全球定位系统

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2021年第46卷第5期

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理论与探讨
技术与应用
综述
GNSS环境遥感

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2021 年 5 期目录

2021, (5): 1-2.

[摘要](376) [HTML全文] (235) [PDF 1913KB](50)

摘要:

理论与探讨

基于GPS/BDS双模接收机的恒温晶振驯服方法

王琦, 彭良福

2021, 46(5): 1-4. doi: 10.12265/j.gnss.2021040801

[摘要](670) [HTML全文] (167) [PDF 2454KB](89)

摘要:
本文研究了一种提高恒温晶振长期稳定性的方法，以GPS/BDS接收机输出的秒脉冲信号为参考信号，校正补偿恒温晶振的频率偏移，在不破坏晶振短期稳定性的前提下，获得更好的长期稳定性. 采用中位值平均滤波和卡尔曼滤波消除相位差的跳变和随机抖动，使用带死区的增量式PID算法控制晶振频率，使其和GPS/BDS接收机输出的秒脉冲信号同步. 测试结果表明：驯服后的晶振和铯钟的钟差峰-峰值不超过47 ns，100 s采样Allan方差为6.22×10⁻¹¹，10 000 s采样的Allan方差约为1.02×10⁻¹². 证明该驯服方法可以使晶振的长期稳定性得到有效提升，是一种可靠有效的驯服方法.

基于一阶模型补偿的GNSS RTK参考站数据预报策略

许卓, 陶钧, 龙宇浩

2021, 46(5): 5-9. doi: 10.12265/j.gnss.2021062102

[摘要](442) [HTML全文] (153) [PDF 2408KB](29)

摘要:
针对相对定位过程中基准站通信中断的情况，本文作者提出了一种对基准站数据进行高精度预报，维持向参考站提供延迟差分修正信息的思路. 对影响全球卫星导航系统(GNSS)观测值预报的卫星星历误差、电离层、对流层等误差源进行分析，比较了各类误差源对延迟时长的敏感程度. 实验结果显示：预报误差随着预报时长增加线性累积，且与卫星高度角负相关；当高度角低于10°时，预报5 min造成的误差可达174.6 cm. 同时，为提高数据预报精度，利用一阶线性模型计算误差累积速率，并补偿至预报观测值. 补偿后，上述预报累积误差削弱至64.4 cm. 定位结果表明：当基准站数据缺失1 min时，经一阶线性模型补偿预报后，零基线实时定位(RTK)定位结果在，东(E)、北(N)、天(U)三个方向均方根误差(RMSE)分别为0.37 cm、0.41 cm、0.86 cm，较未补偿时提升71.1%、77.2%和90.0%；当预报延迟为5 min时，仍能保持cm级解算精度.

智能手机多频多系统实时动态的定位性能分析

王楚极, 龙驰宇, 王锋, 栗广才

2021, 46(5): 10-16. doi: 10.12265/j.gnss.2021060301

[摘要](659) [HTML全文] (231) [PDF 4560KB](64)

摘要:
随着位置服务的发展，人们对定位精度的需求不断提升. 目前智能手机定位主要依赖于全球卫星导航系统(GNSS)芯片所提供的芯片解，其精度仅为米级. 2016年，谷歌宣布允许开发者获取手机GNSS原始观测数据，为研究手机GNSS高精度定位算法提供了支持. 为探索智能手机多频多系统实时动态(RTK)的定位精度和可靠性，文中基于华为P40智能手机开展了静态和动态环境下的多频多系统RTK的定位性能分析. 结果表明：在静态环境下，智能手机多频多系统的RTK定位精度要优于芯片解，在东(E)、北(N)、天(U)三个方向的定位误差均方根(RMS)分别为0.20 m、0.39 m和0.31 m，比芯片解提高了57%、71%和75%；在动态环境下的定位精度依然能够达到分米级，相比于芯片解在E、N、U三个方向上的定位精度提高了37.84%、47.22%、53.68%.

