全球定位系统

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2021年第46卷第2期

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理论与探讨

基于5G毫米波到达时间差的室内定位算法

李芳馨, 涂锐, 韩军强, 张垠, 洪菊

2021, 46(2): 1-6. doi: 10.12265/j.gnss.2021012901

[摘要](1591) [HTML全文] (520) [PDF 996KB](259)

摘要:
随着第五代移动通信技术(5G)时代的到来，以毫米波通信为代表的技术得到了日益广泛的关注. 5G毫米波信号的带宽大、频率高、时延短，并且信道稀疏，所以能够为基于到达时间(TOA)和基于到达时间差(TDOA)的定位提供更加准确的测量值，有利于实现高精度的室内定位. 研究了三种应用于室内的5G毫米波TDOA定位算法，并结合卡尔曼滤波进行了试验验证分析与比较. 结果表明，基于5G毫米波的室内静态定位精度可达0.2886 m，动态定位的精度可达0.6076 m.

机载预警雷达测角误差对探测航迹影响分析

姚华飞, 幸涛, 鲁卫红

2021, 46(2): 7-12. doi: 10.12265/j.gnss.2020102301

[摘要](564) [HTML全文] (312) [PDF 2134KB](22)

摘要:
针对载机转弯时段，机载预警雷达系统探测航迹偏差较大的问题，建立载机姿态、预警雷达测角与探测航迹数据的坐标转换关系模型，剖析了航迹偏差影响机理. 首先对预警雷达系统存在测角误差的情况下，平台姿态变化与探测目标投影位置关系的分析，建立坐标转换矩阵，编写仿真程序，然后利用实际飞行数据进行仿真运算，仿真验证结果与预警雷达实际探测情况一致. 分析结果证实了引起航迹偏差的主要原因是仰角系统误差，明晰了误差传递途径，促进了机载预警雷达系统研制改进.

基于接收机钟差约束的精密单点定位时间传递研究

赵传宝, 盛传贞, 张宝成

2021, 46(2): 13-17. doi: 10.12265/j.gnss.2020120901

[摘要](533) [HTML全文] (306) [PDF 897KB](48)

摘要:
精密单点定位(PPP)技术起初主要面向定位与导航等位置应用. 近年来，PPP技术逐渐成为时间传递等非定位应用的一种重要且有效的手段. 如今，具有更高稳定性的氢原子钟也被越来越多的测站用来提供时间频率基准. 而传统的PPP时间传递方法通常在数据处理时将接收机钟差参数视为白噪声(WN)参数进行处理，并未充分利用原子钟的高稳定特性. 因此，基于实测数据计算得到氢原子钟的经验方差，提出了一种接收机钟差参数的约束方法来提高PPP时间传递性能. 通过三条时间链路进行验证分析，结果表明：相较于传统的PPP时间传递方法，提出的基于接收机钟差约束的PPP时间传递方法在整体上具有更高的稳定性，其中短期稳定性可以实现量级的提升.

INS/GNSS/ODO嵌入式系统的容错技术研究

张芳宁, 江金光, 严培辉, 谢东朋, 陶毅峰

2021, 46(2): 18-24. doi: 10.12265/j.gnss.2020110302

[摘要](727) [HTML全文] (355) [PDF 1368KB](51)

摘要:
车载低成本嵌入式组合导航系统的可靠性容易受到多种传感器故障和环境的影响，基于全球卫星导航系统(GNSS)状态的惯性导航系统(INS)/GNSS/里程计(ODO)抗差组合导航算法，提出了一种两级故障检测处理方法. 其中，第一级检测使用了基于解析冗余的残差卡方检验法，第二级检测使用了改进的双状态传播卡方检验算法. 利用自主研制的GN310低成本嵌入式系统采集路测数据. 结果表明：相对于传统算法，水平定位精度提升了39.7%；另外在半实物仿真下，水平定位误差保持在3 m以内，表明该容错方法能够有效地处理ODO、INS故障和GNSS软硬故障.

