全球定位系统

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2023年第48卷第2期

栏目

卫星导航综述
理论与探讨
技术报告与应用

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2023 年 2 期目录

2023, 48(2): 1-2.

[摘要](156) [HTML全文] (123) [PDF 2014KB](25)

摘要:

卫星导航综述

GNSS载波相位精密时间传递数据处理技术综述

涂锐, 张鹏飞, 张睿, 范丽红, 韩军强, 王思遥, 卢晓春

2023, 48(2): 1-9. doi: 10.12265/j.gnss.2023003

[摘要](497) [HTML全文] (105) [PDF 2254KB](69)

摘要:
精密时间传递是时频领域最为基础的工作之一，在科技、经济、军事和社会生活中具有重要作用. 全球卫星导航系统(GNSS)因其众多优势成为精密时间传递的重要手段，尤其是近些年发展的基于高精度载波相位观测值的时间传递技术成为GNSS时频领域的研究热点. 本文对GNSS载波相位精密时间传递相关的研究进行了全面总结，对其数据处理涉及的观测模型、模糊度处理方法进行了归纳阐述，对精准性、一致性、稳健性、连续性、实时性、完好性等技术进行了探讨，并指出该领域未来应该重点解决非差与差分处理模型统一性、不同机理融合时间服务统一性和天空地海地下时间服务无缝性问题.

GNSS直接位置估计技术综述

周志健, 冉承新, 戴志强, 陈正坤, 徐奕禹, 朱祥维

2023, 48(2): 10-21. doi: 10.12265/j.gnss.2022199

[摘要](744) [HTML全文] (181) [PDF 2912KB](106)

摘要:
直接位置估计(DPE)是一种最大似然估计(MLE)最优的新型导航接收机技术，对弱信号以及多径干扰具有鲁棒性，能够克服传统两步法接收机在城市峡谷等复杂环境下无法正常工作的缺点. 本文首先分析了DPE在理论方面的优势潜力，总结了DPE实现层面临的问题，并在应用层给出了复杂环境下的接收机设计框架，该接收机根据信号可用程度来判断是否使用DPE进行导航定位，能够在消耗尽量少的算力资源下提高接收机在复杂环境下的定位性能.

理论与探讨

基于平方根信息滤波的北斗卫星实时定轨方法

姚夏, 郑鸿杰, 袁勇强

2023, 48(2): 22-29. doi: 10.12265/j.gnss.2023031

[摘要](254) [HTML全文] (256) [PDF 4015KB](49)

摘要:
连续、稳定、高精度的实时卫星轨道产品是北斗国际化、规模化、智能化应用的重要前提. 当前，北斗卫星导航系统(BDS)的实时精密轨道产品多基于“批处理解算+轨道预报”的超快速模式获得，存在连续性较差、稳定性较低、精度不高等问题. 为此，本文采用平方根信息滤波(SRIF)方法对北斗卫星精密轨道进行实时逐历元解算. 实验结果表明：相比于超快速定轨模式，基于实时滤波方法的轨道产品能够有效避免边界跳变，具有更好的连续性和稳定性；同时，实时滤波定轨方法能够显著提高BDS的轨道精度，其中中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)的三维轨道误差分别减小了46%和68%，卫星激光测距(SLR)检核精度也普遍优于预报轨道.

BDS-3 PPP/INS紧组合定位性能分析

宋德彪, 孙付平, 肖凯, 柯晔, 商向永, 于圆

2023, 48(2): 30-35. doi: 10.12265/j.gnss.2022196

[摘要](389) [HTML全文] (186) [PDF 4612KB](40)

摘要:
随着我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的全面建成，基于BDS-3的高精度定位定姿应用需求日益迫切. 推导了无电离层组合模式BDS-3 精密单点定位(PPP)模型及地心地固坐标系下的惯性导航系统(INS)误差方程，构建了BDS-3 PPP/INS紧组合定位滤波模型，分别针对BDS-3 PPP、BDS-3 PPP/INS松组合、BDS-3 PPP/INS紧组合三种模式进行了定位性能评估. 实验结果表明：BDS-3 PPP/INS松组合与 BDS-3 PPP位置精度基本一致；BDS-3 PPP/INS紧组合在东(E)、北(N)、天顶(U)方向位置精度为分别7.9 cm、9.3 cm、9.4 cm，较BDS-3 PPP/INS松组合位置精度分别提升了38.3%、33.1%、35.6%，速度精度分别提升了27.3%、45.8%、12%，姿态精度相当.