基于GEE平台的1991—2020年环洱海地带土地利用时空变化分析

李小祥, 黄亮, 李凯

2021, 46(5): 17-25. doi: 10.12265/j.gnss.2021041802

[摘要](433) [HTML全文] (361) [PDF 3612KB](74)

摘要:
洱海作为我国重点保护湖泊“新三湖”之一，近30年间环洱海地带经济发展与人地矛盾的问题日益突出. 研究环洱海地区长时间序列的土地利用变化规律，分析人类活动的影响程度对保护治理洱海具有重要意义. 基于谷歌地球引擎(GEE)云平台，以1991—2020年7期Landsat TM/OLI影像为基础数据，融合光谱、归一化差异指数和增强型植被指数等特征，采用随机森林方法对环洱海10 km范围进行了土地利用分类，结合土地利用变化图谱、人类活动指数模型定量分析了城镇化背景下环洱海地带土地利用类型的演变趋势及人类活动强度. 结果表明：1991—2020年林地、草地面积整体呈减少趋势，主要转出方向为耕地；建设用地面积持续增长，主要转入来源为耕地；水域面积变化较小，湿地呈先增加后减少趋势，上述变化趋势与环洱海地区城镇化快速推进有关；人类活动强度总体逐年上升，以低影响区为主且保持相对稳定.高影响区和中高影响区主要集中于环湖南侧和环湖西侧，中低影响区呈零星块状分布且一直呈减少趋势.

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

王伟, 臧文驰, 彭竞, 龚航, 孙广富

2021, 46(5): 26-32. doi: 10.12265/j.gnss.2021050301

[摘要](556) [HTML全文] (398) [PDF 2585KB](75)

摘要:
实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步，本文针对低轨导航增强系统，提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法，以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题. 本文分析了在处理过程中存在的各类误差，介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程，将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理，并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析. 结果表明：采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算，得到的轨道误差的标准差在分米级，钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右，可以达到纳秒级. 通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出，采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度，且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.

基于改进AP选择的融合随机森林室内定位算法

牟平, 凌铭, 胡锐

2021, 46(5): 33-38. doi: 10.12265/j.gnss.2021042101

[摘要](425) [HTML全文] (192) [PDF 2377KB](23)

摘要:
针对复杂室内环境下接收信号强度(RSS)值和维度发生变化的问题，提出一种改进的接入点(AP)选择方法并融合随机森林(RF)分类算法进行实时室内定位. 在离线阶段应用改进的AP选择方法，并使用AP的RSS数据方差以及AP出现频率来衡量AP稳定性并选取前m个稳定的AP. 在处理方差时会经拉普拉斯平滑，以避免出现方差为0的情况，并以此构建初步的指纹数据库；在在线阶段利用集成学习中的RF来对分类结果进行投票表决得到最终位置信息，并将改进后的算法同传统RF，改进后的AP选择融合加权的K近邻算法(WKNN)以及基于信息增益(IG)的AP选择算法加随机森林相比较. 实验结果表明：文中所提出的方法在定位误差方面较其他三个算法分别下降29.3%、23.2%、17.2%，同时在定位时间方面也有提升.

准天顶卫星系统广播星历精度评定和拟合精度分析

寇瑞雄, 杨树文

2021, 46(5): 39-47. doi: 10.12265/j.gnss.2021030906

[摘要](368) [HTML全文] (256) [PDF 2140KB](26)

摘要:
实时导航定位中需要利用广播星历实时计算卫星位置，日本建设的准天顶卫星系统(QZSS)计算卫星位置时通过不断迭代提高计算精度，导致实时解算效率降低. 为了保证QZSS广播星历坐标计算精度且提高运算效率，提出利用切比雪夫多项式拟合卫星轨道. 首先，使用原有方法计算卫星位置，以精密星历为参考，验证QZSS广播星历的卫星坐标精度为米级；然后，针对卫星三维(3D)坐标使用切比雪夫多项式进行拟合，并讨论影响拟合精度的因素，在拟合时间间隔固定时，最优拟合阶数随节点个数增多而增大；不同时间间隔下，不同轨道类型的最优拟合阶数不相等，同一轨道最优拟合阶数相等，但随时间间隔的增大拟合误差也逐渐增大. 结果表明：使用切比雪夫多项式拟合QZSS广播星历时，针对不同的轨道类型选择合适的拟合时间间隔和拟合阶数，其拟合精度和运算效率均可满足需要.

