全球定位系统

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)发展至今已有半个多世纪，不仅可以为用户提供导航、定位和授时(PNT)服务，还可用于地球遥感，其应用超乎想象. 本文基于GNSS反射信号(GNSS-R)的应用，系统介绍了GNSS-R的基本概念和信号特征，重点针对陆面遥感应用进行了综述，并就未来可能的发展方向做出分析，可为GNSS-R的应用提供一个重要的参考.

GNSS-IR解译地表环境参数研究进展及展望

周昕, 张双成, 张勤, 刘奇, 马中民, 刘宁

2023, 48(3): 12-23. doi: 10.12265/j.gnss.2023061

[摘要](740) [HTML全文] (173) [PDF 3796KB](92)

摘要:
全球卫星导航系统(GNSS)具有全天候、近实时、高精度的特点，可持续发射L波段信号，广泛应用于定位、导航和授时(PNT). 随着GNSS研究与应用的不断深入，全球定位系统干涉反射(GNSS-IR)技术为地表参数探测提供了一种全新的手段. GNSS无线电导航信号经不同地表介质(如土壤、积雪、水面等)反射后，被反射的GNSS多路径信号承载反射面的特性信息，通过对GNSS反射信号中振幅、相位和频率等参数的分析，可有效获取地表反射面的物理参数. GNSS-IR作为当前GNSS和遥感领域的研究热点，取得了一些研究进展和成果. 本文详细介绍了GNSS-IR原理和方法及该技术在土壤湿度、植被、积雪和水位等方面的应用进展，并在此基础上，提出GNSS-IR研究中存在的问题及发展方向.

基于GNSS的无源双基地雷达地面动目标成像方法研究

唐涛, 王鹏波, 陈杰, 周新凯, 曾虹程

2023, 48(3): 24-32. doi: 10.12265/j.gnss.2023042

[摘要](388) [HTML全文] (95) [PDF 4727KB](72)

摘要:
基于全球卫星导航系统(GNSS)的无源双基地雷达是一种极具潜力的天基雷达系统，具有功耗低、隐蔽性好等优点. 但由于信号功率密度低，需要通过长时间积累提升目标信噪比(SNR)，而目标运动会造成距离徙动和多普勒扩散，传统的脉冲多普勒雷达处理方法不再适用. 针对此问题，本文提出一种基于拉东傅里叶变换的动目标成像方法. 首先通过在传统拉东傅里叶变换中增加去多普勒调频率补偿因子，联合搜索并估计动目标的三维参数，然后通过参数补偿实现目标在距离多普勒域的聚焦成像. 该方法既考虑了多普勒相位调制的影响，又在距离频域快速部署实现，可以达到比传统方法更好的聚焦效果. 最后基于GPS卫星照射源的实测实验对所提方法的性能进行了验证.

高纬度区域GNSS多系统电离层建模及其精度评估

肖勇

2023, 48(3): 33-38. doi: 10.12265/j.gnss.2023025

[摘要](410) [HTML全文] (108) [PDF 2864KB](71)

摘要:
电离层延迟是影响卫星导航和定位精度的主要误差源之一，精确建立电离层模型对高精度导航定位具有重要意义. 针对高纬度区域多全球卫星导航系统(GNSS)电离层建模的研究，首先给出了GNSS多系统的电离层建模方法，然后利用高纬度区域均匀分布的11个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站观测数据进行电离层建模，对比分析了电离层多项式模型和球谐函数模型下GPS单系统和GNSS多系统的电离层建模精度. 结果表明：两种电离层模型解算的各系统卫星差分码偏差(DCB)估值差异较小，且绝大部分卫星DCB估值偏差都小于0.5 ns，精度较高；两种电离层模型在GNSS多系统下的系数估计精度高于GPS单系统，且电离层垂直总电子含量(VTEC)残差总体小于GPS单系统；电离层球谐函数模型GPS单系统建模精度为3.09 TECU，GNSS多系统为1.80 TECU，提高率为41.7%.

基于地基GNSS掩星信号的低空大气波导监测

王红光, 张利军, 王倩南, 韩杰

2023, 48(3): 39-43. doi: 10.12265/j.gnss.2023046

[摘要](318) [HTML全文] (77) [PDF 2628KB](63)

摘要:
大气波导对超短波及以上频段无线电波传播影响显著，为解决海上大气波导参数实时获取问题，提出从地基接收全球卫星导航系统(GNSS)掩星过程的接收信号中提取海上低空大气波导环境信息. 采用抛物方程方法实现由大气波导参数预测地基GNSS掩星信号接收功率的正演模型. 通过遗传算法结合正演模型、参数化的大气波导模型和目标函数，实现根据GNSS掩星信号接收功率得到大气波导参数的反演算法. 仿真模拟了标准折射、表面波导和悬空波导环境对近地面接收GNSS掩星信号的影响. 通过试验获得不同折射环境下北斗卫星导航系统(BDS)、GLONASS、GPS实测掩星信号，并利用实测GNSS掩星信号进行了低空大气波导的反演. 结果表明：所采用的方法能够有效的监测反演海上低空大气波导，且具有无源被动遥感的特点.

