全球定位系统

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2021年第46卷第4期

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专题综述
技术与应用
理论与探讨

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2021-04期目录

2021, (4): .

[摘要](376) [HTML全文] (228) [PDF 1911KB](74)

摘要:

2021-04期封三

2021, 46(4): 1-1.

[摘要](486) [HTML全文] (342) [PDF 29530KB](71)

摘要:

专题综述

GNSS-R信噪比信号在海面测高技术的研究综述

胡媛, 钟李程, 陈行杨, 顾旺旺, 刘卫

2021, 46(4): 1-7. doi: 10.12265/j.gnss.2021011502

[摘要](1482) [HTML全文] (596) [PDF 1097KB](168)

摘要:
自全球卫星导航反射信号(GNSS-R)概念提出以来，GNSS-R被广泛应用于遥感方面. 如海面测高，海面风场反演，海冰检测等多个方面. 文中主要介绍了GNSS-R遥感技术在海面测高的应用和研究进展，着重介绍了基于信噪比(SNR)数据测量方法的研究进展，简述了SNR数据测量方法所涉及的理论和信号处理的办法，并根据现有的研究进展，对未来海面测高的发展方向进行展望.

不同全球电离层格网产品在中国区域的应用精度评估与分析

盛传贞, 张京奎, 张宝成

2021, 46(4): 8-15. doi: 10.12265/j.gnss.2021012703

[摘要](561) [HTML全文] (534) [PDF 1147KB](81)

摘要:
基于全球卫星导航系统(GNSS)跟踪站和Jason测高卫星获得的电离层总电子含量(TEC)，系统评估了国内外5家国际GNSS服务(IGS)电离层分析中心以及全球连续监测评估系统(iGMAS)综合中心的预报、快速和最终全球电离层格网产品(GIM)在中国区域的精度和标准单点定位应用性能. 结果表明：不同类型GIM产品在中国区域的精度由高到低分别是最终、快速和预报GIM产品；在太阳活动水平较低时，不同GIM产品精度大致相当；在太阳活动水平较高时，西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)和iGMAS的快速和最终GIM产品精度优于其他机构同类型产品.

技术与应用

基于DDS的BPM短波授时信号设计

赖文彬, 李实锋

2021, 46(4): 16-21. doi: 10.12265/j.gnss.2020111901

[摘要](556) [HTML全文] (253) [PDF 1112KB](49)

摘要:
BPM短波授时是利用短波电台进行我国标准时间和标准频率的发播，是一种经济而又方便的授时方法. 为解决BPM (中国科学院国家授时中心短波授时台)应用终端开发调试和测试标定的问题，在分析了BPM短波授时信号的特性和基于直接数字式频率合成器(DDS)技术信号生成原理的基础上，采用了现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP2S60F1020C4ES以及数模转换器(DAC)，通过理论分析结合仿真实验和捕获的实际波形验证了设计的正确性，进而为新一代BPM短波授时信号模拟器的设计研究和BPM应用终端开发调试、测试标定提供了基础.

一种基于跳数修正和跳距优化的DV-Hop定位算法

张媛, 王梅, 缪相林, 丁凰

2021, 46(4): 22-26. doi: 10.12265/j.gnss.2020121001

[摘要](588) [HTML全文] (208) [PDF 885KB](41)

摘要:
针对经典的DV-Hop算法因跳数和跳距计算误差所导致定位精度不高的问题，提出基于跳数修正和跳距优化的DV-Hop定位算法(NHDL). NHDL算法首先利用节点间所接收的信号强度值对跳数进行修正，减少跳数估计的误差；然后通过加权因子优化锚节点的平均跳距. 同时，利用共线性概念避免在定位过程中的锚节点共线问题；最后，利用最小最大法估计节点位置. 仿真结果表明：相比于传统的DV-Hop算法，NHDL算法降低了平均定位误差，提高了定位精度.

低频地波传播时延计算的地形优化处理方法

朱峙亚, 郭伟

2021, 46(4): 27-32. doi: 10.12265/j.gnss.2021012501

[摘要](439) [HTML全文] (204) [PDF 1045KB](28)

摘要:
附加二次相位因子(ASPF)是影响长波信号传播时间延迟的主要因素. 积分方程方法计算ASPF适用于地形复杂的路径，是目前广泛使用的计算方法. 它在推导过程中使用了稳定相位积分的近似方法，在地形起伏剧烈地区不再适用. 实际传播路径地形起伏变化巨大，通过数学形态法对实际传播路径修正，可以使路径保留基本几何轮廓并且光滑. 积分方程方法计算结果表明: 利用数学形态法可以有效优化处理实际传播路径.

