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2024年第49卷第2期

栏目

理论与探讨
技术报告与应用
综述

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2024 年 2 期目次

2024, 49(2): 1-2.

[摘要](114) [HTML全文] (89) [PDF 2043KB](25)

摘要:

理论与探讨

不同电离层改正模型的SF-PPP定位精度分析

吴丕团, 覃现, 韦佳, 肖明虹, 黄铭, 杨钊

2024, 49(2): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2023225

[摘要](254) [HTML全文] (56) [PDF 2653KB](38)

摘要:
电离层延迟可严重制约单频接收机的定位精度. 基于此，本文介绍了四种单频接收机常用的电离层延迟改正方法，包括广播电离层改正模型(策略1)，顾及太阳位置的变化全球电离层格网产品(Global Ionosphere Map，GIM)时间旋转内插(策略2)，GIM投影函数改正(策略3)和半合改正模型(策略4). 同时，选择不同太阳活动期，不同纬度的测站验证不同电离层改正方法的单频精密单点定位(single-frequency point positioning，SF-PPP)定位结果偏差. 经过对比分析，得到如下结论：1)总体来说，半合改正模型得到的定位效果最佳，其次是使用GIM产品对电离层延迟进行改正，最后是广播电离层模型；2)在不同太阳活动跃期，不同策略在低纬度测站的定位偏差最大，其次是高纬度测站，中纬度测站的定位偏差最小；3)策略2和策略3在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位平差约0.150 m，三维定位偏差约0.700 m；策略4在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位偏差为0.100 m，三维定位偏差为0.500 m.

联合加权小波和EEMD的GNSS坐标时间序列降噪分析

魏冠军, 张沛, 王立阳

2024, 49(2): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2023096

[摘要](170) [HTML全文] (60) [PDF 2986KB](16)

摘要:
针对GNSS坐标时间序列中有用信号与噪声难以准确分离这一问题，本文提出加权小波Z变换(weighted wavelet Z-transform, WWZ)和集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)的降噪方法. 通过对西北地区70个陆态网络连续站垂向坐标时间序列的降噪处理，分别采用均方根误差(root mean squared error，RMSE)、信噪比(signal to noise ratio，SNR)、闪烁噪声(flicker noise，FN)振幅及速度不确定度为评价指标，验证了本文方法的降噪效果在一定程度上优于小波降噪和EEMD降噪. 结果显示：WWZ-EEMD相比小波降噪和EEMD降噪，降噪后信号序列RMSE分别降低了0.331 mm、 0.757 mm，SNR分别提高了1.911 dB、3.635 dB；FN振幅及速度不确定度均有明显改善，验证了本文降噪方法的有效性.

5G信道状态信息信号质量及指纹定位性能分析

程振豪, 李林阳, 郭文卓, 赖路广, 赵冬青

2024, 49(2): 16-22. doi: 10.12265/j.gnss.2023119

[摘要](271) [HTML全文] (38) [PDF 2505KB](24)

摘要:
5G信道状态信息(channel state information，CSI)具有丰富的特征信息，是一种理想的指纹定位信号，但信号质量易受环境干扰，对定位性能影响较大. 为了分析不同因素对5G信号质量和定位性能的影响程度，本文首先阐述了5G信号特征和基于支持向量回归(support vector regression，SVR)的定位算法，分析了数据采集时终端的高度、方向、人体遮挡等因素对信号质量的影响，测试了廊厅、小办公室和中型会议室三种场景下的定位性能. 结果表明：5G信号质量受周围环境影响较大，在干扰较小的情况下，基于5G CSI的位置指纹定位算法在三种场景下的定位精度分别为0.93 m、1.46 m和1.94 m，能够满足大多数室内定位应用需求.