基于DCB和OSB产品的GNSS精密单点定位性能对比与分析

刘宏辉, 王潜心, 余志浩, 王茂雷, 刘永梁

2023, 48(2): 36-42. doi: 10.12265/j.gnss.2022191

[摘要](770) [HTML全文] (247) [PDF 2594KB](119)

摘要:
随着全球卫星导航系统(GNSS)的不断建设，精密单点定位(PPP)可用频率和通道逐步多元化. 文中在原始观测方程的基础上，分别推导出适用于差分码偏差(DCB)产品和绝对偏差(OSB)产品的双频无电离层组合(IF)PPP模型，并利用50个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站的10 d连续观测数据对两种策略对比分析了各GNSS系统PPP模型的定位性能. 结果表明：采用OSB产品的PPP模型在性能上与传统的DCB产品差异可以忽略不计，而且OSB产品在使用时更便利，更适合未来多频PPP的应用前景.

北斗三号新频点(B1C/B2a)单历元RTK定位性能分析

陶振强, 陈健, 赵兴旺, 刘超, 刘春阳

2023, 48(2): 43-52. doi: 10.12265/j.gnss.2022195

[摘要](525) [HTML全文] (219) [PDF 6566KB](47)

摘要:
北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a有效增加了北斗卫星导航系统(BDS)多频组合定位的多样性，并提升了定位性能. 为系统地评估BDS-3新频点实时动态(RTK)定位性能，选取6个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站构成三条基线，设计了BDS-3 B1I/B3I/B1C/B2a/B2b五种单频方案，BDS-2 B1I+B2I、BDS-2 B1I+B3I、BDS-3 B1C+B2a、BDS-3 B1I+B3I、BDS-2/BDS-3 B1I+B3I五种双频非组合方案和BDS-3 B1I+B3I+B1C+B2a+B2b五种频非组合方案进行RTK解算试验. 试验结果表明：当基线长度不超过25 km时，在静态模式下，东 (E)、北(N)和天顶(U)方向的BDS-3新频点B1C/B2a单频定位精度分别优于2.85 cm、1.67 cm和4.02 cm，双频定位精度分别优于1.63 cm、1.33 cm和3.26 cm，五频定位精度分别优于2.04 cm、1.12 cm和3.17 cm；在动态模式下， E、N和U方向的新频点单频定位精度分别优于3.03 cm、1.45 cm和6.49 cm，双频定位精度分别优于1.92 cm、0.95 cm和6.71 cm，五频定位精度分别优于2.32 cm、0.91 cm和4.89 cm. 两种模式下BDS-3新频点B1C+B2a与旧频点B1I+B3I双频定位精度相当，均优于BDS-2 B1I+B2I与B1I+B3I双频定位精度，同时BDS-3五频非组合方案定位精度与稳定性均优于单频和双频非组合方案.

基于复杂度与性能联合优化的卫星导航信号捕获方法

张鹏程, 黄新明, 侯林源, 李井源, 欧钢

2023, 48(2): 53-58. doi: 10.12265/j.gnss.2022169

[摘要](224) [HTML全文] (65) [PDF 2254KB](29)

摘要:
针对短突发信号捕获计算复杂度高的问题，提出了一种基于复杂度和性能联合优化的卫星导航信号捕获方法，推导分析采用并行频率搜索的分段相关-视频积累捕获算法的捕获性能和计算复杂度构建联合捕获优化因子. 对不同频率搜索间隔、不同接收机灵敏度和不同相关器个数三种情况分别进行了优化设计，得到其计算复杂度和捕获性能联合最优的分段数，并与传统单一捕获性能优化方法对比，仿真实验结果表明：该设计值与载噪比(CNR)、频率搜索间隔等因素相关，可以有效控制捕获算法的计算复杂度；在输入CNR为45 dB-Hz、相关器个数为8、多普勒搜索间隔为2 000 Hz的情况下，相比于传统捕获优化方法，可降低21.2%的计算复杂度.

差分码偏差对QZSS单点定位的影响

李佳豪, 贾小林, 杜彦君, 徐煜

2023, 48(2): 59-64. doi: 10.12265/j.gnss.2022220

[摘要](258) [HTML全文] (79) [PDF 2516KB](29)

摘要:
为探究差分码偏差(DCB)对准天顶卫星系统(QZSS)伪距单点定位(SPP)的影响，推导了QZSS伪距单点定位时间群延迟(TGD)和DCB改正模型，并选取6个MGEX (Multi-GNSS Experiment) 测站连续7 d的观测数据按照两种不同方案进行实验. 结果表明：DCB产品月稳定度较好，无明显波动，各颗卫星月稳定度优于0.2 ns，与TGD互差值优于2.5 ns；TGD/DCB改正对SPP精度影响为米级，经TGD/DCB改正后水平方定位精度可从4~9 m提升至3~6 m，高程方向可从7~9 m提升至5~7 m，提升率为10%~46%. 可见DCB改正对单点定位精度影响较大，在定位解算中不可忽略.