乌鲁木齐市采煤塌陷区地表沉降遥感监测

冯健, 杨早早, 徐莹, 陈灏

2023, 48(3): 44-51. doi: 10.12265/j.gnss.2023020

[摘要](356) [HTML全文] (84) [PDF 12730KB](44)

摘要:
乌鲁木齐市侏罗系含煤地层呈近东西向横穿城市主城区，具有含煤层数多、单层煤层巨厚且近乎直立的地质特点. 数十年以来，煤炭资源的开采破坏了乌鲁木齐的城市环境，由此造成的塌陷区威胁着周边居民的生产生活，也严重制约着城市发展，限制了土地资源的开发利用. 本文以乌鲁木齐市横跨水磨沟区和米东区的六道湾煤矿、苇湖梁煤矿等为研究区，以Sentinel-1A数据为主要数据源，采用短基线集合成孔径雷达干涉(SBAS-InSAR)技术监测研究区内2018-06-01—2022-06-30的历史废弃煤矿、现有开采煤矿和周边居民区的地表沉降现象. 利用SBAS-InSAR技术处理SAR数据，获取研究区内地表时序形变结果，生成地理编码后的年均速率及累积形变量，发现多个矿区沉降漏斗范围扩大，且沉降漏斗中心的累积沉降量超过−150 mm. 通过与全球卫星导航系统(GNSS)结果的对比分析发现，GNSS与SBAS结果整体沉降趋势一致，均方根误差(RMSE)为2~3 mm，因此SBAS-InSAR具有较高的可信度.

北斗全频段GNSS-R水位反演研究

符平贵, 匡翠林, 楚彬

2023, 48(3): 52-56, 92. doi: 10.12265/j.gnss.2023083

[摘要](300) [HTML全文] (85) [PDF 6913KB](52)

摘要:
北斗三号卫星导航系统(BDS-3)拥有丰富的频段数据，使得该系统在全球卫星导航反射测量(GNSS-R)领域具有广阔的应用前景. 本文系统地开展了北斗全频段GNSS-R水位反演研究，首先对比了频谱分析和非线性拟合两种算法在水位反演中的性能，结果表明非线性拟合的整体精度优于频谱分析；然后针对反演结果中存在的各种误差，引入Savitzky-Golay滤波算法去噪，数值表明去噪前后的结果与实测水位之差的均方根误差(RMSE)平均降低了7.4 cm，且北斗全频段的反演精度与GPS L5相当.

基于GNSS-R的移动目标探测技术研究

朱鹏飞, 朱庆林, 董翔, 孙明晨

2023, 48(3): 57-61, 134. doi: 10.12265/j.gnss.2023078

[摘要](537) [HTML全文] (129) [PDF 3138KB](79)

摘要:
全球卫星导航反射信号(GNSS-R)移动目标探测技术是一种针对目标区域进行遥感探测的新型探测手段. 从技术机理上，GNSS-R移动目标探测技术为无源双基地雷达，具有与有源雷达截然不同的信号传播模型. 通过分析GNSS信号传播的几何构型，对监测区域特征进行分析，判断探测区域是否出现移动目标. 经过实验验证，当移动物体经过监测区域，系统能够准确地探测到移动目标并计算出目标高度及位置信息.

基于多源数据的BKlob模型精细化

刘家龙, 朱永兴, 贾小林, 宋淑丽, 程娜

2023, 48(3): 62-71. doi: 10.12265/j.gnss.2023092

[摘要](225) [HTML全文] (97) [PDF 3686KB](39)

摘要:
北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)开通了全球服务，BDS Klobuchar(BDSklob)模型的服务区域也拓展至全球范围，BDSklob模型全球化后的性能引起了极大的关注. 针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)播发的BDSklob模型在服务区域外精度不高、两极地区改正异常情况，本文基于参数精化方法，利用经验模型IRI-Plas-2017、北斗全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)，以及欧洲定轨中心(CODE)的全球电离层格网(GIM)产品多源数据提出新的BDSklob模型精细化方案多源数据精细化法. 结果表明：各个数据源精细化方法对BDSklob模型性能都有明显提升，尤其是在极地区域；BDSklob_C(数据源为CODE的GIM产品)处理结果精度最高；BDSklob_B(数据源为BDGIM)精度次之，但不借助外部数据源，在北斗系统中即可完成精化处理；BDSklob_I(数据源为IRI模型)精度稍差，但基于经验模型的预测性，可以满足实时精化处理的需要.