抗差Vondrak滤波方法在时间频率传递中的应用

张智超, 贾小林, 焦文海, 严祥高, 李佳豪

2024, 49(2): 23-29. doi: 10.12265/j.gnss.2023192

[摘要](142) [HTML全文] (39) [PDF 2999KB](14)

摘要:
时间频率传递的结果会受到非模型化误差和观测噪声的影响，其噪声常为高频信号，构建低通滤波器可在一定程度上消除观测值序列中的高频噪声信号. 本文对Vondrak滤波函数的本质进行剖析，通过IGG3算法对钟差序列进行定权并采用频率响应法选择适合的滤波因子；对不同的链路分别进行卫星双向时间频率传递(two-way satellite time and frequency transfer, TWSTFT)、基于软件接收机的卫星双向时间传递(two-way satellite time and frequency transfer based on software defined receiver, SDR-TWSTFT)和短基线共视时间频率传递实验，并对钟差结果采用抗差Vondrak滤波进行平滑去噪. 结果表明：滤波后的钟差序列能够很好地反映原始钟差序列的趋势；平滑后的TWSTFT钟差结果，日波动效应得到了有效的抑制，精度有明显提升；对于共视钟差结果，精度有明显提升，与精密单点定位(precise point positioning，PPP)时间传递结果的差值保持在−1.0~1.0 ns范围内.

灰色模型在无人机定位中的应用研究

张凤伟, 崔建勇, 张政宇, 张先志, 窦赛

2024, 49(2): 30-35. doi: 10.12265/j.gnss.2023190

[摘要](153) [HTML全文] (35) [PDF 2392KB](16)

摘要:
针对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)在无人机定位中由于信号过弱或干扰过强而无法正常运行的问题，提出一种基于灰色理论的无人机预定位方法，以解决数据不完整情况下的轨迹坐标预测问题. 该方法利用灰色模型GM(1,1)灰色微分的连续性，根据无人机的历史离散数据建立了坐标点预测模型，利用实测数据验证了该模型的有效性，并通过仿真实验量化分析了灰色模型在定位预测的精确度，计算了其误差概率. 通过与传统定位方式对比可知，该模型所需要的数据量较少且计算方便，实现复杂度较低.

基于自动增益控制的信号量化损耗分析

王彦, 陈校非, 荆文芳

2024, 49(2): 36-42. doi: 10.12265/j.gnss.2023084

[摘要](148) [HTML全文] (37) [PDF 2958KB](15)

摘要:
在卫星信号接收的过程中，量化是模数转换的重要环节，信号量化会带来能量损失，对于信号后续的处理产生影响，根据信号特性选取合适的量化位数和系统基准功率可以有效改善这种损失. 本文采用量化前后信号信噪比(signal to noise ratio，SNR)对比的形式来直观表示量化损耗，并给出了一般性分析公式. 说明了自动增益控制(automatic gain control，AGC)模块在信号量化中的作用，结合量化损耗公式，通过确定最佳增益系数给出了一种基准功率的选取方式，使得不同SNR的信号量化损耗明显降低. 仿真结果表明：在低位量化时，该方式对卫星导航信号的量化损耗能改善约1.5 dB. 该分析对于接收机的设计以及工程实现具有一定的参考意义.

基于增强注意力门控U-Net的建筑物提取研究

任远锐, 陈朋弟, 高小龙

2024, 49(2): 43-53. doi: 10.12265/j.gnss.2023175

[摘要](135) [HTML全文] (32) [PDF 5840KB](10)

摘要:
针对经典深度学习语义分割网络对建筑物提取存在精度较低、边界模糊和小目标识别困难的问题，本文提出一种增强注意力门控的U型网络(advanced attention gate U-Net，AA_U-Net)用于改善建筑物提取的效果，该网络改进经典U-Net的结构，使用VGG16作为主干特征提取网络、注意力门控模块参与跳跃连接、双线性插值法代替反卷积进行上采样. 实验采用武汉大学建筑物数据集(WHU building dataset，WHD)对比提出的网络与部分经典语义分割网络的提取效果，并探究网络改进的各个模块对提取效果的影响. 结果显示：该网络对建筑物提取的总精度、交并比、查准率、召回率和F1分数分别为98.78%、89.71%、93.30%、95.89%、94.58%，各项评价指标均优于经典语义分割网络，且改进的各个模块有效提高了提取精度，改善了建筑物轮廓不清晰和小目标建筑物破碎的问题，可用于精准提取高分辨率遥感影像中的建筑物信息，对城市规划、土地利用、生产生活、军事侦察等具有指导意义.