一种基于智能手机四向RSS指纹的室内定位方法

俞佳豪, 余敏

2021, 46(5): 48-54. doi: 10.12265/j.gnss.2021031501

[摘要](382) [HTML全文] (122) [PDF 2375KB](28)

摘要:
针对传统位置指纹匹配算法只能表征单一维度指纹点特征的问题，提出了一种基于智能手机四向接收信号强度(RSS)指纹的室内定位方法. 该方法通过离线阶段的数据采集、特征提取、接入点(AP)权重分配三个步骤提取了更丰富的指纹点信息，在线阶段使用改进的K最近邻(KNN)分类算法将测试点与指纹点匹配. 在操作系统版本为Android 10的智能手机上使用蓝牙传感器进行实验验证，随机选取30个测试点，得到的实验结果表明：1)四向RSS指纹优于传统的单向RSS指纹，在相同的实验条件下使用四向RSS指纹最高可降低13.4%的定位误差；2)使用四向RSS指纹结合提出的算法，平均定位误差在1.61 m，且响应时间在毫秒级.

遗传模拟退火算法优化BP神经网络的GPS高程拟合

石晨阳, 袁晓燕, 江志成

2021, 46(5): 55-59. doi: 10.12265/j.gnss.2021040901

[摘要](431) [HTML全文] (159) [PDF 2214KB](32)

摘要:
针对传统BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优和遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)算法过早收敛的问题，提出了遗传模拟退火算法优化BP神经网络(GSA-BP)算法. 在遗传算法(GA)的种群更新中加入模拟退火算法(SA)，保留种群的多样性. 用GSA-BP算法对某地区进行高程异常拟合，并与BP算法和GA-BP算法结果进行比较. 结果显示：GSA-BP算法精度可分别提高约51%、25%，速度提高约77%、39%，且能基本满足四等水准测量精度要求. 该方法在GPS高程拟合中具有可行性.

GLS完好性故障监测性能研究

张建军, 韩明, 吕自鹏, 邓琪

2021, 46(5): 60-64, 91. doi: 10.12265/j.gnss.2021051001

[摘要](329) [HTML全文] (233) [PDF 2487KB](18)

摘要:
卫星着陆系统(GLS)作为先进的航空新技术，其主要功能是为终端区精密进近的机载设备提供信号修正增强服务，为实现整个系统高精度离场和精密进近的功能发挥着重要作用. GLS完好性是终端区进近着陆引导应用的重要参数，是可靠性的重要依据，然而目前普通用户只关注导航定位的精度而没有考虑定位结果的可靠性，航空导航领域的机载对定位结果的可靠性要求极高，因此针对完好性故障监测性能展开研究分析，提出了一种接收机钟差调整策略并对其有效性进行仿真验证，并验证了完好性故障排除及未排除两种情况对定位精度及完好性的影响，进而证明完好性故障监测可保障GLS的系统性能、运行能力和安全性能达到预期要求.

技术与应用

基于反射靶标的激光SLAM定位方法在港口无人车辆上的应用

王康, 杨勇生, 姚海庆

2021, 46(5): 65-72. doi: 10.12265/j.gnss.2021032201

[摘要](699) [HTML全文] (229) [PDF 2969KB](50)

摘要:
针对港口岸边作业区和堆场内部等特定场景影响无人车辆高精度定位的问题，本工作以Cartographer 同步定位与建图(SLAM)作为算法基础，研究了基于反射靶标的无人车辆高精度定位方法，设计优化了反射靶标参数与布置方法. 针对影响基于反射靶标的激光SLAM定位精度的关键参数、行车速度和抖动干扰，设计实现了测试系统并进行了多参数对比. 针对港口场景下易发生的大抖动干扰导致激光SLAM定位失效的问题，分析了定位失效的产生机理，进而研究了基于惯性导航系统(IMU)和激光SLAM的复合定位技术，提出了大抖动干扰情况下基于反射靶标的激光SLAM定位误差的抑制方法. 实验结果表明：上述方案提高了无人车辆在港口特定场景下的定位精度和定位方法鲁棒性.

