全球定位系统

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2024年第49卷第3期

栏目

理论与探讨
技术报告与应用

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2024 年 3 期目次

2024, 49(3): 1-2.

[摘要](135) [HTML全文] (74) [PDF 1643KB](26)

摘要:

理论与探讨

Galileo高精度定位服务的空间信号误差及精密单点定位评估

丁尧, 方荣新, 陈国, 胡冰燕, 程毅凡

2024, 49(3): 1-9. doi: 10.12265/j.gnss.2024052

[摘要](395) [HTML全文] (76) [PDF 4825KB](56)

摘要:
Galileo高精度定位服务(high accuracy service，HAS)利用E6B信号向全球用户播发免费精密卫星轨道、钟差和码偏差改正信息，在卫星高精度实时应用领域有重要意义. 评估其空间信号误差及精密单点定位(precise point positioning，PPP)性能是用好HAS的重要前提. 基于2023年12月1日至31日的HAS轨道钟差产品进行评估测试，Galileo卫星轨道产品在径向(R)、切向(A)和法向(C)的均方根误差(root mean square error，RMSE)分别为3.24 cm、7.40 cm和6.85 cm，GPS分别为4.52 cm、8.19 cm和6.71 cm；Galileo钟差产品的标准差(standard deviation，STD)为0.16 ns，GPS为0.26 ns. 基于欧洲10个测站PPP的实验结果表明：Galileo在E、N、U方向的定位精度分别为6.44 cm、4.65 cm和11.36 cm，GPS分别为7.42 cm、5.78 cm和12.04 cm，联合定位分别为4.11 cm、3.10 cm和7.56 cm，HAS可以满足高精度定位需求.

北斗三号PPP-B2b信号精密单点定位服务可用性分析

许扬胤, 任夏, 明锋

2024, 49(3): 10-19. doi: 10.12265/j.gnss.2023214

[摘要](265) [HTML全文] (67) [PDF 5608KB](37)

摘要:
针对北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3) PPP-B2b信号精密单点定位(precise point positioning，PPP)服务可用性，以改正参数的可用性比例、平均可用卫星数和改正参数匹配性为指标进行了系统分析. 结果表明：在中国及周边地区，BDS-3 PPP-B2b信号改正参数的可用性在71%~95%，且在北京地区达到最大，GPS改正参数可用性在68.5%~88.6%，差于BDS-3. 中国及周边地区用户缺少PPP-B2b信号改正参数的卫星观测弧段主要集中在低高度角时段，其改正参数的可用性随着截止高度角的增大而增大；BDS-3、GPS和BDS-3/GPS在中国及周边地区的改正数可用平均卫星数分别约为8颗、7颗和15颗，可以确保有效的实时PPP (real time PPP，RT-PPP)服务性能，但平均约有1颗BDS-3卫星和2颗GPS卫星因为缺少PPP-B2b信号改正参数而无法参与RT-PPP服务；对于赤道以南地区，单个系统基本无法提供有效的PPP-B2b服务，其改正参数的平均可用性低于50%，但BDS-3/GPS双系统在部分低纬度地区可提供约7~11颗的可用卫星；由于轨道改正参数和钟差改正参数更新频率不一致，在钟差改正数版本号(IOD Corr)参数更新时，会出现短暂的改正参数不匹配情况.

改进视觉前端的视觉/惯导融合定位算法

李志政, 聂志喜, 王振杰, 张远帆

2024, 49(3): 20-27. doi: 10.12265/j.gnss.2024024

[摘要](243) [HTML全文] (79) [PDF 3951KB](28)

摘要:
针对移动机器人在GNSS拒止环境下的高精度定位问题，提出了一种自适应通用角点检测(adaptive and generic accelerated segment test，AGAST)算法改进移动机器人视觉/惯导融合定位系统的视觉前端. 该算法通过局部直方图均衡化和自适应阈值检测改进视觉里程计(visual odometry，VO)算法，改善特征点提取的质量，提高VO在复杂环境中的定位精度和稳定性；基于因子图优化(factor graph optimization，FGO)算法融合VO和惯性导航系统(inertial navigation system，INS)，实现移动机器人的高精度定位. 分别采用公开室内、室外数据集进行测试，结果表明：改进算法相比VINS-Mono主流算法室内数据集定位精度平均提升22.8%，室外数据集定位精度平均提升59.7%.