不同接收机天线相位中心改正模型对GPS/BDS精密定位的影响

田晓静, 秦世民, 王建文, 李秀明

2024, 49(2): 54-60. doi: 10.12265/j.gnss.2022223

[摘要](289) [HTML全文] (56) [PDF 2299KB](20)

摘要:
针对国产不同品牌不同型号的地面接收机天线相位中心(antenna phase center, APC)模型及仪器厂商模型差异，本文分别采用相对定位及精密单点定位(precise single-point positioning, PPP)方法，分析了GPS/BDS高精度定位中基于不同APC改正模型引起的站点估计位置差异，获得了各不同天线APC改正模型对站点估计位置影响的平均差异值. 试验结果表明：不同APC改正模型对站点定位精度的影响相当，对站点估计位置在平面方向影响较小，U方向影响较大；同一种类型的天线在不同实验区域造成的影响具有较好的一致性；同品牌天线对站点估计位置的影响有一定的相似性，尤其是同品牌系列产品其相位中心的影响更为接近.

技术报告与应用

基于水汽垂直指数分布特征的PWV快速层析方法

闫香蓉, 杨维芳, 李得宴, 丁楠, 高枫林

2024, 49(2): 61-68. doi: 10.12265/j.gnss.2023164

[摘要](312) [HTML全文] (73) [PDF 3112KB](28)

摘要:
GNSS水汽层析技术可以反演对流层水汽三维时空变化情况，但该技术比较复杂、运算量大，需要消耗一定的时间. 故本文提出了一种利用地基GNSS反演的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)结合水汽在垂直方向上的指数分布特性来计算大气水汽三维分布的快速层析方法. 该方法利用香港地区2022年8月的GNSS数据开展试验，与传统GNSS水汽层析方法进行对比. 试验结果表明：两种方法的层析解算结果与探空数据均具有良好的一致性. 虽然快速层析方法的解算结果在底层区域缺少一些水汽变化的细节信息，精度略逊于传统层析方法，但是在中、高层时精度会有所提升，层析解算结果良好. 而且本文提出的快速层析方法无需构建和解算复杂的层析方程组，可以在大量GNSS测站参与水汽层析时减少计算复杂度，提升运算能力，同时可以更快地得到任意高度层的水汽密度，是一种简便、高效的层析方法.

融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM_2.5浓度预测研究

刘严萍, 司甜, 毕慧丽, 张曼琪, 王勇, 许祖豪

2024, 49(2): 69-75. doi: 10.12265/j.gnss.2023151

[摘要](259) [HTML全文] (83) [PDF 2646KB](27)

摘要:
冬春季节的空气质量预测有助于公众合理安排出行和政府相关部门的交通治理. 细颗粒物(PM_2.5)的浓度主要影响因素有大气污染物、水汽等. 为提高PM_2.5浓度预测的精度，以京津冀地区为例，利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)与长短期记忆(long short term memory，LSTM)神经网络方法相结合，考虑GNSS、ERA5水汽、大气污染物等观测要素，构建PM_2.5的浓度预测模型，预测研究未来24 h的PM_2.5的浓度. 利用GNSS水汽校正区域ERA5水汽，并进行精度评定. 利用FFT取大气污染物、第五代大气再分析产品(ECMWF atmospheric reanalysis 5，ERA5)水汽等观测要素的公共变化周期，获得最佳公共周期为78 h；选取最佳公共周期长度的各类要素作为模型输入，24 h序列的PM_2.5浓度作为模型输出. 通过均方根误差(root mean square error，RMSE)评价指标进行模型精度评价. 研究结果表明：基于GNSS的ERA5水汽校正模型在秋冬季节ERA5水汽精度优于2 mm. FFT-LSTM模型预测精度在平原地区、山地地区和高原地区为10.22 μg/m³、8.56 μg/m³ 和 9.02 μg/m³，预测时效达到24 h. 可有效预测未来24 h的PM_2.5浓度. 该模型可为相关部门大气污染治理提供参考.

