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全球定位系统

当期目录

2022年 第47卷  第3期

2022 年 3 期目录
2022, 47(3): 1-2.
摘要:
理论与探讨
基于独立分量法的新疆GNSS时间序列共模误差分析
雷传金, 魏冠军, 高茂宁, 张沛
2022, 47(3): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021111201
摘要:
共模误差(CME)是区域连续全球卫星导航系统(GNSS)网中的主要误差来源之一. 针对GNSS时间序列具有非高斯分布特征,基于二阶统计量的主成分分析(PCA)难以准确提取出CME分量问题,采用具有高阶统计量的独立分量分析(ICA)对CME进行提取. 以2011—2018年新疆区域GNSS坐标时间序列为例,将PCA滤波效果进行对比验证,分析了CME对GNSS坐标时间序列的影响,并对CME序列进行周期分析. 结果表明:前6个独立分量包含CME分量,这可能与卫星轨道、地表质量负荷和时钟误差有关,ICA滤波后东(N)、北(E)、天顶(U)三个方向的均方根(RMS)值分别降低31.83%、32.29%、35.49%,速度不确定度分别降低44.14%、38.49%、43.32%,各测站的周期项振幅较滤波前更一致,有效地剔除了CME,提高了坐标时间序列的精度.
基于正交子空间投影的伪卫星远近效应消除方法
施上, 王庆, 张波, 阳媛, 许九靖
2022, 47(3): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2021111701
摘要:
针对地基伪卫星系统中接收机受到远近效应影响无法正确捕获远场伪卫星信号这一问题,引入了基于正交子空间投影算法的捕获优化方法. 该方法应用于码分多址伪卫星信号,通过常规滑动相关法得到的强信号码相位和多普勒频移计算正交投影算子,将接收信号与其在强信号空间的投影相减得到弱信号空间并重新进行捕获,以消除强信号对弱信号的干扰. 实验结果表明:强弱信号在小于30 dB的功率比范围内,应用正交子空间投影法可以有效改善弱信号捕获性能. 这对拓宽地基伪卫星系统的有效工作范围、提升伪卫星接收机信号功率比容忍限度具有重大意义.
Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位权比确定中的应用
李琴, 姚顽强, 涂锐
2022, 47(3): 16-24. doi: 10.12265/j.gnss.2022047
摘要:
多星座组合定位可以提升导航定位性能,但不同星座观测量组合时需要考虑合适的随机模型. 传统方法是根据经验直接设定各系统的等价权重,但会导致随机模型确定不精确,从而影响组合系统的性能提升. 将Helmert方差分量估计方法应用于GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位(PPP)中,以自适应确定各系统间权比. 采用国际GNSS服务(IGS) MGEX (Multi-GNSS Experiment)观测网的10个测站一周的观测数据进行静态和仿动态试验. 结果表明:采用Helmert方差分量估计定权方法可显著提高GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合 PPP的收敛速度,与等权定权方案比较,静态模式下平均提高52%,仿动态模式下平均提高64%. 因定位精度主要由载波相位观测值精度和误差修正水平决定,在静态和仿动态测试中Helmert方差分量估计方法对定位精度没有明显改善.