面向矿区沉陷监测的GNSS垂向时间序列降噪方法

郑灿广, 郑辉, 谢世成, 朱明非, 韩雨辰, 杨旭

2024, 49(3): 28-37. doi: 10.12265/j.gnss.2024002

[摘要](191) [HTML全文] (49) [PDF 2835KB](21)

摘要:
GNSS技术作为开采沉陷监测的重要手段，其时间序列中的噪声会对监测结果造成较大影响. 本文提出一种混合灰狼粒子群优化算法(improved hybrid grey wolf particle swarm optimization，IPSOGWO)和改进自适应噪声完备集合经验模态分解(improved complete ensemble empiricalmode decomposition with adaptive noise，ICEEMDAN)联合小波阈值(wavelet thresholding，WT)的降噪方法. 通过IPSOGWO优化ICEEMDAN算法的超参数，对GNSS时间序列进行分解，提取本征模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF). 利用多尺度排列熵筛选出含有噪声的IMF分量，采用小波阈值对含噪分量进行二次处理，并与剩余IMF分量重构，获得降噪结果. 利用仿真信号和某矿区自动化监测站的实测数据进行实验，结果表明：与小波阈值、完备集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition，CEEMD)和GWO-ICEEMDAN相比，本文方法降噪性能更好，降噪后的数据可为后续工作面沉降分析提供支持.

基于5G+UWB的室内定位算法研究

张凯丽, 涂锐, 李芳馨, 许霞云, 王冰

2024, 49(3): 38-44. doi: 10.12265/j.gnss.2024038

[摘要](378) [HTML全文] (68) [PDF 2743KB](43)

摘要:
第五代通信技术(5th-Generation，5G)为室内定位领域带来了新的可能性，超宽带(ultra wide band，UWB)定位技术与5G定位技术都具有带宽大、频率高的特性，但是定位性能却略有差异. 针对单一传感器定位的准确性、稳定性差的问题，本文提出了5G+UWB的融合定位算法，构建了基于到达时间差(time difference of arrival，TDOA)的5G室内定位、基于三边定位算法的UWB室内定位以及基于融合定位算法的5G+UWB室内定位模型. 首先验证了通过加权最小二乘(weighted least squares，WLS)算法得到的各单系统的初步定位结果，之后验证了结合Taylor级数展开法得到的改进后定位结果. 在此基础上，进一步对通过融合算法将两个单系统定位结果进行融合后的组合定位结果进行实验验证. 实验结果表明：UWB单系统定位结果呈现准确性较低、稳定性较高的特点，5G单系统定位结果呈现准确性较高、稳定性较低的特点，二者组合后可得到准确性和稳定性都相对较好的定位结果，组合系统定位精度最高可达0.22 m，最低可达0.73 m，可实现亚米级定位.

基于SSA方法的共模误差提取及其对GNSS垂向坐标时间序列的影响分析

黄留波

2024, 49(3): 45-50, 79. doi: 10.12265/j.gnss.2023223

[摘要](150) [HTML全文] (76) [PDF 2501KB](16)

摘要:
本研究基于德国北部24个GNSS测站8 a的数据，引入奇异谱分析方法(singular spectrum analysis，SSA)，提出一种顾及不同残差子分量互相关性及子分量贡献率的共模误差(common mode error，CME)识别方法. 探讨了CME对GNSS坐标时间序列噪声和参数估计的影响. 通过与主成分分析(principal component analysis，PCA)方法的对比发现，提出的新方法与PCA方法提取的CME结果非常接近，证实了新方法的可行性. GNSS的CME序列主要包含白噪声(white noise，WN)、闪烁噪声(flicker noise，FN)和非整数谱指数幂律噪声(power law noise，PL). 在剔除CME后，各测站的WN和有色噪声量级分别平均下降了30.32%和52.61%，说明CME中有色噪声占主导地位. 同时，CME改正后，坐标的周年周期和半年周期振幅均有所减小，参数拟合的均方根误差(root mean squared error，RMSE)降低了16.7%. 综上所述，新方法在提高GNSS坐标时间序列质量方面具有重要实际意义.

