，且估算的速率不确定度是仅考虑WN时的4~15倍. 甘肃省CMONOC基准站在ITRF14框架下水平方向运动的平均速率为34.54 mm/a，运动方向为SEE 98.07°；相对于欧亚板块的水平方向运动的平均速率为6.49 mm/a，运动方向为NEE 79.23‬°.

窄带与脉冲干扰对卫星导航信号载噪比的影响

郭海玉, 鲁祖坤, 陈飞强, 刘小汇, 庄钊文

2021, 46(1): 50-56. doi: 10.12265/j.gnss.2020100901

[摘要](1051) [HTML全文] (309) [PDF 962KB](102)

摘要:
现代电磁环境日趋复杂，导航接收机受到各式各样干扰的风险越来越高，窄带干扰和脉冲干扰就是对卫星导航信号常见的压制干扰手段. 不同的干扰信号具有不同的时频域特征，对卫星导航信号造成的影响也有很大差异，这种影响主要体现在信号的载噪比和误码率等方面. 针对目前国内脉冲干扰的性能研究不足的现状，通过对比窄带干扰性能评估方法提出了适应于脉冲干扰的抗干扰品质因数计算公式. 推导了脉冲干扰下在时域计算信号等效载噪比的方法，并对推导结果做了仿真验证，结果表明：不同占空比的脉冲干扰下，等效载噪比计算误差小于0.5 dB，结果较为准确.

BDS-3新频率与Galileo单频组合伪距单点定位精度分析

彭劲松

2021, 46(1): 57-61. doi: 10.12265/j.gnss.2020102001

[摘要](761) [HTML全文] (271) [PDF 747KB](29)

摘要:
为对比分析北斗三号（BDS-3）/Galileo相同频率伪距单点定位精度，基于MGEX（Multi-GNSS Experiment）分布的跟踪站实测数据，分析了BDS-3、Galileo以及BDS-3/Galileo单系统单频、双系统相同频率组合和非相同频率组合伪距单点定位精度. 经研究发现，BDS-3/Galileo相比单系统有效提升了卫星可见数与卫星空间分布几何结构，在单系统定位方面，BDS-3系统B1C和B2a伪距单点定位精度优于Galileo对应相同频率的伪距单点定位精度，在双系统定位方面，BDS-3/Galileo相同频率组合伪距单点定位精度优于非相同频率组合，双系统组合定位对Galileo单系统定位精度提升优于BDS-3，表明BDS-3相同频率的设计有效地提升了与Galileo系统的兼容性.

无转换参数下参考框架间Helmert直转模型及精度分析

姜英明, 纪晓雨, 侯晓伟, 冯彦同

2021, 46(1): 62-67, 88. doi: 10.12265/j.gnss.2020102002

[摘要](782) [HTML全文] (334) [PDF 880KB](24)

摘要:
针对基于布尔莎模型的Helmert转换公式，当两个坐标参考框架没有直接的转换参数，但可通过“中间过渡”框架进行转换时，推导了由“中间过渡”参数计算直接转换参数的公式，以解决多步“过渡”转换时的复杂和低效问题. 以EUREF公布的714个站点坐标和速度为例，将其从ETRF2014框架转换到ETRF2000框架. 结果表明使用该方法计算的直接转换参数与间接转换相比，坐标差异在$ {10}^{-8} $ m量级，速度差异在$ {10}^{-9} $ m/a量级，精度分析结果验证了该计算方法的可行性.

BDS-3数据质量及SPP定位性能分析

谭理庆, 曹阳, 彭琦, 唐帅, 刘俊, 杨鑫

2021, 46(1): 68-76. doi: 10.12265/j.gnss.2020102802

[摘要](688) [HTML全文] (563) [PDF 1675KB](57)

摘要:
北斗三号（BDS-3）已完成建设，在此之际对BDS-3观测数据质量及定位性能进行研究分析是一项很有意义且必要的工作. 本文利用MGEX（Multi-GNSS Experiment）站的观测数据评估分析了BDS-3的观测数据质量及伪距单点定位精度，并同时与北斗二号（BDS-2）、GPS的定位精度进行对比分析. 结果表明：BDS-3在各测站的数据完整率都在95%以上；各频段的信噪比均值均高于45 dB·Hz，但地球静止轨道（GEO）卫星信噪比频繁大幅波动；各类型卫星的伪距多路径平均值都低于35 cm，大部分卫星的伪距观测值噪声普遍小于0.3 m. BDS-2/BDS-3组合定位精度相较于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升，但在高纬度地区对BDS-3定位精度提升幅度很小. BDS-3在全球各区域均能获得水平优于3 m、高程优于4 m的定位精度，与GPS定位性能大致相当.

基于不同GNSS增强系统的激光巡线数据分析

吴涛, 张星炜, 王红星, 黄郑, 宋煜, 梁森

2021, 46(1): 77-82. doi: 10.12265/j.gnss.2020111902

[摘要](476) [HTML全文] (283) [PDF 927KB](30)

摘要:
无人直升机搭载激光雷达（LiDAR）进行输电线路巡检具有高精度、低成本的优点，为了获取高精度输电线路三维点云高精度地理空间坐标，采用基于基站差分动态后处理（PPK）、江苏省连续运行参考站（JS-CORS）、千寻位置（QX-CORS）等三种不同定位服务方式进行输电线路巡检，分析了三种定位下获取的点位定位精度以及点云质量. 实际结果表明，PPK定位方式平面检核点与高程检核点误差平均值皆在0.1 m以内，其精度最高，数据质量最好，JS-CORS实时定位方式与QX-CORS实时定位方式精度次之. 为无人直升机搭载LiDAR进行输电线路巡检选择定位方式提供了参考.