海洋潮汐负荷对精密单点定位的影响研究

李艳红, 成芳, 沈朋礼, 肖厦

2021, 46(2): 25-31. doi: 10.12265/j.gnss.2020090401

[摘要](571) [HTML全文] (288) [PDF 793KB](39)

摘要:
在全球范围内选取地处内陆、沿海和岛屿的85个国际GNSS服务(IGS)测站，对其一天的观测数据进行无海洋潮汐改正和加入GOT4.8海洋潮汐改正模型两种解算，分析了海洋潮汐负荷对全球不同地理区域IGS测站精密单点定位(PPP)精度的影响. 结果表明：岛屿测站受海洋潮汐负荷的影响范围最广，改正量最大. 加入海洋潮汐改正后，约91%的岛屿测站在PPP中定位误差得到了改正，沿海测站和内陆测站得到改正的比例分别约为85%和82%；海洋潮汐改正对测站的N方向几乎起不到改正的作用，对E方向的影响较小，对U方向影响最大，其中在岛屿测站的U方向上影响范围是2~8 mm，部分站点接近厘米级.

热点追踪

基于动态聚类的卫星导航信号多波束抗干扰方法

郑雅萍, 赵璐璐, 龚文斌, 邵丰伟, 常家超

2021, 46(2): 32-36. doi: 10.12265/j.gnss.2021020401

[摘要](645) [HTML全文] (248) [PDF 2256KB](65)

摘要:
针对卫星导航抗干扰需求，研究了基于自适应波束形成的多波束抗干扰技术. 为了解决传统固定多波束抗干扰方法在波束数目受限时无法兼顾所有导航卫星信号导致接收性能下降的问题，提出了一种基于K-means聚类算法的动态指向多波束抗干扰方法. 建立天线阵列进行仿真，结果表明，该方法在接收的北斗卫星信号数目多于波束数目时，抗干扰性能优于传统方法.

北斗三号精密单点定位精度分析研究

陈哲正, 欧阳明俊, 朱祥维, 戴志强, 傅其祥

2021, 46(2): 37-43. doi: 10.12265/j.gnss.2020112701

[摘要](1493) [HTML全文] (509) [PDF 1931KB](95)

摘要:
2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)正式开通. BDS-3增加播发B1C、B2a新信号，结合原有北斗二号(BDS-2)的B1I、B2I、B3I信号，5个频点形成7种消电离层组合，进行双频精密单点定位(PPP)研究，结果表明所有组合PPP定位精度在厘米级.

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

王汉民

2021, 46(2): 44-48. doi: 10.12265/j.gnss.2020082504

[摘要](696) [HTML全文] (311) [PDF 811KB](50)

摘要:
针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能，基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据，分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现，BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型，地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内，而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内，整体提升关系为：BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.

典型低轨卫星星座导航增强性能对比性评估研究

江旭东, 陈潇, 马满帅, 王莹, 梁任腾, 杨子佳

2021, 46(2): 49-55. doi: 10.12265/j.gnss.2020111202

[摘要](855) [HTML全文] (306) [PDF 17555KB](124)

摘要:
选取国外的Iridium NEXT系统、国内的“鸿雁”星座和“微厘空间”共三个典型低轨星座对北斗卫星导航系统(BDS)从信号落地功率、可见卫星数和精度衰减因子(DOP)等方面进行导航增强分析.结果表明：由于星座结构和卫星数目的不同，低轨星座对导航系统的增强能力存在差异. Iridium NEXT系统和“鸿雁”星座等极轨星座对极地地区有较强的导航增强能力，但随着纬度的降低增强能力下降明显，而以倾斜轨道为主的“微厘空间”在中低纬度的导航增强能力更强.