高频GNSS信号去噪的小波和多方向主成分分析

李保金, 李艳艳

2021, 46(4): 33-39. doi: 10.12265/j.gnss.2021020601

[摘要](627) [HTML全文] (189) [PDF 1006KB](40)

摘要:
针对传统主成分分析(PCA)忽视测站各坐标分量之间相关性的问题，提出了一种小波去噪和多方向主成分分析(WD-MPCA)组合的方法. 该方法弥补了传统PCA的缺陷，与经验模态分解和主成分分析(EMD-PCA)组合方法及小波去噪和主成分分析(WD-PCA)组合方法相比，WD-MPCA组合方法精度最高. 经WD-MPCA组合方法去噪后，其平均中误差分别为0.83 mm、0.85 mm和8.30 mm，比原始坐标残差时间序列的平均中误差分别降低了81.14%、81.91%和40.37%. WD-MPCA组合方法充分考虑了各测站不同分量之间的相关性，可以有效去除信号中的高频随机白噪声(WN)和低频有色噪声(CN)，这对高频全球卫星导航系统(GNSS)技术的实际应用和理论发展具有重要的意义.

基于SCOUT+超短基线定位系统的海上失事飞机黑匣子探测方法

路青青, 郭金运, 秦建

2021, 46(4): 40-44. doi: 10.12265/j.gnss.2021040701

[摘要](449) [HTML全文] (169) [PDF 838KB](25)

摘要:
失事飞机黑匣子是空难见证者，一旦落入海中需要快速准确打捞. 利用Sonardyne公司生产的SCOUT+超短基线定位系统(USBL)中水深测位仪(pinger)模式，进行黑匣子模拟器的快速搜寻打捞. 在20 m水深海洋环境中，对黑匣子模拟器进行搜寻定位，平面位置定位精度达到6.35 m，角度交会定位精度达到2.78°. 剔除仪器安装固定误差后，角度精度达到0.40°. 由此结果表明：SCOUT+超短基线的黑匣子搜寻探测精度达到预计要求，能够达到实际需求.

理论与探讨

基于GNSS与网络通信融合定位的隔离者管理系统的设计与实现

卢天增, 甄卫民, 马宝田, 刘少林, 谭帅

2021, 46(4): 45-51. doi: 10.12265/j.gnss.2021053101

[摘要](436) [HTML全文] (215) [PDF 8757KB](58)

摘要:
针对中高风险地区入境人员在隔离期内管控难的问题，设计了一种基于全球卫星导航系统(GNSS)与网络通信融合定位的“隔离管家”管理系统. 该系统融合GNSS定位、无线蜂窝网络定位、无线局域网室内定位、云计算平台、地理信息系统等技术，实现了隔离者定位、隔离者运动轨迹上报、电子围栏设定、体温上报、体温监控、出圈告警和运动轨迹追踪等主要功能. “隔离管家”系统可为企事业单位提供隔离人员安全、有效地层级管理，做到对号入座、实时掌控、轨迹追溯.

基于BP神经网络的厘米级超宽带测距误差改正模型设计与实验

肖庭杨, 章迪

2021, 46(4): 52-58. doi: 10.12265/j.gnss.2021032901

[摘要](600) [HTML全文] (210) [PDF 1282KB](59)

摘要:
在室内复杂环境下，超宽带(UWB)测距误差难以通过常规方法进行有效补偿，严重制约了其定位精度. 在分析室内环境下UWB测距误差分布特点的基础上，设计了两种不同结构的BP神经网络误差改正模型. 模型BP1输入单个标签与4个基站的测距值，输出对应的4个测距误差；模型BP2输入一对标签、基站的三维坐标，输出对应的一个测距误差. 以高精度全站仪测量结果作为参考值，对网络进行训练，并对模型改正前后的测距和定位精度进行了对比分析. 结果表明：两种模型均能有效改正测距误差，提升定位精度.其中BP1测距和定位精度分别提高83.0%、75.9%，BP2测距和定位精度平均提高91.7%、93.8%. BP2相比于BP1能够更加有效地提高测距和定位精度，使定位精度由dm级提升至cm级.

几种附电离层约束GNSS单频PPP性能评估

李众, 葛海波, 卜宇航

2021, 46(4): 59-65. doi: 10.12265/j.gnss.2021052701

[摘要](434) [HTML全文] (533) [PDF 1101KB](87)

摘要:
针对单频精密单点定位(PPP)两种常用的定位模型：非组合模型和附加电离层约束模型，同时综合考虑电离层约束模型三种不同约束策略(常数约束，时空约束，逐步松弛)，对比分析了其使用GPS单系统及GPS+BDS双系统观测值的定位收敛时间，定位精度及其优缺点. 实验结果表明：使用GPS单系统，附加不同电离层约束对单频PPP收敛时间缩短效果显著，其中逐步松弛约束平均收敛时间最短，其平均收敛时间为32.36 min，四种定位模型收敛后的定位精度基本相当. 加入北斗卫星导航系统(BDS)后，四种定位模型的收敛时间均有不同程度的缩短，其中时空约束模型缩短最为显著，收敛时间缩短为单系统的59.22%. 在定位精度方面，加入BDS观测值后水平方向定位精度可提升0.5～1.3 cm，垂直方向定位精度略有下降.

