全球定位系统

摘要:
综合定位、导航与授时(positioning, navigation and timing, PNT)体系是我国数字化经济社会运行发展的重要支撑，以北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)为核心的综合PNT应用服务是我国未来时空信息领域技术与产业的发展重点. 本文首先定义了“按需弹性可伸缩综合PNT应用服务体系”概念，提出了“一体白盒(软件定义节点)+统一网络(弹性可伸缩系统)+网信场图(智能运管服务)+智能博弈(复杂任务决策)”的应用服务框架，设计了“固基、强网、增效”的综合PNT应用服务技术路线，给出了“公网+专网+机动网”的综合PNT应用服务模式，并对应用前景进行了展望. 未来以“北斗+低轨+5G+伪卫星+位置大数据”为核心的综合时空应用服务体系将为多层次、多领域用户提供北斗室内外泛在空间云端协同的精准位置服务，助力全社会数字化转型.

北斗+5G融合定位技术研究及应用进展

金耀, 周又眉, 张贺, 张子宁, 张晨芳, 赵良, 魏步征

2023, 48(4): 12-18. doi: 10.12265/j.gnss.2023091

[摘要](1645) [HTML全文] (270) [PDF 2545KB](247)

摘要:
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)面向全球提供高精度的定位服务，但在城市峡谷及室内等场景下难以发挥作用. 随着第五代移动通信技术(5th generation mobile communication technology, 5G)大规模商用及定位精度突破亚米级，北斗+5G融合定位，可构建泛在、无缝的室内外一体化定位解决方案，对我国实施定位、导航与授时战略具有重要意义. 本文总结了主要的无线定位技术原理和特征，介绍了移动通信网络定位技术的演进和最新的5G定位方法，将北斗+5G融合定位划分为增强定位和融合定位2个层级. 按照定位融合的耦合度，把融合定位分为加权融合定位和信号融合定位，并给出不同场景下北斗+5G融合定位的策略，最后介绍了北斗+5G融合定位的发展现状和推广应用情况，为北斗+5G融合定位研究及应用提供参考依据.

量子导航技术发展现状分析

毛悦, 孙中苗, 贾小林, 宋小勇, 蒋庆仙

2023, 48(4): 19-23. doi: 10.12265/j.gnss.2023034

[摘要](582) [HTML全文] (166) [PDF 2012KB](130)

摘要:
随着量子信息科学技术的不断发展，量子导航技术以更高的测量精度、更小的设备体积、更广的使用范围得到了国内外的广泛关注，逐渐成为能够升级下一代导航定位核心能力、并有望在2030年前投入使用的新兴技术，是导航定位方向后续发展中具有技术引领作用的核心研发领域. 本文梳理了量子导航领域的主要技术、重点发展方向及研究现状，并给出了后续发展建议，以期对量子导航技术发展起到推进作用.

遮蔽空间定位导航技术特征分析与发展综述

鲍亚川, 杨梦焕, 李建佳, 李隽

2023, 48(4): 24-29, 43. doi: 10.12265/j.gnss.2023074

[摘要](386) [HTML全文] (97) [PDF 3149KB](75)

摘要:
以地下管廊、楼宇室内等为代表的遮蔽空间具有的狭长封闭物理结构以及复杂信道特征，给高精度定位导航带来了巨大挑战. 本文针对遮蔽空间典型场景以及技术手段做了梳理和适应性分析，并对遮蔽空间高精度导航定位面临的问题和挑战进行了量化分析，对遮蔽空间定位系统后续发展进行了展望，设计了适用于遮蔽空间复杂环境下规模可伸缩定位导航系统架构. 基于超宽带(ultra wide band，UWB)、北斗伪卫星、近超声定位等多模体制形成混合定位网络，可实现遮蔽空间全场景覆盖，相比目前常用的无线电定位系统，本文设计的定位导航系统架构在定位精度、覆盖性能等方面有显著提升.

超宽带信号高灵敏度接收技术研究

徐广辉, 蔚保国, 赵军, 鲍亚川, 杨梦焕, 于雪岗

2023, 48(4): 30-36. doi: 10.12265/j.gnss.2023036

[摘要](278) [HTML全文] (90) [PDF 3702KB](50)

摘要:
美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission，FCC)规定的超宽带(ultra wide band，UWB)信号功率谱密度不大于–41.3 dBm/MHz，这就限制了UWB信号的发射功率. 为了提升有限功率条件下UWB信号接收机的接收灵敏度，延长UWB信号测距距离，设计了一种长相干积分算法来提升接收信号处理增益，并对IEEE 802.15.4 协议中划分的两种UWB信号体制，即高频脉冲(high frequency pulse，HRP) UWB和低频脉冲(low frequency pulse，LRP) UWB分别进行了长相干积分仿真. 仿真结果表明：长相干积分对HRP UWB信号的积分增益更加明显，而对LRP UWB信号的增益效果有限，基于仿真结果对通导一体化UWB信号体制设计提供了参考以及设计改进方向.