基于GPS时间序列分析的地震前后噪声特性差异性研究

杨登科

2021, 46(2): 56-61, 92. doi: 10.12265/j.gnss.2020100905

[摘要](540) [HTML全文] (286) [PDF 548KB](26)

摘要:
针对现有地震预测研究中噪声特性分析研究较少，就较大地震对GPS时间序列噪声特性的影响进行分析. 选取较大地震及相应的临近测站，将GPS时间序列按照时间跨度分为震前4～3 a、前3～2 a、前1～0 a、震后0～1 a、后1～2 a五个时段，分别求取各时段的谱指数，采用不同的噪声模型组合对它们进行噪声特性分析，然后对结果进行对比. 结果表明：地震前后谱指数、速度场、振幅相位等变化较大，GPS时间序列噪声特性对地震响应明显；部分测站地震前后谱指数、速度场、周年振幅等较震前1～0 a具有一致性；地震孕育阶段，闪烁噪声+白噪声(FN+WN)在所有最优噪声模型中所占比例上升，闪烁噪声+随机漫步噪声+白噪声(FN+RWN+WN)中FN在所有噪声分量中所占比例上升，震后均下降，与地震时能量释放，地震后站点运动态势恢复常态相一致.

不同卫星高度角对GPS/GLONASS/BDS/Galileo融合定位的影响

覃继前, 徐宁辉, 梁月吉

2021, 46(2): 62-68. doi: 10.12265/j.gnss.2020102003

[摘要](707) [HTML全文] (584) [PDF 2219KB](235)

摘要:
研究不同卫星高度角对GPS/GLONASS/BDS/Galileo(G+R+B+E)融合定位的影响，并建立了相应的模型. 采用MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的全球卫星导航系统(GNSS)数据，经理论分析和算例表明：G+R+B+E组合使得参与定位的有效卫星增多，在不同的卫星高度角下均能保证较多的卫星数，保证较好的空间几何分布结构；组合系统达到一定的卫星数后，卫星高度角对定位结果影响不大；当卫星高度角大于30°时，相对于单一的GPS定位G+R+B+E在3D方向的外符合定位精度有所改善.

技术与应用

GPS-RTK/UWB紧组合精密动态定位性能分析

王生亮, 刘根友, 高铭, 曹士龙, 肖恭伟, 赵文浩

2021, 46(2): 69-76. doi: 10.12265/j.gnss.2020110603

[摘要](682) [HTML全文] (756) [PDF 3867KB](74)

摘要:
为克服GPS-RTK定位在复杂环境下由于信号遮挡，可视卫星数量不足等原因无法获取厘米级高精度定位结果的不足，研究将超宽带(UWB)短距离高精度定位系统与实时动态(RTK)进行紧组合来提高复杂环境下动态定位的精度. 依据UWB定位原理，给出了GPS-RTK/UWB紧组合数学模型，详细介绍了数据处理流程. 滑轨动态实验结果表明，观测环境良好时，GPS-RTK/UWB紧组合与GPS相比能进一步提升固定率和动态定位精度；在截止高度角为40°的情况下，模糊度固定率从20.93%显著提升到93.96%，N、E方向定位精度提升至厘米级，U方向定位精度提升至分米级，仍能满足一定的工程需要.

基于铱星突发信号的导航定位技术研究

崔志颖, 岳富占, 田润, 张爽娜

2021, 46(2): 77-85. doi: 10.12265/j.gnss.2020121503

[摘要](1302) [HTML全文] (356) [PDF 1955KB](123)

摘要:
全球导航卫星系统(GNSS)存在落地信号弱、易受干扰等问题，而低轨卫星系统因其较高的信号落地功率、较低的信号空间损耗以及较好的多普勒特性逐渐成为导航领域的研究热点. 铱星星座是目前唯一已实现全球覆盖的低轨卫星系统，其提供的授时与定位(STL)能力主要服务于美国军方，具体信号体制及接收处理技术均未公开发布. 通过对铱星STL突发信号体制开展深入研究及解析，提出利用STL突发信号实现非合作导航定位，并通过实收信号完成了定位解算算法验证，实收试验结果表明所提算法能够实现精度优于100 m的定位. 研究成果能够为我国低轨导航系统建设提供理论基础，有效推进下一代卫星导航系统持续发展.