不同加权平均温度模型对大气可降水量影响分析

陈祥明, 王宝宝, 李若瑜, 林乐科, 朱庆林

2023, 48(3): 72-76. doi: 10.12265/j.gnss.2023016

[摘要](378) [HTML全文] (107) [PDF 2049KB](48)

摘要:
加权平均温度(WMT)是地基全球卫星导航系统(GNSS)气象学中解算大气可降水量(PWV)时的一个重要物理量，利用国内四个典型地区2019年的历史气象探空数据计算各剖面的WMT，构建了适合当地的WMT线性统计模型，并对所建模型、工程上常用的几种WMT统计模型及利用其换算得到的PWV进行了对比. 根据统计结果可知：对于精度较高的需求，构建适合当地的统计模型是很有必要的，另外，各统计模型中Mao模型和Mendes模型的精度相对较高，在不具备建模条件的情况下可以优先考虑. 本统计结果可为其他涉及WMT的工程应用提供参考.

理论与探讨

基于扩展天线的智能手机GNSS RTK定位性能研究

袁良雄, 王浩, 申志恒

2023, 48(3): 77-84. doi: 10.12265/j.gnss.2023024

[摘要](387) [HTML全文] (95) [PDF 4802KB](58)

摘要:
本文对外接低成本螺旋天线的Mi8智能手机观测数据质量进行了研究，从载噪比(CNR)、伪距残差、相位残差等方面进行了分析和评估. 结果显示：外接天线的Mi8手机原始全球卫星导航系统(GNSS)观测值的CNR比内置天线手机高约10 dB-Hz，和测量型接收机CNR水平几乎相当；伪距残差在5 m以内；与内置天线手机不同，外接天线手机伪距残差与高度角、CNR的相关性都较强. 在此基础上给出了基于高度角和CNR的两种定权模型，并基于扩展天线的Mi8手机开展了静态和动态环境下的实时动态(RTK)精密定位性能测试实验. 实验结果表明：在静态环境和动态环境下外接天线的Mi8手机RTK定位精度均可达到厘米级；使用基于CNR定权的随机模型相较于高度角定权的随机模型，在动态场景下具有更高的定位精度，具体表现为在水平和高程方向上分别有约16%和50%的精度提升.

基于因子图优化PPP的GNSS/INS松组合导航

杨显赐, 乔书波, 肖国锐, 贾晓雪, 彭华东, 李松伟

2023, 48(3): 85-92. doi: 10.12265/j.gnss.2023027

[摘要](818) [HTML全文] (323) [PDF 4285KB](118)

摘要:
针对全球卫星导航系统(GNSS)容易因建筑物遮挡、多路径效应以及卫星可见数不足导致的GNSS信号失锁问题，提出了一种基于因子图优化(FGO)的精密单点定位(PPP)算法进行GNSS和惯性导航系统(INS)的融合定位方法.首先参照经典PPP双频无电离层模型，构建伪距、载波因子，根据非线性优化理论求解非线性最小二乘问题；再将优化后的PPP位置信息作为PPP因子，与地球自转的精化预积分因子一同构建到GNSS/INS松组合FGO框架中，实现组合导航信息非线性优化. 车载实测结果表明：针对PPP，所提算法的定位精度相比扩展卡尔曼滤波(EKF)算法在北(N)方向、东(E)方向、地(D)方向上分别提升37.09%、28.79%、64.59%；针对GNSS/INS组合导航，该算法的定位精度相比EKF算法在三个方向上分别提升了49.08%、41.22%、71.86%.

不同截止高度角下天线阵列RTK定位分析

王超, 刘长建, 肖国锐, 孙爽, 孟欣

2023, 48(3): 93-101. doi: 10.12265/j.gnss.2023028

[摘要](208) [HTML全文] (102) [PDF 6480KB](37)

摘要:
针对天线阵列实时动态(RTK)的定位性能评估问题，将天线阵列RTK的数学模型与RTK的数学模型进行对比分析，并在不同截止高度角下采用天线阵列RTK与RTK对一组静态实测数据进行单历元解算. 结果表明：相较于RTK，天线阵列RTK能够增加双差观测方程的冗余度从而增加模型强度，达到提高模糊度固定成功率与定位精度的效果. 基于GPS+北斗卫星导航系统(BDS)组合的天线阵列RTK在50°大截止高度角下，其模糊度固定成功率达到93.6%，并且固定解水平精度优于1 cm、高程精度优于2 cm，能够满足高精度定位需求，进一步提高了RTK在城市峡谷等环境中的适用性.