面向北斗单历元分米级定位的ARAIM保护水平计算方法
魏依然, 郭将, 方书山
2022, 47(3): 25-33. doi: 10.12265/j.gnss.2022021
摘要:
精密定位的质量控制和完好性评估是实时全球卫星导航系统(GNSS)导航应用不可或缺的环节,尤其是在GNSS易受损害的城市峡谷等场景下,这种需求更加迫切. 广域精密单点定位(PPP)瞬时分米级定位,利用GNSS三频信号形成的两个宽巷观测值可以实现单点单历元分米级定位. 然而,在城市复杂环境中,反射信号、严重多路径以及其他信号干扰对定位造成的影响无法准确评估与识别,限制了PPP瞬时分米级单点定位的应用. 完好性概念中的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)可以计算用户定位误差最小置信区间的上限保护水平(PL)以评估定位有效性,可经过一定改进用于PPP瞬时定位的质量控制. 针对当前ARAIM中计算PL的误差模型难以适应高精度定位需求的问题,提出了一种改进的ARAIM PL算法,称其为B-ARAIM (Back Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring). 使用PPP三频组合观测值残差对ARAIM权与误差模型进行修正以计算PL. 基于不同复杂程度的环境下采集的车载数据对算法进行了验证,对PL的改进情况以及导航的可用性提升情况进行评估. 结果表明:在不同环境下,基于改进的B-ARAIM算法得到的PL,相比传统方法得到的PL更符合城市定位的需要,将PL降低了30%~70%. 此方法有助于将ARAIM算法应用在高精度GNSS定位领域.
低轨卫星导航增强系统半物理仿真平台设计与验证
刘天立, 杨轩, 刘晓旭
2022, 47(3): 34-39. doi: 10.12265/j.gnss.2021112601
摘要:
低轨道地球卫星(LEO)具有相对地面几何构型变化快、播发信号链路损耗小等优点. 随着低轨卫星载荷研制与发射成本的逐渐降低,低轨卫星导航增强技术成为当前卫星导航领域的研究热点. 目前国内外的低轨导航增强技术研究均处于起步阶段,没有成熟的低轨卫星导航星座,缺乏有效的低轨导航增强系统的服务性能验证手段. 文中开展对低轨导航卫星轨道外推方法、低轨卫星信号捕获跟踪技术的研究,设计构建低轨导航增强系统半物理仿真平台. 在仿真平台的基础上对北斗/低轨增强系统组合应用的高精度快速精密定位方法进行验证,实现了精密单点定位(PPP)的快速收敛且具有较高的内符合精度,对于低轨卫星导航增强系统的建设与应用具有一定的科学与工程价值.
BDS辅助无人机免像控三角测量数据处理方法研究
凡艳伟, 马成
2022, 47(3): 40-45. doi: 10.12265/j.gnss.2021122101
摘要:
针对无人机空中三角测量处理需要外业控制点数量多、工作量大的问题,提出了北斗卫星导航系统(BDS)辅助无人机大比例尺免像控精度验证方法. 该方法利用搭载双频全球卫星导航系统(GNSS)接收机的无人机摄影测量平台接收BDS数据,探讨了高精度的BDS摄站坐标解算、BDS数据与无人机影像数据联合平差关键技术,最后,以工程实例验证该方法的有效性. 实验结果表明:此方法在无像控点情况下满足1∶500的大比例测图精度要求.
城市CORS系统加密转换参数的研究与应用
张伟, 王林
2022, 47(3): 46-50. doi: 10.12265/j.gnss.2021123101
摘要:
针对城市卫星导航定位连续运行参考站(CORS)系统中坐标转换参数和似大地水准面模型成果严格保密的规定,基于布尔莎七参数和双线性内插法,提出了一种通用的城市CORS系统实时加密转换方法,实现了城市地方坐标系平面和正常高成果的实时获取. 该方法在合肥市CORS (HFCORS)应用中得到了验证,可为城市CORS测绘基准的应用服务提供参考.
一种顾及几何精度因子的GNSS控制网构型选站方法
顾嘉琛, 田坤俊, 宋传峰
2022, 47(3): 51-55, 72. doi: 10.12265/j.gnss.2021051401
摘要:
在相对定位基线解算过程中,控制网约束点坐标位置的选取对数据解算精度有一定的影响. 讨论了顾及最小几何精度因子(GDOP)值控制网构型选站方法,对全球MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站进行6个约束点基准站的选择,利用北斗二号/北斗三号(BDS-2/BDS-3)的实测数据,对全球18个连续监测评估系统(iGMAS)观测站的站坐标进行解算,并与全球格网化随机选站法选站结果的解算精度进行对比. 实验结果表明:相较于格网化随机选站法,采用顾及GDOP值选站法进行相对定位基线解算时,6 000 km以上的基线长度标准差值能够提高约7 mm;长基线在东(E)、北(N)、天顶(U)三方向的标准差值精度提升约5 mm;待定点的点位精度能够提升约40%. 可以看出采用GDOP法选站可以提高BDS-2/BDS-3相对定位解算精度.