倾斜摄影技术的单体塔式建筑物三维重建方法

王晓东, 岳军红, 陈兴芳

2021, 46(2): 86-92. doi: 10.12265/j.gnss.2020092502

[摘要](514) [HTML全文] (328) [PDF 1092KB](31)

摘要:
针对塔式单体建筑物形状不规则导致三维模型构建失败，提出倾斜摄影技术的塔式单体建筑物三维重建方法. 选用消费型多旋翼无人机搭载单镜头的相机，通过环线拍摄的方式获取多视影像数据，通过ContextCapture软件对获取的多视影像数据进行处理，构建塔式建筑物的实景三维模型，利用外业控制点、纹理细节信息对生成的三维模型精度评定. 试验表明：环线航拍获取多视影像数据构建三维模型，精度较高、模型纹理信息缺失少、完整度高.

多源管线信息采集平台及其应用

王涛, 蔡东健, 周旺辉, 王家珂

2021, 46(2): 93-97. doi: 10.12265/j.gnss.2020112702

[摘要](456) [HTML全文] (196) [PDF 1529KB](23)

摘要:
针对传统管线信息采集方式依赖纸质地图、手记采集信息、采集效率低下和项目管理复杂的问题，研究了多源管线信息采集平台. 平台将移动地理信息系统(GIS)技术、全球卫星导航系统(GNSS)技术和无线网络通信技术相结合，涵盖了基于切片地图Web服务的地理信息快速发布、多源GNSS设备与移动端的数据通讯、云服务的移动系统搭建、平台模块化开发与管理以及内业成图自动化等模块，实现了快、准、全的测绘地理信息采集模式，增强了数据采集时的数据共享与协同性，提高了管线信息采集与调查项目智能化管理水平.

北斗卫星导航系统在近海无人水下航行器路径跟踪方面的应用

吴子岳, 李二杨, 王儒

2021, 46(2): 98-103. doi: 10.12265/j.gnss.2020112704

[摘要](954) [HTML全文] (351) [PDF 962KB](60)

摘要:
针对无人水下航行器(UUV)沿给定路径航行时会出现各种偏差的问题，设计了一款运用高性能STM32单片机与UM220-Ⅳ N定位模块搭建的导航定位分系统. 将其应用于UUV特定的路径跟踪方面，通过单片机将北斗定位模块采集到的UUV位置坐标、航速航向等数据发送到上位机，上位机将其与给定跟踪路径数据进行对比，计算路径偏差并通过单片机控制UUV的驱动模块改变UUV运动方向，实现对给定路径的精确跟踪. 同时通过无线通讯模块，将UUV路径轨迹及采集的水质信息实时显示在岸基监控系统上位机软机界面. 水下实验表明，UUV路径跟踪精度明显提高，为纠正UUV路径跟踪偏差提供了一种参考方法.

神经网络在SINS/GPS组合定位中的应用

储诚涛, 吴峻

2021, 46(2): 104-110. doi: 10.12265/j.gnss.2020120802

[摘要](859) [HTML全文] (285) [PDF 3521KB](103)

摘要:
地籍测量中，单一系统无法满足定位要求，组合定位技术应运而生. 其中，捷联惯性导航系统(SINS)和GPS组合定位应用最为广泛.在卫星信号受到干扰失效区域，系统进入纯SINS解算，定位误差会逐渐累积，无法满足定位精度要求. 针对此问题，提出一种长短期记忆(LSTM)神经网络辅助的组合定位算法. 根据LSTM神经网络能够有效运用于长距离时间序列的特性，在GPS有效区域，用卡尔曼滤波(KF)算法对SINS/GPS信号进行数据融合得到精确定位信息，同时利用惯性测量单元(IMU)、GPS和SINS输出信息对神经网络进行训练；在GPS失效区域，利用训练好的神经网络预测GPS位置信息，使得系统能继续用卡尔曼滤波器滤波. 最后结合地籍测量特点，设计了仿真实验，证明了该算法在GPS信号失效时可以有效抑制系统误差发散、提高定位精度，在不同运动状态下依然可以满足定位精度要求、鲁棒性强.