基于惯性先验校正图像灰度的VIO前端改良方法

徐锦乐, 潘树国, 高旺, 刘宏, 王向

2023, 48(3): 102-109. doi: 10.12265/j.gnss.2023067

[摘要](264) [HTML全文] (121) [PDF 3950KB](39)

摘要:
针对封闭环境中不同光照场景导致相机图像序列光照过强、过弱以及光照强度大幅变化等问题，提出了一种基于惯性先验预测并校正图像灰度、提升光流跟踪成功率的视觉惯性里程计(VIO)前端改良方法，以解决由于极端光照条件导致的特征点跟踪失败问题. 该VIO前端改良算法通过以惯性预测特征点像素位置，并衡量图像序列中对应特征点邻域之间的相似性对当前图像灰度进行伽马校正. 通过TUM数据集实验验证，所提算法定位精度比VINS-Mono平均提升了17.7%；在真实的室内外环境下进行实验，相较于VINS-Mono有更好的表现.

基于多通道SQM指标联合的矢量接收机多径干扰检测方法

贾琼琼, 朱传胜

2023, 48(3): 110-119. doi: 10.12265/j.gnss.2023037

[摘要](305) [HTML全文] (125) [PDF 4630KB](47)

摘要:
矢量接收机利用各跟踪通道间信息共享达到通道间相互辅助的作用，因此相对于传统的标量接收机能在复杂环境下提供更好的性能. 然而在城市峡谷等复杂环境下，多径传输会严重限制矢量接收机的性能，若能及时发现多径并加以处理则能消除多径干扰的影响. 本文从多径对矢量接收机的影响机理出发，研究基于信号质量监测(SQM)的多径检测问题. 在分析现有的针对标量接收机信号SQM指标的基础上，结合矢量接收机通道耦合的特点，提出一种联合多通道SQM指标的矢量接收机多径检测方法. 最后，通过仿真实验验证了所提方法能够有效地检测与直达信号幅度比小于0.5、相对码延时在0.3~0.6码片的多径干扰.

技术报告与应用

集成GNSS和加速度计的实时变形监测系统研制

王培源, 涂锐, 韩军强, 左航, 陶琳琳, 方婧

2023, 48(3): 120-126. doi: 10.12265/j.gnss.2023012

[摘要](386) [HTML全文] (208) [PDF 3467KB](66)

摘要:
本文设计了一种基于STM32单片机的全球卫星导航系统(GNSS)和加速度计的数据采集设备，其可以实现实时变形监测应用. 以STM32F103ZET6为主控芯片，利用GNSS板卡和加速度计采集数据，通过4G模块将数据传输到服务器，从服务器读取数据并用Kalman滤波算法对GNSS数据和加速度数据进行融合处理，从而达到实时变形监测的目的，并通过静态实验进行了验证. 实验结果表明：加速度计的基线漂移可以被自动校正，融合后X、Y、Z三个方向位移标准差(STD)均优于1.114 cm，速度STD均优于0.072 cm/s，校正基线漂移后加速度STD均优于0.485 cm/s².

基于BDS的航空器追踪监控系统

毛新胜, 许欢, 潘路平

2023, 48(3): 127-134. doi: 10.12265/j.gnss.2023095

[摘要](272) [HTML全文] (89) [PDF 4035KB](34)

摘要:
为解决全球航班追踪监控所面临的难题，利用北斗卫星导航系统(BDS)的定位与短报文通信功能，设计了一套基于BDS的航空追踪监控系统. 通过在飞机上加装具备定位和通信功能的机载北斗设备，将实时解算的飞机BDS位置信息和通过机载总线获取的飞机航班号、燃油量等重要参数信息，按照设计的协议周期性自动向布设在地面的接收系统发送追踪监控信息，实现从位置源、通信链路到地面系统完全自主可控的全球航班追踪监控系统. 系统装机后开展了飞行试验，以北斗区域短报文数据接收成功率为指标，分析了飞行阶段对追踪监控性能的影响，结果表明在飞行状态下通信成功率符合预期. 此外，对机载设备存储的BDS与GPS定位数据进行了对比，结果表明BDS航迹和GPS航迹具有良好的一致性. 设计的系统已交付国内航空公司用户，且已服务于日常航班追踪监控.