Galileo三频非组合PPP相位小数偏差估计与模糊度解算

熊博文, 潘林, 裴根, 刘宁, 章湘粤, 邓民

2024, 49(3): 51-56. doi: 10.12265/j.gnss.2023157

[摘要](124) [HTML全文] (73) [PDF 2642KB](29)

摘要:
欧洲的Galileo目前已经有28颗在轨可用卫星，具备全球精密定位能力，并且所有卫星均能够播发多频信号，多频信号融合有望进一步改善精密单点定位(precise point positioning，PPP)模糊度固定解性能. 本文研究了Galileo三频非组合PPP相位小数偏差(fractional cycle bias，FCB)估计与模糊度解算(ambiguity resolution，AR)方法，并将其结果同双频非组合PPP模糊度固定解与浮点解结果进行了对比分析. 结果表明：利用155个全球分布的地面跟踪站数据进行FCB估计，单个频率上的FCB估值序列标准差(standard deviation，STD)优于0.04周；双频PPP浮点解在E、N、U方向收敛时间分别为32.0 min、10.0 min、43.5 min，双频PPP固定解收敛时间分别减少到30.5 min、8.5 min、32.0 min，三频PPP固定解收敛时间分别进一步缩短到16.5 min、8.0 min、32.0 min.

改进MixNet的CSI图像指纹室内定位方法

龙良, 王小鹏, 李岗, 王江

2024, 49(3): 57-64. doi: 10.12265/j.gnss.2023198

[摘要](181) [HTML全文] (71) [PDF 2678KB](16)

摘要:
为了提升信道状态信息(channel state information, CSI)指纹室内定位的性能，提出了一种改进MixNet的CSI图像指纹室内定位方法. 在离线阶段，通过选择定位参考点(reference point, RP)处信号强度指示(received signal strength indication, RSSI)最强的3个接入点(access point, AP)，提取其CSI数据并转换为图像；然后利用改进的MixNet模型对图像进行训练并保存模型. 其中改进的MixNet引入了坐标注意力(coordinate attention, CA)和残差连接. 首先，将MixNet-s中的SE (squeeze-and-excitation)注意力替换为CA，以增强网络的信息表示能力并更精确地获取CSI图像指纹特征. 其次，根据MixNet-s模型的特点构建残差连接，以增强网络的表示能力并防止过拟合. 最后，通过减小网络深度确保所有网络层得到充分训练；在线阶段，采集目标设备的CSI数据并转换为图像，输入已训练好的改进MixNet模型(命名为MixNet-CA)；最后利用加权质心算法根据模型输出的概率值估计目标设备的最终位置. 提出方法在室内环境中进行了验证，达到了0.3620 m的平均定位误差.

GNSS基准站信噪比联合卫星系统综合定权的手机RTK定位

王尔申, 王珩, 张益泽, 程泉润, 唐文杰, 雷虹

2024, 49(3): 65-72, 93. doi: 10.12265/j.gnss.2024045

[摘要](178) [HTML全文] (43) [PDF 3397KB](27)

摘要:
随着智能手机芯片和天线性能的不断提升，基于手机的高精度定位逐渐引起学术界和工业界的广泛关注. 相较于单点定位，实时动态 (real-time kinematic，RTK) 定位通常表现出更高的定位性能. 然而，目前对于手机RTK定位的随机模型的研究仍相对较少. 因此，文中以小米8为例，重点探讨了智能手机在多系统RTK定位情境下的随机模型.研究结果表明：不同系统的卫星伪距噪声存在显著差异，而相位噪声的差异则较小. 基于此，本文提出了一种基站信噪比联合卫星系统间综合定权的随机模型. 相对于传统的信噪比模型更准确地考虑了不同系统之间的权重分配. 并在开阔和遮挡条件下进行了静态和动态实验. 结果表明：相比于传统的信噪比模型，新模型在静态开阔、静态遮挡、动态开阔和动态遮挡下三维方向的RTK定位精度分别提升了18.7%、18.3%、3.3%和4.6%.