基于GNSS的2023年8月德州平原县5.5级地震异常环境响应分析

王旭科, 陈良周, 姚伟

2024, 49(2): 76-81. doi: 10.12265/j.gnss.2023219

[摘要](190) [HTML全文] (79) [PDF 3672KB](18)

摘要:
为了探测2023年8月6日山东德州平原县5.5级地震引起的异常环境响应，本文基于震中东北方向约26 km的GNSS观测数据，提出滑动时变频率方法并引入四分位距(interquartile range，IQR)法对地震引发的异常环境响应进行分析. 结果显示，地震发生后N和E方向坐标速度时间序列在9~10 s处出现显著异常，垂向在16 s时出现轻微异常. 滑动时变频率方法能够在速度时间序列异常跳变发生前5~10 s探测到明显变化，显示了更高的灵敏度. 研究还发现，在地震发生前一天，电离层在震中上空出现了异常扰动，异常值达到4 TECU. 研究表明：GNSS技术能有效探测地震过程中的异常环境响应，为地震监测与预警提供了新的视角和工具.

高噪声状态下潮汐信号提取

姜英明, 高屹, 黄令勇, 侯晓伟, 刘继州, 杨磊

2024, 49(2): 82-87. doi: 10.12265/j.gnss.2023201

[摘要](153) [HTML全文] (43) [PDF 2502KB](12)

摘要:
GNSS浮标由于特殊的观测环境，数据质量普遍较差，这导致其坐标时间序列存在较高的噪声，并且存在某些阶跃(或称跳变). 针对该问题，本文提出了一种基于滑动窗的双边累积和(cumulative sum，CUSUM)的阶跃探测和修复方法，该方法在非侵入式负荷监测领域已有广泛应用. 对于GNSS精密单点定位(precise point positioning, PPP)计算所得海面高程(sea surface height, SSH)，用该算法探测阶跃并修复后与验潮站参考数据对比，其均方根误差(root mean square error, RMSE)提升了75.5%，相关性提升了7.46%；对于从修复前后的高程时间序列提取的有效波高(significant wave height, SWH)，以海洋浮标(wavebuoy，WB)测量结果作为参考，其RMSE提升了65.22%，相关性提升了208.28%. 研究结果表明：该方法可以有效提高GNSS技术反演海浪参数的精确度和可靠性，为GNSS技术在潮汐信号提取提供有价值的参考，对于提高海洋工程安全性和经济效益具有积极意义.

川藏地区CORS坐标时间序列预处理与软件实现

陆福鑫, 龚晓颖, 孙铭炜, 余章应, 黄丁发

2024, 49(2): 88-97. doi: 10.12265/j.gnss.2023177

[摘要](175) [HTML全文] (161) [PDF 3635KB](13)

摘要:
本文针对川藏地区连续运行参考站系统(continuously operating reference stations, CORS)基准站站点坐标包含复杂影响因子和丰富且微弱有益的信号的特点，为了解决区域大规模时间序列数据分析处理过程繁琐，且无法大批量处理的问题，设计开发了GNSS坐标时间序列预处理系统，支持大区域多站点批处理解算模式，实现数据产品预处理、下载和可视化，实现了最小二乘拟合、粗差剔除、建模插值和共模误差(common mode error，CME)改正等一体化功能模块的集成. 采用陆态网长期坐标时间序列数据从解算精度与效率两方面对软件进行了性能评估. 结果表明：陆态网各测站N方向和E方向最小二乘拟合的拟合优度R²均约在99%，拟合效果较好；粗差剔除后的时间序列相比于剔除前各方向的WRMS值都有降低；水平方向插值后的结果均方根误差(root mean square error, RMSE)值均优于8 mm. CME剔除后，水平方向和垂直方向均方根(root mean square, RMS)值均有所下降.