山东CORS坐标时间序列周期与噪声特征分析

席换, 曲国庆

2021, 46(1): 83-88. doi: 10.12265/j.gnss.2020120902

[摘要](641) [HTML全文] (175) [PDF 726KB](37)

摘要:
针对不同区域的周期和噪声特性存在差异，以27个山东连续运行参考站（CORS）2015—2018年的坐标时间序列为研究对象，进行周期和噪声特征分析. 结果表明：坐标时间序列并没有严格的周期信号，U方向的周期运动较为规律；坐标分量的谱指数显示大部分站点可用白噪声（WN）+闪烁噪声（FN）的噪声模型进行描述；采用最大似然估计法（MLE）确定山东CORS站坐标时间序列N方向的最佳噪声模型为WN+FN，E、U方向的最佳噪声模型为WN+FN+随机漫步噪声（RWN）.

技术与应用

基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析

郭秋英, 侯建辉, 刘传友, 徐铭泽, 孙英君

2021, 46(1): 89-97, 111. doi: 10.12265/j.gnss.2020090802

[摘要](403) [HTML全文] (401) [PDF 1305KB](34)

摘要:
对我国刚布署完成的北斗三号卫星导航系统（BDS-3）的大气水汽探测性能作初步分析可更好地发挥BDS-3的气象探测潜能. 采用全球不同位置的台站进行几种手段的对比，探测结果具有代表性和说服力. 研究结果表明：将BDS-3/PWV（大气可降水量）与GPS/PWV对比，平均偏差（BIAS）优于1.0 mm，均方根误差（RMSE）优于2.0 mm，相关系数均在94%以上；BDS-3/PWV与GPS/PWV求差取绝对值后的平均值（MEAN）为1.1 mm，比北斗二号（BDS-2）降低了71%；BDS-3/PWV与GPS/PWV的RMSE为1.4 mm，比BDS-2降低了63%. 将BDS-3/PWV与ERA5/PWV对比， BIAS优于2.9 mm，RMSE优于2.8 mm，相关系数均在92%以上，BDS-3/PWV与ERA5/PWV的MEAN为2.1 mm，比BDS-2降低了48%；BDS-3/PWV与ERA5/PWV的RMSE为1.6 mm，比BDS-2降低了57%. BDS-3探测水汽性能明显优于BDS-2；BDS-3水汽探测结果与GPS、ERA5再分析资料有很好的一致性.

一种结合语义分割模型和图割的街景影像变化检测方法

李文国, 黄亮, 左小清, 王译著

2021, 46(1): 98-104. doi: 10.12265/j.gnss.2020110401

[摘要](655) [HTML全文] (358) [PDF 1362KB](30)

摘要:
由于街景影像具有地物尺度多样化、地物界限不明确、地物光谱信息复杂等问题，造成应用统计方法、机器学习等方法对复杂度高的街景影像变化检测性能欠佳. 因此提出一种结合语义分割模型和图割（GC）的街景影像变化检测方法. 该方法首先采用Camvid数据集训练DeeplabV3+网络得到的迁移学习模型对两个时期的街景影像进行语义分割；然后采用GC方法实现消除天空和植被等对街景影像的影响；接着采用变化向量分析（CVA）获取差异影像，最后对差异影像进行二值化和精度评价. 研究结果表明，提出的方法总体精度优于大津法（OTSU）、K均值法、Segnet网络迁移学习模型方法和DeeplabV3+网络迁移学习模型方法，是一种可行的街景影像变化检测方法.

基于BDS短报文服务的海流机-岸基通信

王永鼎, 陈小锋

2021, 46(1): 105-111. doi: 10.12265/j.gnss.2020102005

[摘要](482) [HTML全文] (301) [PDF 996KB](37)

摘要:
为了解决海流机海上作业的工况监测和海流机与岸基的远距离通信及数据传输困难等问题，选择将北斗卫星导航系统（BDS）应用到海流机在海上的定位和通信中. 分析海流特点和海流机的几种常见工况. 介绍基于北斗卫星导航系统-卫星无线电导航业务（BDS-RNSS）的海流机定位原理和BDS的短报文通信特点. 将“位拼接-LZW”双重数据压缩应用到短报文通信系统中. 设计一种适用于海流机通信的主控制系统并拟定海流机和岸上用户终端之间的通信方案，旨在提高通信效率和增大数据传输量.

基于BDS的可燃冰开采环境监测与评估系统设计

曹宇, 方会凌, 赵永旗, 崔海朋

2021, 46(1): 112-118. doi: 10.12265/j.gnss.2020110601

[摘要](531) [HTML全文] (252) [PDF 1682KB](29)

摘要:
天然气水合物（NGH）开发技术已成为当今世界科技创新的前沿. NGH资源需要安全开发和环境保护并重，为加快海底NGH商业化生产步伐，亟需加强海底开采环境长期监测工作，为此设计了一套基于北斗卫星导航系统（BDS）的NGH开采环境监测与评估系统. 通过展现大气、海水、海床、井下“四位一体”的3D可视化海洋立体空间场景，实现NGH开采环境传感器的实时数据采集及远距离传输，实现海底开采环境实时安全分析、跟踪及预警功能.