基于多台站高频GPS的地震预警优化算法研究
张文浩, 尹玲, 胡文博
2022, 47(3): 56-64. doi: 10.12265/j.gnss.2021120205
摘要:
随着精密定位技术的发展,高频GPS已能够精确记录地表位移数据,研究高频GPS能为地震预警工作做出一定补充. 针对目前地震预警中单站预警误报率高的问题引入深度学习技术,利用长短期记忆网络(LSTM)联合周边区域台站对单台站进行预警以达到减少误报的目的. 首先通过对新西兰南部地区1 Hz高频GPS数据进行解算得到多个台站无震时间序列,再利用该数据训练网络得到融合区域特征的高精度模型. 该模型可以对无震时间序列进行预测并动态制定阈值区间,当实际观测值超出置信区间则判定异常. 通过与传统短时窗平均/长时窗平均算法(STA/LTA)及未融合区域特征的单站模型进行对比,结果表明:融合区域特征的单站模型可有效减少误报,在多个台站的无震长序列上较传统方法表现优异,具有一定的应用价值.
星地双向时差测量系统周跳探测与修复算法
韩子彬, 白燕, 张峰, 郭燕铭, 卢晓春
2022, 47(3): 65-72. doi: 10.12265/j.gnss.2021120202
摘要:
随着空间时间频率基准的精度越来越高,需要与之匹配的空间时频传递技术. 基于载波相位的星地双向时差测量方法可以实现更高的时间频率传递精度,但对于复杂的星地环境,由于航天器飞行动态高,时频传递链路的传输频率高,载波多普勒效应大,更容易出现粗差和周跳. 基于此,研究一种适合高动态环境下的星地双向时差测量系统载波相位周跳探测与修复方法,提出一种适用于三频组合模式的双向周跳探测与修复方法. 该方法联合双频码相 (MW)组合法可以实现不同类型周跳的探测与修复,对于上下行三条微波链路均可探测出周跳的存在并实现毫米级周跳修复精度. 进一步对基于载波相位测量的星地双向时差测量系统的星地时间同步性能进行分析,在经过周跳探测与修复,以及链路时延数据处理,其星地时间同步精度优于0.3×10–12 s.
基于部分输出FFT的CSK信号高效解调算法
李晔, 周国栋, 肖林伟, 陈华明
2022, 47(3): 73-78. doi: 10.12265/j.gnss.2022019
摘要:
为了实现精密星历数据的高速率播发,码移键控(CSK)调制技术将是下一代卫星导航系统的重要选项. CSK调制信号在解调时需要遍历计算各种码相位偏移的相关值,因此通常使用基于快速傅里叶变换(FFT)的频域解调算法. 根据CSK频域解调仅需FFT部分输出结果的特点,提出了基于部分输出FFT的CSK信号频域解调算法. 该算法对传统FFT的蝶形解算结构进行优化,通过定义计算节点以消除与输出结果无关的计算,从而降低解调的计算复杂度. 以码率为1.023 Mcps的CSK(4,1023)调制信号为例,所提算法可节省约45.6%的计算量,这对下一代卫星导航接收机的设计具有重要的意义.