基于GNSS实时数据流的载波相位差分测速方法及精度评估

胡冰燕, 吕黄晖, 郑佳伟, 方荣新

2023, 48(2): 65-70. doi: 10.12265/j.gnss.2023009

[摘要](291) [HTML全文] (105) [PDF 2553KB](50)

摘要:
为了满足地质灾害实时高精度监测应用需求，对常规全球卫星导航系统(GNSS)载波相位差分测速事后处理软件进行改进，增加了实时数据流接收和实时解码国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)的功能，实现了真正的GNSS载波相位差分测速. 利用静态站和振动台模拟正弦波振动实验的GNSS数据，评估改进后GNSS实时测速程序的精度. 静态模拟动态的测速精度误差均方根(RMS)优于5 mm/s；振动台动态实验解算结果与振动台输出真值的互差RMS为10.4 mm/s. 说明本实验的实时GNSS测速程序在静态实时测速条件下的测速精度可达到mm/s级，在实时动态条件下测速精度仍能达到cm/s级.

结合CNN-BiLSTM-SA运动模式识别的自适应步频检测方法

杨运成, 吴飞, 朱海, 朱润哲, 杨明泽

2023, 48(2): 71-80. doi: 10.12265/j.gnss.2022167

[摘要](200) [HTML全文] (74) [PDF 5341KB](16)

摘要:
随着位置服务(LBS)的普及，基于智能手机的行人步频检测方法对行人航迹推算(PDR)有重要影响. 针对传统步频检测方法在行人多种运动模式下计步误差大的问题，提出一种结合CNN-BiLSTM-SA运动模式识别的自适应步频检测方法. 首先根据行人行走特点划分运动模式，使用卷积神经网络(CNN)提取行人不同运动模式的局部特征，利用自注意力机制(SA)对提取的运动特征进行权重分配；再结合双向长短期记忆网络(BiLSTM)挖掘行人运动特征的前后时序关系进行分类识别；然后根据分类结果提出自适应最小峰距和自适应动态阈值两个特征约束的峰值检测算法对步频进行检测，并在步行中动态调整阈值大小. 实验结果表明：本文提出方法在8种组合运动模式下步频检测平均误差率为1.31%，与传统峰值检测相比误差率降低5.97%，同时也优于固定阈值法.

基于省级区域地基增强系统的北斗三号系统卫星数据评估分析

魏以宽, 厉芳婷, 唐晓霏, 赵鹏

2023, 48(2): 81-87. doi: 10.12265/j.gnss.2022203

[摘要](317) [HTML全文] (71) [PDF 2429KB](26)

摘要:
导航卫星观测数据质量是影响地面增强系统定位精度的直接因素，北斗地基增强系统经过北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)适配性改造后能够获取的卫星观测值数量相较北斗二号卫星导航系统(BDS-2)适配改造提升了30%~50%，对这些观测数据的质量评估和分析尤为重要. 本文利用数据完整率、多路径误差等基准站观测值质量评估方法，使用零基线测试和精密单点定位(PPP)测试两种方法，提出一种综合区域地基增强系统的BDS-3数据分析方法. 对研究区域进行实证试验，结果表明：BDS-3卫星在亚太地区的数据质量已经与GPS相当；由于BDS-3卫星空间分布结构更优，地面测站可以获得的高仰角(高度角>50°)可用观测值较单GPS提升了200%以上 .

小波去噪与北斗三频信号周跳探测与修复

蔡巍, 陈明剑, 周舒涵

2023, 48(2): 88-94. doi: 10.12265/j.gnss.2022175

[摘要](218) [HTML全文] (119) [PDF 3497KB](24)

摘要:
传统的三频伪距相位组合方法易受到伪距观测噪声的影响，难以检测不敏感的小周跳. 三个频率的载波相位观测数据组成的无几何距离组合(GF)方法具有检测敏感小周跳的能力，但存在病态方程组的问题. 鉴于此，提出了一种利用小波去噪的无几何伪距相位组合与GF组合建立组合模型的方法，即利用小波变换对伪距观测值进行去噪，通过选择最优组合系数，构建优化的组合模型. 该方法通过小波去噪保证了源数据的质量，采用无几何伪距相位组合与GF组合模型提高了周跳检测和修复的准确性，同时病态方程组问题得到解决. 最后利用最小二乘方法结合正交三角(QR)分解算法，以及用空间搜索和L1范数最小原理固定周跳的最优整数并修复周跳，采集北斗卫星导航系统(BDS)三频测量数据用于实验验证. 实验结果表明：小波变换去噪的优化组合模型可以检测和修复各种周跳，尤其是对不敏感的小周跳.

