全球定位系统

摘要:
为推动GNSS在高生命安全领域的应用，出现了以星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)为代表的增强手段，全面提升了GNSS服务的精度、完好性、连续性和可用性. 美国、日本等国家及欧洲均已启动了SBAS性能提升工作，从单频增强系统向双频增强系统进行过渡，以期进一步提升星基增强服务能力. 本文对国际SBAS的组成、服务性能、进展情况和后续发展规划进行了总结, 并重点介绍了我国北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS)的系统架构、服务能力、应用验证评估工作和国际化推进情况. 随着国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)最新版国际民用航空公约附件10的生效，BDSBAS已成为国际认可的星基增强服务系统. 后续，为了推动BDSBAS在高生命安全领域的应用，需要尽快完成民航应用验证评估工作，使得BDSBAS跻身正式服务行列.

基于SHAKING方法的北斗星基增强系统电离层模型可用性分析

刘昂, 李子申, 王宁波, 张周宇, 汪亮, 邵搏

2024, 49(5): 10-18, 119. doi: 10.12265/j.gnss.2024076

[摘要](40) [HTML全文] (34) [PDF 3489KB](2)

摘要:
北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS)通过境内的监测站为中国及周边地区用户提供电离层改正及电离层完好性监测服务，因此其对电离层算法的可用性要求较高. 本文采用附加Kriging估计的调整球谐函数建模方法(adjusted spherical harmonics adding Kriging，SHAKING)解算BDSBAS电离层参数信息. 通过对现有星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)电离层的性能分析可以发现，部分SBAS播发了标记为未监测点的延迟修正信息. 通过对中国区域SBAS格网点需求分析可以发现：在卫星截止高度角为15°时，SHAKING方法提供的电离层可用点为189个、不可用点为3个，满足服务需求；结合BDSBAS提供的钟轨改正信息，SHAKING方法较反距离加权插值(inverse distance weighted，IDW)方法的垂直制导进近可用性范围提高约30%.

星基增强系统码噪声和多路径误差处理方法研究

张键, 邵搏, 丁群, 李平力, 吴显兵

2024, 49(5): 19-23. doi: 10.12265/j.gnss.2024103

[摘要](29) [HTML全文] (12) [PDF 2037KB](1)

摘要:
星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)利用伪距测量校正值实现对导航卫星的差分完好性增强，码噪声和多路径误差处理精度是影响系统服务性能和用户定位精度的重要因素. 本文详细介绍了三种不同的原始伪距码噪声和多路径误差处理方法，包括单频平滑方法、码噪声和多路径改正方法(code noise and multipath correction，CNMC)以及广域增强系统(Wide Area Augmentation System，WAAS)使用的码噪声多路径方法(code noise multipath，CNMP)，并通过正式运行的SBAS数据，验证了不同的码噪声和多路径误差方法对于用户定位精度的影响. 结果表明：CNMP能够有效消除SBAS服务性能评估中的原始伪距码噪声和多路径误差影响，相较于CNMC方法，全球参考系统(wide-area reference station，WRS)站点95%水平定位精度提升0.2 m，95%垂直定位精度提升0.47 m.

基于国产GBAS的咸阳机场CAT II/III精密进近引导飞行试验

郝硕, 蔚保国, 葛茂, 王甲辰, 王垚, 赵精博

2024, 49(5): 24-33. doi: 10.12265/j.gnss.2024091

[摘要](38) [HTML全文] (15) [PDF 6300KB](1)

摘要:
卫星导航地基增强系统(Ground Based Augmentation System，GBAS)，可以提高卫星导航的精度、完好性、连续性和可用性，使飞机在复杂天气和恶劣环境下依然能够实现安全、高效的进近和着陆，满足民航精密进近和着陆引导等高精度导航需求.目前GBAS一类精密进近(CAT I)服务水平已经完成验证和应用，但是其定位精度等服务水平仍不能完全满足民航需求. GBAS二类/三类精密进近(CAT II/III)具有更好的服务水平，其技术和应用仍在开发验证中. 为了提高民航运行效率和安全，急需开展基于CAT II/III与CAT III的飞行校验活动. 当前GBAS主要采用基于单频GPS的工作模式，在系统可用性、安全性和自主性方面非常受限，因此需要开发自主可控的兼容北斗的GBAS系统. 本文设计了飞行校验方案，使用自主研制的国产GBAS设备，设计了飞行校验方案，在西安咸阳机场完成了CAT II/III盲降精密进近着陆引导的GBAS飞行校验. 试验结果表明：兼容北斗的国产GBAS具备支持CAT II/III精密进近的能力，并且其性能远超传统仪表着陆系统(instrument landing system，ILS). 这一成果的取得为我国航空运输的安全性提供了有力保障.

基于深度学习的载体滚转角估计方法研究

冯璐, 吴鹏, 郑昱, 张竹娴

2024, 49(5): 34-43. doi: 10.12265/j.gnss.2024078

[摘要](27) [HTML全文] (18) [PDF 3330KB](1)

摘要:
姿态测量技术是载体运动状态和安全监测的基础. 载体自旋运动使得飞行器各姿态角之间互相耦合，对载体的飞行控制带来严重影响. 针对载体滚转下GNSS信号入射方向周期性变化特征，本文提出一种长短期记忆(long short term memory，LSTM)神经网络的深度学习方法，以确定载体的实时滚转角. 通过对载体滚转状态下单天线接收卫星信号能量特征的分析，得到载体实时滚转角与接收信号能量幅值关联变化模型，并分析了卫星在轨运行时其空间位置改变对该模型的影响；然后采用LSTM神经网络方法对实测信号中的周期性变化特征进行训练，得到网络各项参数；最后将训练参数用于对实时接收的信号能量进行预测及降噪，并将预测结果通过模型匹配进行载体实时滚转角测算. 为验证文中所提出方法的性能，开展了对天滚转实验. 实验结果表明：LSTM深度学习方法可还原复杂的信号能量特征，并实现实时载体滚转角测算.