基于SGP4模型的空间站轨道精度分析

徐玲玲, 赵航, 宋静, 陈书芃, 潘志兵

2024, 49(2): 98-105. doi: 10.12265/j.gnss.2023194

[摘要](540) [HTML全文] (88) [PDF 4371KB](49)

摘要:
针对在地面站天线对空间站观测任务中，通常基于卫星工具包(satellite tool kit，STK)软件规划出天线对空间站的方位角和俯仰角，实现天线对空间站的自动跟踪. 为了保证天线跟踪的准确性和可靠性，需要定期计算出准确的空间站轨道和天线的方位俯仰角，并更新规划任务. 因此科学分析与评估空间站两行轨道根数(two line elements，TLE)长期预报精度，对地面站实现空间站的精准跟踪具有重要意义. 本文以中国空间站(China Space Station，CSS)梦天实验舱为例，基于TLE数据，利用STK软件提供的简化常规摄动规模型(simplified general perturbations 4，SGP4)模型计算空间站轨道以及空间站相对于西安地面站的方位角和俯仰角，并分析不同策略下的精度效果. 试验结果表明：在第二天更新空间站的TLE，可以获得较好的轨道结果，从而更好地保障天线的跟踪精度.

基于二分法的极化相移反演降雨强度算法

陈铮, 唐菲菲, 胡川

2024, 49(2): 106-110. doi: 10.12265/j.gnss.2023160

[摘要](120) [HTML全文] (34) [PDF 2081KB](12)

摘要:
降雨强度-极化相移模型的函数表达式较为复杂，难以导出反演降雨强度的解析式. 模拟退火法是一种反演降雨强度的有效方法，虽其能够较好地反演降雨强度，但计算耗时较长. 针对该问题，提出基于二分法的极化相移反演降雨强度算法. 首先将降雨强度反演问题转化为函数零点求解问题；然后采用二分法进行模型解算，并给出了基于二分法的降雨强度反演算法；最后通过仿真实验对新算法的效率进行了验证. 结果表明：与模拟退火算法相比，二分法能够在保证反演精度的前提下显著提升反演效率，将每次反演所需平均时间缩短约75%.

综述

卫星导航中电离层误差校正技术现状与发展

韩喜豪, 郑帅勇, 杨建雷, 靳晓伟, 高孟志, 黄智刚, 李琨, 杨鹏

2024, 49(2): 111-126. doi: 10.12265/j.gnss.2023105

[摘要](402) [HTML全文] (54) [PDF 3807KB](46)

摘要:
电离层误差严重影响着GNSS的定位精度，GPS、BDS、Galileo、GLONASS有不同的电离层误差校正方法. 全文概述了电离层误差校正方法，综述了单频电离层误差校正、双频电离层误差校正及多频电离层误差校正等技术的原理与发展现状. 在单频电离层误差校正技术中总结了增强系统中的电离层误差校正技术、北斗全球电离层延迟修正模型(BeiDou global ionospheric delay correction model, BDGIM)、Klobuchar模型、单频电离层误差校正技术的优化—附加国际参考电离层(international reference ionosphere, IRI)约束模型和NeQuick-G模型；在双频电离层误差校正技术中重点总结了双频消电离层误差、无电离层组合模型及PPP-RTK技术中电离层误差校正方法；在多频电离层误差校正技术中介绍了高阶项改正和地磁场建模对电离层误差校正技术的优化与改进. 最后，对电离层误差校正技术及其改进方法进行了分析，总结了其发展趋势与方向.