基于点云分割的激光里程计算法

李一凡, 杜世通, 李爽, 黄璐, 杨子寒, 陈冲

2023, 48(4): 37-43. doi: 10.12265/j.gnss.2023066

[摘要](190) [HTML全文] (62) [PDF 3753KB](19)

摘要:
针对激光里程计算法中存在的信息冗余和离散点干扰问题，本文提出了一种基于点云分割的激光里程计算法. 该方法根据机械式激光雷达的水平旋转扫描特点，对点云数据进行扫描线分割并赋予标签，提取物体的边缘点作为线特征、表面点作为面特征. 相较于传统的特征提取方法，本文算法能够有效提取具有较少标志性的特征点，同时剔除离散点. 该算法在降低计算量的同时提升了定位的精确性和鲁棒性，对于机器人导航任务有着很好的应用前景，并通过计算机仿真验证了该算法的性能，并取得了较好的实验效果.

无人机集群云端协同导航控制算法研究

熊华捷, 蔚保国, 易卿武, 何成龙

2023, 48(4): 44-48, 56. doi: 10.12265/j.gnss.2023050

[摘要](328) [HTML全文] (177) [PDF 3060KB](45)

摘要:
针对无人机集群导航规划算法和策略问题开展研究，在分析传统航迹规划方法和经典粒子群算法基础上，提出了一种无人机集群云端协同导航控制算法. 对机上部分的粒子群智能导航算法进行优化，设计后台部分的混合群智能导航规划算法并进行优化改进. 仿真和实际测试验证表明：该方法正确可行，可提高无人机集群导航规划解的优质性. 对比其他导航规划方法，该方法在无人机集群导航方面具有明显优越性.

基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究

第五瑶光, 宫峰勋

2023, 48(4): 49-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023072

[摘要](208) [HTML全文] (86) [PDF 3125KB](24)

摘要:
针对广域多点定位系统中接收信号信噪比(signal to noise ratio, SNR)低导致到达时间(time of arrival, TOA)提取不准确的问题，提出了一种匹配滤波结合非相干积累的联合TOA估计算法，该算法能够有效降低匹配滤波法在低SNR下TOA估计的均方根误差(root mean square error, RMSE). 联合算法通过对二次雷达驻留时间内接收的应答信号的匹配滤波输出做非相干积累，在最大值点处标记时间戳进行TOA估计，利用能量累积原理提高SNR，从而使得估计精确度得以提升. 仿真结果表明：该算法可在−15 dB SNR，53 MHz采样频率及9个积累信号时，达到24.302 ns的TOA估计精确度. 所提联合TOA估计算法具有高精确度与高稳健性的特点，能够在−15~0 dB SNR 将估计精确度提升至25 ns以下，为提取低SNR S模式信号TOA进而提升广域多点定位精确度提供了一种有效的方法.

基于BDS-3/GPS的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术

黄洪, 高旺, 缪巍巍, 滕玲, 董方云, 潘树国

2023, 48(4): 57-62. doi: 10.12265/j.gnss.2023065

[摘要](356) [HTML全文] (112) [PDF 2389KB](61)

摘要:
针对远海、沙漠等网络实时动态(real-time kinematic, RTK)载波相位差分技术通讯信号容易中断的应用场景，提出了一种基于北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System, BDS-3)/GPS双系统的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术. 充分利用网络RTK收敛快、定位精度高和B2b-PPP单站定位、覆盖范围广的特点，将网络RTK获取的高精度位置坐标作为先验信息，与B2b-PPP融合以辅助B2b-PPP快速收敛. 通过分时段多组数据的采样分析，结果表明：RTK固定解与B2b-PPP融合定位精度在东(east，E)、北(north，N)、天顶(up，U)方向分别为2.57 cm、0.90 cm、2.83 cm，较独立B2b-PPP定位大幅提高；RTK固定解与B2b-PPP融合1 s后，便可帮助B2b-PPP瞬时收敛，RTK中断后初期精度达到厘米级，0.5 h后逐渐过渡到B2b-PPP独立定位精度水平，表明B2b-PPP可作为网络RTK的有效补充手段，在RTK差分中断后，能够有效维持高精度定位水平.

脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

周庆勇, 张健康, 贾小林, 闫林丽, 樊少娟

2023, 48(4): 63-68. doi: 10.12265/j.gnss.2023063

[摘要](259) [HTML全文] (94) [PDF 2865KB](27)

摘要:
脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1, XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台，已在轨运行七年多，获得大批观测数据，本文收集了该卫星三年多的空间观测数据，开展了一些有益的技术探索. 首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据，得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓，结果表明，在时间维度上脉冲轮廓是稳定的，与国内外观测结果一致性较好；其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓，分析了脉冲轮廓随能量变化特征；在能量维度上，得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱，发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比，表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态，也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标. 最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据，实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算，得到卫星轨道确定精度约为56.93 km，分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.

广义阻尼LAMBDA方法及其在长基线实时定位中的应用

曹士龙, 蔚保国, 伍蔡伦, 贾浩男

2023, 48(4): 69-74. doi: 10.12265/j.gnss.2023043

[摘要](208) [HTML全文] (74) [PDF 2392KB](29)

摘要:
在长基线实时定位中，相邻观测值之间具有强相关性导致法方程出现病态，此时载波相位整周模糊度难以快速固定. 针对这一问题，在传统阻尼最小二乘模糊度降相关平差(least-squares ambiguity decorrelation adjustment, LAMBDA)方法基础上，提出了广义阻尼LAMBDA方法，并推导出载波相位模糊度的单历元解表达式. 该方法利用了坐标和载波相位模糊度的先验信息，在改善法方程病态性的同时也提高了浮点模糊度的解算精度，有助于整周模糊度的快速固定. 采用两条长基线(266 km和456 km)实测数据进行验证，改进后的方法相比于传统方法，载波相位模糊度固定率提高了28.8%；当放大因子c=0时，广义阻尼LAMBDA方法与传统阻尼LAMBDA方法等价. 选择澳大利亚连续运行参考站系统(continuous operation reference system，CORS)网中四条长基线实时数据流进行测试，实验结果表明：在基线长度小于1 000 km的多系统实时定位中可以获得水平优于0.02 m，高程优于0.04 m定位精度. 基于广义阻尼LAMBDA方法在长基线实时定位中具有一定的应用参考价值.

可用于导航定位的甚低频通信台信号相位测量技术研究

黄晓, 陈奇东, 刘睿, 徐文璞, 刘杨

2023, 48(4): 75-80. doi: 10.12265/j.gnss.2023143

[摘要](225) [HTML全文] (95) [PDF 2415KB](35)

摘要:
为了在GNSS无法进行定位时提供备份的导航定位手段，开展基于甚低频通信台信号的非协作导航定位相关技术. 该研究将成为导航定位技术的一个重要研究方向，本文提出并验证了一种甚低频通信台信号的相位测量技术，实现了针对甚低频通信台信号的相位测量，并利用两个不同的测量点位，验证了相位测量的准确性. 本算法利用最小频移键控(minimum shift keying，MSK)信号自身的特点，对接收点的相对相位进行了计算，并使两个测试点保持一定距离，进行两个接收点的相位计算，比较两个测试点相位差值计算出的距离差与两个测试点和发射点距离的距离差值，来验证本算法的准确性. 验证结果表明：本文提出的算法能够准确测量出两个接收点与发射点的相位差. 该相位差可以反映距离差，通过计算多个台站的距离差实现相对定位.

基于改进RRT算法的狭长空间无人车辆路径规划

张俊豪, 潘树国, 高旺, 郭芃, 王萍, 胡鹏

2023, 48(4): 81-90. doi: 10.12265/j.gnss.2023090

[摘要](261) [HTML全文] (93) [PDF 3535KB](30)

摘要:
针对狭长空间无人车辆路径规划系统，提出一种基于改进的快速搜索随机树(rapidly-exploring random trees，RRT)路径规划算法，以解决传统RRT算法随机性较大、路径缺乏安全性的问题. 该算法通过加入自适应目标概率采样策略、动态步长策略对传统的RRT算法进行改进，同时考虑到实际情况中无人驾驶车辆的动力学约束，该算法加入车辆碰撞约束和路径转角约束，并针对转角约束会导致迭代次数激增的问题提出了一种限制区域内随机转向的策略，最终得到一条安全性较高的路径. 采用计算机仿真对所提算法和现有算法的性能进行对比验证. 所提算法在狭长空间相较于传统人工势场引导下的RRT算法迭代次数降低了33.09%，规划时间减少了6.44%，路径长度减少了0.06%，并且在简单环境和复杂障碍物环境下规划能力均有提升. 所提算法规划效率更高、迭代次数更少.