GNSS高程代替五等水准在既有铁路改造工程勘测项目中的应用

闫建伟

2021, 46(4): 66-69. doi: 10.12265/j.gnss.2021051801

[摘要](359) [HTML全文] (220) [PDF 478KB](43)

摘要:
全球卫星导航系统实时动态(GNSS-RTK)技术已广泛应用于各工程领域测量中，文中简述了GNSS-RTK技术在铁路改造项目中应用的原理和优点. 利用区域控制网对水准点进行采集，将成果添加到点校正集中进行后校正. 将既有铁路改造项目与水准测量高程成果数据进行对比，得出通过增加一定数量的高程点、参与点进行校正. RTK高程能够达到五等水准高程的精度，在平原或山区地带类似项目应用中具有一定的借鉴意义.

验潮站坐标时间序列特性分析

付杰, 熊常亮, 孙喜文, 贺小星, 朱冀星

2021, 46(4): 70-75. doi: 10.12265/j.gnss.2021020702

[摘要](518) [HTML全文] (415) [PDF 1267KB](38)

摘要:
文中以298个验潮站作为研究对象，采用广义高斯-马尔科夫模型(GGM)、自回归滑动平均模型(ARMA)以及分形自回归聚合滑动平均模型(ARFIMA)三种模型，对验潮站坐标时间序列噪声模型特性及海平面变化趋势进行估计分析，并探讨了时间跨度对验潮站速度估计的影响. 实验结果表明：验潮站坐标时间序列主要呈现为ARFIMA(1,0)、ARFIMA(2,2)、ARMA (1,0) 噪声特性；验潮站速度估计结果表明64.77%的站点速度值所处区间为0～4 mm/a，平均海平面速度为1.25 mm/a，整体处于上升趋势. 随着时间跨度的增加，验潮站坐标序列速度不确定度逐渐由发散趋于收敛，大于110 a的时间跨度有助于获取稳健的验潮站速度估计值.

CEEMD与GRNN神经网络电离层TEC预报模型

高清文, 赵国忱

2021, 46(4): 76-84. doi: 10.12265/j.gnss.2020091401

[摘要](819) [HTML全文] (511) [PDF 1898KB](72)

摘要:
针对电离层电子总含量(TEC)存在非线性、非平稳，由多因素影响导致高噪声的问题，建立了补充集合经验模态分解(CEEMD)和广义回归神经网络(GRNN)模型相结合的CEEMD-GRNN电离层TEC预报模型. 以解决直接使用原始数据进行预测会导致拟合效果差、预测精度低的问题. 采用国际GNSS服务(IGS)中心提供的2019年电离层数据对高、中、低纬度磁暴和非磁暴的不同年积日数据进行实验，低纬处均方根误差(RMSE)最优可达到0.97 TECU，相对精度为91.28，验证了CEEMD-GRNN预报模型精度高于EMD-GRNN以及单一的GRNN模型.

Android智能手机GNSS数据质量分析

张垠, 涂锐, 洪菊, 李芳馨, 侯福荣

2021, 46(4): 85-92. doi: 10.12265/j.gnss.2021042501

[摘要](900) [HTML全文] (1019) [PDF 1832KB](120)

摘要:
随着全球卫星导航系统(GNSS)的不断建设，智能手机基于移动位置服务 (LBS)得到了迅猛发展. 文中选取市面上常见的3种手机机型，包括：三星S9+(Exynos)、华为Mate30和华为P40 Pro作为研究对象，并使用北斗星通UR4B0-D高性能GNSS接收机进行同步静态观测实验，从卫星可见数、载噪比(CNR)、卫星高度角和多路径误差等方面，对手机GNSS数据质量进行分析. 结果表明：不同型号手机在观测能力和数据质量方面存在明显差异. Android智能手机的GNSS数据质量较差，CNR较小，且CNR与卫星高度角无明显关系. 此外，多路径误差是影响Android智能手机高精度定位的主要误差项之一.