BDS在电动船智能充电装置中的应用

曹宇, 宋育泽, 唐小波, 王宁, 李梦波

2021, 46(5): 73-78. doi: 10.12265/j.gnss.2021033101

[摘要](357) [HTML全文] (203) [PDF 2952KB](23)

摘要:
海上电动船已被普遍应用于海洋科考活动，但其电能的补给多依赖于岸基充电设备和人工回收，补电效率低下. 文中设计了一种以海洋能为能源的电动船智能充电装置，可利用风能、潮流能多能互补模式为水面电动船提供便捷充电. 利用北斗卫星导航系统(BDS)的导航与通信功能实现充电装置的定位，并引导电动船到达充电装置所在海域. 此外，岸基终端通过BDS实现装置工作状态的信息反馈，以获得电动船实时充电状态. 该装置可提高海上电动船电能的补给效率且能量来源清洁.

基于六旋翼无人机平台的GNSS干扰源测向与定位系统设计与实现

孙兴信, 甄卫民, 张发祥

2021, 46(5): 79-83. doi: 10.12265/j.gnss.2021040803

[摘要](725) [HTML全文] (217) [PDF 5824KB](66)

摘要:
目前，基于无人飞行器的导航干扰源探测方面的研究主要集中在理论研究与仿真实现阶段^[1]，文中设计了一种基于六旋翼无人机平台的全球卫星导航系统(GNSS)干扰源测向与定位系统, 并在某飞行场区进行了干扰源定位精度的测试. 该系统主要由六旋翼无人飞行器、干扰源监测测向载荷以及地面站组成. 系统试制完成后，选定开阔环境，通过设置干扰源发射不同的调制方式、不同发射功率的干扰信号，以此来验证干扰源的定位精度.

基于消息摘要加密的网络时间协议安全时间同步方法研究

陈曦, 臧文驰, 马明, 龚航, 孙广富

2021, 46(5): 84-91. doi: 10.12265/j.gnss.2021072701

[摘要](282) [HTML全文] (141) [PDF 2953KB](21)

摘要:
目前，以网络时间协议(NTP)为主要的时间协议应用于有线网络中的时间同步，其在广域网中可以实现十几毫秒、局域网中实现几毫秒的同步精度. 然而，由于协议的开放性，其在无安全防护的情况下极易受到网络攻击，这给需要高安全的客户带来潜在的风险. NTP可以增加安全策略来应对可能的安全风险，将消息摘要(MD)中的MD5和安全散列算法(SHA)中的SHA-1引入NTP算法，有效地验证了数据完整性，防止数据包被篡改，以保证时间同步的安全性. 进一步，针对这两类算法提出对NTP包关键数据帧Hash加密，在保持良好同步精度的同时可进一步提高时间同步的安全性. 通过实验对比了MD5和SHA-1算法加入所带来同步效果的影响. 结果表明：在MD5和SHA-1算法加入后，NTP依然能保持毫秒级的同步性能，这对于实现NTP安全时间同步方法具有重要意义.

基于X-11-ARIMA模型在GNSS定位数据后处理的应用

匡宇龙, 雷孟飞

2021, 46(5): 92-98. doi: 10.12265/j.gnss.2021051201

[摘要](299) [HTML全文] (165) [PDF 2329KB](19)

摘要:
定位数据分析及后处理是卫星导航定位系统在测绘和地灾监测应用中的关键环节. 通常，在卡尔曼滤波处理定位数据后得到的平滑数据，能够剔除噪声干扰得到贴近真值的数据. 但在长时间跨度的情况下，周期性发生的干扰难以在短时间内被识别和滤除，从而反映为一种频率较低的噪声波动. 假设该波动干扰存在周期性，以X-11分解时间序列分析方法进行数据处理，平滑后定位数据的方差从4.733减小至2.683，精度提高了43.3%. 并对拆分数据进行差分自回归移动平均模型(ARIMA)建模预测. 还原数据对比直接预测数据的分析结果表明：拆分后分别预测再整合还原精度高于直接预测5%～10%，可以应对平滑处理实时性差的问题.