理论与探讨

无人机GPS欺骗干扰攻击对策

陈立军, 潘正军, 陈孝如

2023, 48(4): 91-98. doi: 10.12265/j.gnss.2023026

[摘要](562) [HTML全文] (739) [PDF 2558KB](97)

摘要:
自主和半自主的无人机群(unmanned aerial vehicles，UAVs)开始引发大量的研究兴趣和来自各种民用应用领域的需求，然而，为成功执行各种任务，无人机群需要GPS的信号. 民用GPS信号是未加密和未认证的，这为GPS欺骗攻击的实施提供了便利，在这些攻击中，对手通过模仿真实的GPS信号，并将其广播给目标无人机，以改变其航线，迫使其降落或坠毁. 在这项研究中，提出了一种GPS欺骗检测机制，能够检测单发射器和多发射器的GPS欺骗攻击，以防止改变其航线或坠毁. GPS欺骗是基于比较每两个蜂群成员之间从其GPS坐标计算出的距离和同一蜂群成员之间从脉冲无线电超宽带测距获得的距离，如果距离的差异大于选定的阈值，则宣布检测到GPS欺骗攻击. 通过案例证明：检测机制优于现存的检测技术，它无需修改原有的天线和安装额外的硬件，便可检测GPS欺骗攻击，并且也不需要复杂的计算和通信开销，减少了误报，使检测机制更加可靠.

LEO增强的GPS、Galileo、BDS-3非差PPP模糊度固定性能分析

方婧, 涂锐, 王培源, 陶琳琳, 左航

2023, 48(4): 99-107. doi: 10.12265/j.gnss.2023044

[摘要](224) [HTML全文] (126) [PDF 2719KB](53)

摘要:
本文主要研究了GPS、Galileo、北斗三号(BeiDou-3 Global Satellite Navigation System ，BDS-3)的未校准相位延迟(uncalibrated phase delays，UPD)稳定性以及低地球轨道(low earth orbit，LEO)增强的非差精密单点定位(precise point positioning，PPP)模糊度固定. 基于全球分布的126个测站2022年001—007共一周的观测数据进行GPS、Galileo、BDS-3的UPD估计分析. 宽巷 UPD每天作为一组常数估计，窄巷UPD每15 min作为一组常数估计. 结果表明：宽巷UPD在一周之内具有较好的稳定性，平均标准差小于0.05周；窄巷UPD在一天之内具有较好的稳定性，平均标准差小于0.06周. 使用估计的UPD产品进行PPP模糊度固定并对其性能进行分析，GPS、Galileo、BDS-3各系统静态PPP的平均收敛时间分别由20.75 min、23.78 min、30.60 min缩短至10.69 min、18.27 min、24.80 min；平均模糊度固定率分别为90.41%、77.22%、67.21%；东(east，E)、北(north，N)、天顶(up，U)三个方向均方根误差(root mean square error，RMSE)的平均值分别由(1.59 cm、0.91 cm、3.30 cm)、(1.58 cm、0.93 cm、3.24 cm)、(1.61 cm、0.98 cm、3.39 cm)减小至(0.90 cm、0.89 cm、2.98 cm)、(1.33 cm、0.85 cm、2.90 cm)、(1.47 cm、1.18 cm、2.94 cm). 利用仿真的LEO星座观测数据，研究不同LEO卫星数量的增强效果，当LEO可视卫星数量愈多时，增强效果愈加显著，当LEO可视卫星数量为10颗时，GPS、Galileo、BDS-3各系统的静态PPP固定解的平均收敛时间分别由10.69 min、18.27 min、24.80 min 缩短至1.53 min、1.71 min、1.94 min；模糊度固定率分别由90.41%、77.22%、67.51%提高至93.43%、79.99%、72.00%.

技术报告与应用

针对抗干扰天线的GNSS非平稳干扰技术研究

徐文璞, 陈奇东, 黄晓, 刘睿, 刘杨

2023, 48(4): 108-114. doi: 10.12265/j.gnss.2023152

[摘要](292) [HTML全文] (88) [PDF 3648KB](43)

摘要:
针对GNSS抗干扰天线阵列，提出基于非平稳干扰信号的信号体制设计，以提高对GNSS信号的干扰效果. 通过构造针对GNSS抗干扰天线阵列的干扰场景，对不同体制的非平稳干扰信号进行仿真. 针对采用空频抗干扰算法的抗干扰天线，通过非平稳干扰信号对GNSS信号进行干扰，其干扰效果相对传统宽带扩频干扰，可以提高干扰效果在10 dB以上. 所设计的干扰体制的非平稳特性打破了天线阵列抗干扰算法设计的前提(干扰信号广义平稳)，对此类抗干扰算法的性能产生较大影响.