GNSS/IMU/LiDAR 融合定位研究

刘傲, 郭杭, 熊剑, 王梦莉

2024, 49(3): 73-79. doi: 10.12265/j.gnss.2024013

[摘要](515) [HTML全文] (130) [PDF 2402KB](44)

摘要:
为提升低成本卫星接收机和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)条件下传统组合导航定位的抗干扰性和定位精度，本文通过融合GNSS、IMU、激光雷达(laser radar，LiDAR)来提高定位的鲁棒性及定位精度. 在高楼遮挡等复杂环境下由于卫星信号丢失导致卫星定位结果降低，可通过GNSS与IMU的组合来提升导航定位的鲁棒性及其精度. 如果卫星信号缺失时间过长，那么低成本条件下的GNSS/IMU组合定位精度仍不理想，本文提出利用LiDAR里程计输出的位置信息与传统组合导航通过扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter，EKF)进行融合定位. 实验得出：在无遮挡的环境下融合定位标准差(standard deviation，STD)精度较之卫星定位提升53.7%，均方根误差(root mean square error，RMSE)精度提升56%，较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升37.9%，RMSE精度提升38.6%. 在有遮挡的环境下融合定位STD精度较之卫星定位提升59.4%，RMSE精度提升71.3%，较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升26.3%，RMSE精度提升33.7%.

GNSS广播ERP参数评估

张奋, 阮仁桂, 贾小林, 朱永兴, 王龙

2024, 49(3): 80-86. doi: 10.12265/j.gnss.2023191

[摘要](135) [HTML全文] (42) [PDF 2651KB](16)

摘要:
中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、美国GPS、日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)等系统在导航电文中播发了地球自转参数(earth rotation parameter，ERP)，即极移和世界时(Universal Time，UT)－协调世界时(Universal Time Coordinated，UTC) (∆UT1). 广播ERP主要用于需要在地球参考系和惯性参考系之间转换的GNSS星载应用，如卫星精密定轨、地月导航等. 通过国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)收集了BDS、GPS、QZSS、IRNSS的广播ERP数据，评估了各GNSS的广播ERP不连续性，得到GPS和IRNSS的极移不连续性为0.9~1.4 mas，∆UT1不连续性约为0.2 ms；QZSS的极移不连续性约为0.1 mas，∆UT1不连续性约为0.02 ms；BDS的极移不连续性约为4.5 mas，∆UT1不连续性约为1.3 ms. 通过与国际地球自转和参考系服务(International Earth Rotation Service，IERS) 14C04序列比较显示，QZSS极移误差约为0.6 mas，∆UT1误差约为0.27 ms；GPS和IRNSS的极移误差约为2.4 mas，对于∆UT1，GPS误差约为0.36 ms，IRNSS的∆UT1误差相差较大，约为10.47 ms；由于更新间隔较长，BDS极移误差约为6 mas，∆UT1误差约为1.2 ms；与GPS相比，BDS极移与∆UT1误差分别差了近1.5倍和2.5倍.

基于稀疏和稠密图像匹配与对极约束的树高提取改进算法

蔡翔远, 陈晓桐, 李荣昊, 魏江南, 李帅, 赵红颖

2024, 49(3): 87-93. doi: 10.12265/j.gnss.2023221

[摘要](131) [HTML全文] (47) [PDF 3082KB](19)

摘要:
树高是监测森林状况的重要参数，摄影测量法具有低成本、灵活的特性，是树高采集的重要方法之一. 作为一种被动遥感方式，传统的摄影测量方法往往需要数量较多，重叠率较高的图像数据，这与传统图像特征的稀疏性有关. 为了提高图像数量受限条件下的树高提取精度，提出将稀疏特征匹配和稠密像素匹配相结合，并使用对极约束过滤外点的方法，得到稠密且精度较高的匹配结果，并通过三维重建算法得到森林场景点云. 该方法在少量图像的情况下就可以较为完整地重建森林场景并提取树高，将提取的树高与机载激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)点云的结果进行对比，相关系数为0.91，最大误差为1.64 m. 该算法只需要少量的重叠图像，这表明了该算法在处理高分辨率卫星图像方面具有一定潜力.