基于B1C新信号的BDS/INS深组合改进的跟踪环路设计

李忠盼, 韩培俊, 赵冬青, 刘建松, 李征

2021, 46(5): 99-103. doi: 10.12265/j.gnss.2021041101

[摘要](326) [HTML全文] (174) [PDF 2410KB](28)

摘要:
针对北斗卫星导航系统/惯性导航系统(BDS/INS)的深组合定位系统，提出了一种利用惯性导航系统(INS)辅助B1C正交分量的信号跟踪算法，以解决定位过程中信号较弱致深组合定位系统失锁的问题. 该算法使用了考虑INS数据的卡尔曼滤波算法，并同时利用导频分量和数据分量构成本地码，对信号进行跟踪. 由该算法对实测数据计算，并利用传统算法进行对比，可以得出在弱信号的环境下跟踪环路较为稳定，伪距精度较高.

多系统融合精密单点定位在机载雷达电力线巡检中的应用

孟昊, 韩保民, 王胜利, 王进

2021, 46(5): 104-110. doi: 10.12265/j.gnss.2021042701

[摘要](285) [HTML全文] (249) [PDF 2392KB](23)

摘要:
通过无人机搭载激光雷达(LiDAR)测量系统进行电力线巡检实验，提出了一种基于多系统精密单点定位(PPP)的机载LiDAR电力线巡检方法，重点分析了基站差分、单系统PPP、多系统融合PPP三种处理策略生成POS数据的方法，并利用江苏省中北部采集的机载雷达数据及人工布设的控制点结果进行验证. 实验结果表明：三种方法得到的POS数据均方根误差(RMSE)均在0.016 m以内，与单系统PPP相比，多系统PPP在高程方向提高了12%，在东(E)方向提高了21%，在北(N)方向提高了17%，文中提出的方法生成三维(3D)点云数据精度较高，生成的点云数据精度满足精细电力线巡检的要求.

综述

地球定向参数测量发展现状和展望

陈少杰, 高玉平, 时春霖, 尹东山

2021, 46(5): 111-116. doi: 10.12265/j.gnss.2021031502

[摘要](498) [HTML全文] (198) [PDF 2072KB](71)

摘要:
随着我国空间探测工程的快速发展，对地球定向参数(EOP)的精度需求越来越高. 通过对地球定向参数的测量原理进行介绍，以现有的经典光学观测手段、甚长基线干涉测量(VLBI)、全球卫星导航系统(GNSS)、多里斯系统(DORIS)、激光测月(LLR)和卫星激光测距(SLR)等为代表的现代空间大地测量手段对地球定向参数测量原理及特点进行全面的阐述，对地球定向参数的自主测量与服务进行展望，为我国建设自主的地球定向参数测量系统提供理论基础和参考.

GNSS环境遥感

基于GF-5高光谱特征分析的水体提取方法研究

沈聪颖, 甘淑, 李新澳, 冯鸿能

2021, 46(5): 117-122. doi: 10.12265/j.gnss.2021030901

[摘要](706) [HTML全文] (221) [PDF 2272KB](63)

摘要:
针对山区水体、山体阴影与裸地等地类光谱混淆性，基于高分五号(GF-5)影像数据，结合高光谱特征分析构建了山区水体决策树提取模型. 先对水体和相关干扰地类进行高光谱特征分析实现特征波段选取，应用单波段阈值法、多波段谱间关系法、归一化水指数(NDWI)法进行提取实验. 通过比较以上实验不足之处，提出了单波段阈值法与构建的阴影水体指数(SWI)相结合的决策树水体提取模型，以Google Earth高清影像为参考结合实地采样得到的混淆矩阵进行精度评价. 实验结果表明：单波段阈值法与NDWI法易将山体阴影识别为水体，受裸地影响较小；多波段谱间关系法对山体阴影有一定抑制作用，受小面积裸地影响；决策树提取模型能有效抑制山体阴影和裸地影响提取完整水体. 其总体精度为89.39%，Kappa系数为0.82，显著提升了山区水体提取精度.