基于等效噪声模型的数字锁相环环路参数确定方法

封帆, 龚航, 臧文驰, 陈华明

2021, 46(4): 93-100. doi: 10.12265/j.gnss.2021020101

[摘要](481) [HTML全文] (300) [PDF 2385KB](60)

摘要:
理想情况下，数字锁相环(DPLL)的环路参数可以通过直接计算输入原子钟与压控振荡器(VCO)的相位噪声功率谱交点来确定. 但该方法不能考虑到锁相环(PLL)其他模块的噪声，这会导致输出性能恶化. 针对这一问题，文中从PLL模型出发，基于PLL环路传递函数和幂律谱模型，提出PLL模块噪声的等效方法. 该方法将PLL各模块噪声分别等效到输入和VCO的相位噪声上，使得PLL的噪声传递模型只含有等效输入噪声和等效VCO噪声. 然后可以直接计算两者相位噪声交点并设置合理的环路参数. 通过该方法确定的环路参数可以充分结合输入原子钟信号和VCO信号的相位噪声和频率稳定度特性，弥补了直接计算交点法不能考虑模块噪声的缺点. 实验表明：文中方法所选择的环路参数能使得输出信号具备良好的稳定度，可以为应用于净化原子钟信号的数字锁相装置环路参数的确定提供理论指导.

基于CORS的智能手机高精度定位平台研究

李晓华, 李伟, 王开锋, 马宁

2021, 46(4): 101-105. doi: 10.12265/j.gnss.2021020102

[摘要](424) [HTML全文] (237) [PDF 1181KB](69)

摘要:
以智能手机为载体，研究了连续运行参考站(CORS)和智能手机相结合高精度导航定位关键技术，形成了基于江苏省连续运行参考站(JS-CORS)的移动终端高精度导航定位解决方案. 同时，开发了相应软件系统，包含一套移动端手机软件(APP)和一套位置管理平台. 基于CORS的智能手机高精度定位平台的建设，对于延伸智能手机在地理测绘、智能交通、应急救援，公共安全等方面多场景应用，拓展CORS应用领域具有重要意义.

抗干扰型卫星导航接收机中本地载波优化技术

宋捷, 鲁祖坤, 陈飞强, 于美婷, 孙广富

2021, 46(4): 106-112. doi: 10.12265/j.gnss.2021011701

[摘要](683) [HTML全文] (264) [PDF 784KB](56)

摘要:
载波数字振荡器(NCO)是导航接收机中对接收信号进行载波剥离处理的关键部分. 在接收机的基带数字信号处理模块中，NCO通过量化位宽和地址字长分别对本地载波信号的幅值和频率进行量化，即通过存储器数据的位宽和深度设计本地载波. 在给定输入信号/干扰动态范围下，根据本地载波的特点，优化设计了载波NCO中只读存储器(ROM)的幅值量化位宽和地址字长，使其适应实际工程需求，在保证信噪比(SNR)损耗和频率误差的条件下避免了本地载波存储的冗余. 实验结果表明：从需求出发设计导航接收机本地载波的最优位宽和深度，可保证数字下变频SNR损耗小于0.1 dB，本地载波实际输出频率相对误差小于0.1%，且最优位宽和深度小于优化前，减小了存储资源占用率，有效地提高了本地载波输出信号在动态信号和干扰下的适应性.

基于宁夏地区再分析数据的加权平均温度建模与分析

李筱, 齐锋

2021, 46(4): 113-116. doi: 10.12265/j.gnss.2021031801

[摘要](280) [HTML全文] (181) [PDF 887KB](37)

摘要:
加权平均温度是全球卫星导航系统(GNSS)气象学中的一个重要物理量，以宁夏地区为例，基于2017年的历史再分析数据，建立了加权平均温度统计栅格模型，并通过与通用加权平均温度统计模型对比. 结果表明：新模型较通用模型在宁夏地区的加权平均温度的统计预报精度有较大幅度的提高，基于精度较高的需求，对于当地历史气象数据构建适合当地的加权平均温度模型是十分必要的.

基于FDE-IRF的室内指纹定位方法

张雯涛, 吴飞, 朱海, 通雁辉, 陆雯霞

2021, 46(4): 117-126. doi: 10.12265/j.gnss.2021030102

[摘要](420) [HTML全文] (147) [PDF 3522KB](52)

摘要:
针对传统指纹库存在建立工作量大以及随机森林匹配误差大等问题，提出了一种基于指纹库自动扩充的改进随机森林指纹定位方法(FDE-IRF)以提升指纹库构建的效率和指纹匹配的精度. 该方法对传统全采样构建指纹库方法和随机森林回归定位方法进行改进，稀疏采样多时间段的指纹数据和Kriging插值方法组合补全未采样指纹点，提升建库效率，得到强代表性的指纹库. 同时，利用决策树加权策略改进传统随机森林平均投票的方式，根据袋外数据评估决策树的预测误差，分配相应的权重，提高该算法的回归准确率. 实验结果表明：该方法的平均定位误差为1.26 m，其误差值比同类方法至少降低14.3%，验证了算法的准确性和有效性.