基于高精度三轴转台的GNSS/INS组合导航姿态性能自动化测试评估方法研究
王剑平, 潘树国, 高旺, 喻国荣, 贺留杰, 王浩
2022, 47(3): 79-84. doi: 10.12265/j.gnss.2021120901
摘要:
目前全球卫星导航系统/惯性导航系统(GNSS/INS)组合系统性能测试评估技术存在评价方式单一,数据自动化处理程度不高等问题. 针对系统的姿态性能,研究了GNSS/INS组合导航姿态性能动态测试评估新方法,并研发了相应的自动化控制测试评估软件. 该方法基于高精度三轴动态基准仿真转台进行,首先通过多转位、多姿态运动场景的任务进行测试,采集转台三轴运动姿态数据与组合导航系统输出数据,然后利用Thompson奇异值剔除法对实测数据进行处理,最后结合转台实测数据进行不确定度分析从而完成测试评估工作. 针对微机电系统(MEMS)组合导航产品开展了两组测试,实测结果表明:该方法可以较好地抑制组合导航系统中出现的奇异值点,同时转台的不确定度值均在0.2″以内,验证了该测试评估方法的高可行性与可靠性.
导航综合基带的设计与实现
张金涛, 韩双林, 杨丽云, 胡正群
2022, 47(3): 85-90. doi: 10.12265/j.gnss.2021092603
摘要:
中国区域导航定位系统(CAPS)是我国一种具有自主知识产权的新型卫星导航系统. 基于卫星转发地面产生的导航信号的工作模式,实现卫星导航功能. 导航综合基带是CAPS主控站的重要终端设备. 利用无线电软件设计思想,设计了导航综合基带总体架构. 采用标准面向仪器系统的PCI扩展(PXI)机箱结构,基于总线设计,可扩展性强. 基带的关键技术包括发射信号的频率补偿技术,高精度接收技术,设备高稳定时延保持技术. 实际测试结果表明:该导航综合基带性能良好,伪码测量精度优于0.20 ns,通道时延稳定度优于0.25 ns,频率补偿精度优于0.8 Hz,满足CAPS的需求.
技术报告与应用
基于遥感任务的凹多边形区域无人机航迹规划算法
刘旭林, 李荣昊, 蔡翔远, 陈晓桐, 魏江南, 李芹, 赵红颖
2022, 47(3): 91-98. doi: 10.12265/j.gnss.2022050
摘要:
针对遥感观测的需求与特点,提出一种基于遥感任务的凹多边形区域无人机 (UAV) 航迹规划算法,旨在保证UAV不相撞与区域全覆盖的前提下,总耗时更短. 根据遥感影像获取的特点,采用统一主飞行方向,定点拍摄进行UAV航迹规划. 通过航线分割点求取、多边形划分、UAV分配、碎片多边形合并与UAV再分配以及航点信息求取五个步骤,得到在选定主飞行方向的情况下UAV航迹的优化. 通过选取凹多边形及其凸包的边所在的方向分别为主方向,得到全局最优解. 实验结果表明:该算法能合理分配UAV并进行航迹规划,比传统方法更为高效、适用性更强.
三种GNSS数据下载方法对比分析
吴汤婷, 梁乔, 陈本富, 卢立果
2022, 47(3): 99-103. doi: 10.12265/j.gnss.2021120602
摘要:
为综合评估单线程、多线程和多协程在全球卫星导航系统(GNSS)数据下载中的性能,以武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心为下载源,从下载文件的时间跨度和量级大小两个方面对三种方法的下载效果进行对比分析. 结果表明:在中小型文件下载过程中多线程的优势大于单线程和多协程;在大型文件下载中,多协程的下载效果略优于多线程,且都相较单线程性能更佳;由于GNSS数据普遍是中小型文件,所以多线程更适用于GNSS数据下载工作.
CORS实时正常高服务方法研究
曾翔强, 陈春花, 周烽松
2022, 47(3): 104-108, 113. doi: 10.12265/j.gnss.2021121401
摘要:
针对现有连续运行参考站(CORS)系统无法在保证数据安全的前提下为用户实时提供正常高服务的问题,提出了一种基于格网的CORS正常高服务方法. 通过对传统虚拟参考站(VRS)技术的数据生成及播发模式进行了改造,采用格网划分的方式,生成格网虚拟观测数据,并对格网虚拟观测数据增加高程异常改正,从而实现实时正常高测量. 该方法在不降低用户精度的前提下,为用户提供实时正常高测量成果,能够提升CORS系统的服务能力,可以为其他省市CORS系统的建设提供参考.