基于密度聚类的北斗卫星导航弱信号自动捕获方法

刘伦燕, 周艳, 唐丽毅

2023, 48(2): 95-100. doi: 10.12265/j.gnss.2022198

[摘要](229) [HTML全文] (77) [PDF 2697KB](23)

摘要:
在外界射频信号、导航接收机混频处理噪声的影响下，为了有效捕获北斗卫星导航弱信号信息，提出基于密度聚类的北斗导航弱信号自动捕获方法. 使用密度聚类得到BDS信号来源的聚类中心，结合聚类中心设计卫星波束方向，约束卫星导航信号接收范围，抵御干扰信号的空域干扰；通过基于小波阈值方法去除波束抗干扰作用下导航信号的噪声信息；采用相关函数模值计算方法计算去噪后导航信号和已知弱信号之间相关性，相关性大于门限值时说明去噪后导航信号为弱信号. 实验结果表明，在外界射频信号和混频器干扰下，此方法具备自动捕获北斗卫星导航弱信号的能力.

BDS-3多频非差非组合精密定轨精度分析

景鑫, 李建文, 周舒涵, 蔡巍, 柯能

2023, 48(2): 101-110. doi: 10.12265/j.gnss.2022219

[摘要](266) [HTML全文] (72) [PDF 4007KB](18)

摘要:
针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)五频点观测数据和非差非组合精密定轨理论，介绍了非差非组合观测模型和参数估计方法，提出了利用K均值聚类算法(K-means)进行测站选取的策略，分析并讨论了非差非组合方法的优势. 通过K-means和人工经验选取两种测站选取方案，分别使用BDS-3五频，B1C+B2a、B1I+B3I三种频率选择方式，利用30个观测站，对BDS-3中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)进行精密定轨处理. 结果表明：当接收B1C+B2a频点观测数据测站不足时，非差非组合方法可以通过利用五频观测数据增加观测数据数量、优化测站布局，提高定轨精度，与B1C+B2a频率组合相比，五频定轨结果切向(A)、法向(C)、径向(R)和三维(3D)方向均方根(RMS)月均值分别提升0.003 m、0.004 m、0.003 m和0.007 m；K-means算法选取的测站与人工经验选取相比，分布更加合理，定轨精度更高，三种频率选择方案MEO卫星3D RMS月均值精度分别提升0.009 m、0.017 m和0.009 m.

技术报告与应用

星地时间比对大气误差修正及其影响因素分析

王荣, 白燕, 赵家奇, 郭燕铭, 陈晓锋

2023, 48(2): 111-119. doi: 10.12265/j.gnss.2022187

[摘要](273) [HTML全文] (67) [PDF 2654KB](21)

摘要:
由于空间环境较为复杂，大气对无线电微波信号的影响是星地高精度时间比对的主要误差源之一. 针对星地高精度时间比对的需求，研究了双向测量体制下的电离层误差修正方法及对流层色散延迟修正方法，对影响大气误差修正的主要因素展开了讨论，并对不同场景下大气误差修正情况及星地时间比对结果进行了仿真分析. 仿真结果表明：当卫星姿态误差控制在100 as以内、相位中心标定误差控制在5 mm以内、精密定轨误差控制在30 cm以内时，通过相应的误差修正算法修正后，电离层误差残差的RMS值小于0.006 ps，对流层误差残差的RMS值小于0.06 ps，星地时间比对精度优于皮秒量级.

基于PSO-Elman神经网络BDS导航卫星钟差预报

王井利, 佟晓宇, 张梅

2023, 48(2): 120-126. doi: 10.12265/j.gnss.2022183

[摘要](277) [HTML全文] (89) [PDF 2402KB](25)

摘要:
卫星钟差是导航定位系统定位精度的重要影响因子之一. 针对北斗卫星导航系统(BDS)精密钟差预报性能寻优问题，提出一种基于粒子群优化 (PSO) 算法优化Elman神经网络的钟差预报模型方法(PSO-Elman模型)，以解决Elman神经网络局部最优问题对钟差预报结果的影响. 首先对钟差产品进行预处理；然后通过PSO算法迭代寻优确定Elman神经网络权值、阈值的初始值，并将进行预处理之后的序列数据进行训练建模；再采用武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据分析中心(WHU)提供的BDS精密钟差产品数据进行钟差预测；最后将预测结果还原为预报钟差. 结果表明：对比于二次多项式(QP)模型、附加周期项多项式(SA)模型、灰色(GM)模型，PSO-Elman模型精度分别提高90. 7%、84. 2%、81. 6%，稳定度提高85. 3%、76. 3%、36. 1%. 实验表明：PSO-Elman模型在1~12 h短期预报模拟结果的预报精度和稳定性有显著提高，验证了提出方法的可行性.