联合目标检测与深度信息的动态特征点去除方法

叶睿馨, 张令文, 陈佳, 乔尚兵, 朱颖

2024, 49(3): 94-100. doi: 10.12265/j.gnss.2024015

[摘要](151) [HTML全文] (82) [PDF 3558KB](13)

摘要:
针对在动态环境中，视觉定位系统的定位精度和鲁棒性容易受到动态特征点影响的问题，提出了一种联合目标检测与深度信息的动态特征点去除方法. 引入YOLOv7目标检测网络快速获得当前图像帧的目标类别及位置信息，加入坐标注意力(coordinate attention，CA)机制优化深度学习模型，提升网络目标检测精度. 此外，提出了一种利用深度信息和对极几何约束的动态特征点优化策略. 有效剔除了动态特征点，同时保留了尽量多的静态点，从而降低了动态点对系统定位精度和鲁棒性的影响. 在公开的数据集TUM上进行实验验证. 结果表明：与ORB-SLAM2 (oriented fast and rotated brief-SLAM)相比，所提方案在定位精度和鲁棒性上有明显优势. 同时与动态同步定位和地图构建(dyna simultaneous localization and mapping，DynaSLAM)相比，定位精度基本持平，但在运行速度上实现了显著提升.

技术报告与应用

基于卫星导航与时空实体实现船舶轨迹分析系统

卢伟

2024, 49(3): 101-106. doi: 10.12265/j.gnss.2024009

[摘要](157) [HTML全文] (63) [PDF 2413KB](15)

摘要:
基于卫星导航、时空实体、网络地理信息系统(web geographic information system，WebGIS)、空间数据库等技术，对船舶的基础属性、实时位置、历史轨迹、关联关系、运行状态等关键信息进行抽取和实体重组，构建了船舶实体资源，建立了船舶轨迹可视分析系统，提供了多源地图服务、轨迹数据管理、轨迹可视查询展示、轨迹时空分析展示、分析模型参数配置等功能，实现了多来源、多时态、多元化船舶轨迹数据的统一管理和多维分析，能够以时空实体、图表、地图等形式直观展示船舶要素特征和分析结果，使船舶信息价值密度更高，可查询、可分析性更强，从而有效提高了船舶轨迹分析效率和准确性，可为船舶轨迹分析业务及相关应用提供更先进更高效的服务支撑.

基于多系统的GNSS三维水汽层析质量评价方法

高枫林, 丁楠, 张克非, 张书毕, 张文渊, 闫香蓉

2024, 49(3): 107-114. doi: 10.12265/j.gnss.2024004

[摘要](157) [HTML全文] (64) [PDF 2761KB](15)

摘要:
本文基于提出的水汽层析廓线评价指标(tomographic profic fit score，TPFS)，首次对GPS、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、GLONASS和Galileo 4个系统的水汽层析结果进行了精度评估. 结果表明：各GNSS水汽层析解算结果差异较小，最大均方根误差(root-mean-square error，RMSE)差距在11%之内，其中BDS水汽层析表现最好，GLONASS水汽层析表现最差. 相较于GPS、GLONASS、Galileo，BDS在低层区域(2406 m以下)具有更好的层析解算优势. 尤其在底层，BDS与GPS、GLONASS、Galileo的RMSE相比分别改进了3.2%、16.2%、5.2%. 此外，在层析水汽廓线TPFS对比中，BDS平均TPFS最小；在暴雨天气下BDS水汽廓线TPFS最低，相较于GPS、GLONASS、Galileo改进了25.2%、31.5%、32.8%.

多频多GNSS数据预处理软件设计与实现

胡伟建, 卢立果, 吴汤婷, 梁乔

2024, 49(3): 115-122. doi: 10.12265/j.gnss.2024011

[摘要](295) [HTML全文] (93) [PDF 3873KB](40)

摘要:
GNSS数据预处理是实现高精度导航、定位和姿态应用的重要环节. 针对当前GNSS预处理工具和模块难以处理多频多系统观测数据的问题，研发了一款GNSS数据预处理软件(GNSS data preprocessing software，GDPS)，包括数据下载、格式转换、数据编辑、质量检核和辅助工具等模块，并通过PYQT5工具实现了软件图形用户界面的开发. 实验测试结果表明：该软件界面清晰，界面交互性较强，模块运算稳定，软件功能完善，可满足不同用户对多频多GNSS观测数据预处理的需求.