惯导RTK技术的定位原理和工程应用实践
张想平, 杨明光
2022, 47(3): 109-113. doi: 10.12265/j.gnss.2021121601
摘要:
传统的实时动态定位(RTK)技术测量时必须使全球卫星导航系统(GNSS)接收机天线相位中心与测量点保持相对垂直才能够保证测量成果精度,测量时一般要架设三脚架;当使用对中杆测量时,测量者必须保证对中杆水准气泡相对居中才能保证测量成果的精度,测量过程较为费时费力. 惯性导航系统(INS)的出现,改变了人们对传统RTK测绘技术的应用习惯,测量过程中一般不需要架设三脚架,测量对中杆在一定范围内保持任意的倾斜状态,测量过程相对轻松自如,大大减轻了测量工作劳动强度,提高了测绘工作效率. 论文主要分析了INS的定位原理和其技术优势,并强调了只有熟练掌握惯导RTK技术在实际应用中的注意事项,才能使其发挥最大的效益与效率.
5G高低频信号定位精度分析
全一明, 陈世安, 刘广印, 唐旭
2022, 47(3): 114-118, 126. doi: 10.12265/j.gnss.2021120604
摘要:
随着第五代移动通信技术(5G)的不断研发和加速商用,目前我国已建成全球最大规模的商用5G网络. 5G供应商也已逐步开始推出了基于5G 新空口(NR)的定位特性,其中高精度的5G定位技术将逐步商用. 相比4G长期演进 (LTE),5G基站密度更高,信号传输带宽更大,定位精度提升显著,有希望解决全球卫星导航系统(GNSS)在室内和城市峡谷等困难环境下的覆盖和精度问题. 介绍了5G和4G定位在测量域上的区别,分析了5G 低频Sub-6G (FR1)和高频毫米波 (FR2)的测距精度,描述了5G定位算法,并基于3GPP协议和典型商用网络配置的仿真参数来评估定位精度. 仿真结果表明:目前5G基站间时间同步误差是影响定位质量的主要因素,当时间同步精度为50 ns时,5G定位精度不到10 m;如果通过完美站间时间同步,或者在用户端附近增加定位节点以双差的方式消除时间同步误差,5G FR1可以达到约1 m的水平定位精度,而5G FR2的水平定位精度最高可以达到0.16 m.
研究通讯
京津冀地区FY-4A水汽校正模型研究
王勇, 姜诺涵, 刘严萍, 刘晓, 占伟
2022, 47(3): 119-126. doi: 10.12265/j.gnss.2021092604
摘要:
融合全球卫星导航系统(GNSS)与风云气象卫星FY-4A可获得高精度高空间分辨率的水汽分布信息. 利用中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)提供的GNSS观测资料开展京津冀地区FY-4A水汽校正研究. 首先对京津冀地区进行区域划分,按区域分季节开展GNSS水汽与FY-4A水汽的相关性分析;其次分区域、分季节选择不同的函数模型结合GNSS水汽资料构建FY-4A水汽校正模型;然后采取区域模型、单站点模型与实测GNSS水汽开展模型的可靠性检验;最后通过分区域FY-4A水汽校正和图像叠加,获得校正后的京津冀地区FY-4A水汽分布. 研究表明:FY-4A水汽与GNSS水汽的相关性较好,区域FY-4A水汽校正模型精度与单站点模型精度相当,可取代单站点模型用于FY-4A的水汽校正. 基于CMONOC的分区域函数模型在一定程度上提高FY-4A水汽精度,为短期天气预报和合成孔径雷达(InSAR)大气校正提供参考.