北斗星基增强双频服务性能评估方法及飞行试验分析

王尔申, 陈怡彤, 于腾丽, 张键, 杨健, 徐嵩, 王永康

2024, 49(5): 44-53. doi: 10.12265/j.gnss.2024087

[摘要](36) [HTML全文] (23) [PDF 15318KB](1)

摘要:
北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS)通过B2a信号播发双频增强电文实现同时增强多个卫星星座，为用户提供更为精确、可靠的定位和导航服务. 针对民航对BDSBAS在进近阶段定位性能的需求，本文研究了BDSBAS双频定位算法，并基于静态站数据和飞行实测数据从精度、完好性两个方面对BDSBAS双频服务性能进行评估. 静态试验数据选取2024年1月17日北京、西安、嘉峪关BDSBAS站的全天数据，飞行实测数据采集于辽宁省沈阳市法库财湖通用航空机场进行的航空试验. 静态评估结果表明：评估期间北京、西安和嘉峪关BDSBAS站的定位误差相对稳定，95%水平定位精度优于2 m，95%垂直定位精度优于3 m. 水平方向上可用性优于99.998%，垂直方向上可用性优于99.984%. 飞行试验结果表明：测试期间水平精度和垂直精度分别为1.8269 m和2.6014 m，且未发生完好性事件. 静态和动态评估结果均满足国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization，ICAO) APV-I指标对精度和完好性的相关要求. 文中研究结果对BDSBAS性能评估具有一定的参考意义.

SBAS电文认证技术综述

宋姜瑶, 陈潇, 刘婷, 吴忠望

2024, 49(5): 54-64. doi: 10.12265/j.gnss.2024123

[摘要](23) [HTML全文] (11) [PDF 2308KB](2)

摘要:
卫星导航欺骗信号是卫星导航系统服务的重要威胁之一，严重影响导航、定位、授时(positioning, navigating, timing，PNT)服务，如何提升导航系统服务的安全性，已成为卫星导航服务亟待解决的问题. 卫星导航信号认证是卫星导航系统端提升民用信号防欺骗的新兴技术手段，也是目前各大卫星导航系统的重要发展方向和研究热点. 星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)作为卫星导航系统的核心增强系统，目前正在国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)框架下推进SBAS电文认证标准，以期在未来提供SBAS电文认证服务. 伴随着我国北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System，BDSBAS)建设完成以及下一代北斗导航系统的设计与研制，BDSBAS需要考虑在ICAO下提供SBAS电文认证服务，为用户提供更加安全可信的PNT服务. 本文首先阐述了SBAS电文认证概念，然后梳理了SBAS电文认证发展历程，进一步分析了SBAS电文认证技术面临的热点问题，以期为BDSBAS电文认证服务设计提供技术支撑.

技术报告与应用

基于北斗三号和风云四号A星的大通“817”极端降雨特征分析

赵利江, 赵健赟

2024, 49(5): 65-72. doi: 10.12265/j.gnss.2024067

[摘要](45) [HTML全文] (13) [PDF 5351KB](2)

摘要:
充足的水汽和云相态变化是降雨发生的两个必要条件. 北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)可以反演水汽，具有时间分辨率高、精度高的优点；风云四号A星(FY-4A)可提供分辨率为15 min的云相态参数. 本文使用BDS-3和FY-4A数据分析了2022-08-17大通降水发生前后的大气可降水和云相态的时空变化规律，通过对比得到了大通“817”极端降雨三个特征：一是降雨前1 h大气可降水量(perceptible water vapor，PWV)快速上升，速率达到3.17 mm/h，显著超过同期一般降雨水平；二是降雨前云类型存在多层云与不透明冰云的多次变换，最后以不透明冰云形式发生极端降雨；三是极端降雨云顶高度通常大于10 000 m.

低轨卫星下行仿真数据精密定轨研究

王麒宁, 王乐, 赖文, 折浩男

2024, 49(5): 73-80. doi: 10.12265/j.gnss.2024148

[摘要](41) [HTML全文] (13) [PDF 2984KB](1)

摘要:
低轨卫星导航定位是新一代卫星导航技术发展的重要方向，使用低轨卫星提供高精度定位、导航与授时(positioning, navigation and timing，PNT)服务，需要能够利用下行数据对其进行精密定轨. 目前低轨卫星定轨相关研究多以星载GNSS数据和星间链路数据为研究对象，缺少针对低地球轨道(low earth orbit，LEO)下行数据定轨能力的分析. 为分析低轨卫星下行数据定轨性能，模拟仿真了轨道高度1000 km、轨道倾角48°的Walker 90/10/1 低轨卫星导航星座、150个地面测站及相应轨道、钟差和观测数据. 分别使用测站数为60、90、120和150的全球测站网络观测数据进行LEO卫星精密定轨，并对定轨精度和可视测站卫星位置精度衰减因子(satellite position dilution of precision，SPDOP)值进行分析. 结果表明: 测站数从60增加至150可使LEO卫星轨道1d 均方根(root mean square，RMS)从117.5 mm提升至39.8 mm；当测站稀疏时，LEO卫星定轨精度降低迅速；增加测站可以有效改善陆地范围可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度，但由于测站跟踪范围有限，海洋区域可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度难以获得改善，需引入新的观测数据源. 研究结果可为低轨导航卫星系统建设提供支持.

2024年5月8日至16日太阳风暴对电离层影响及效应分析

王帅, 全林, 李泠, 王鲲鹏, 黄剑, 苑刚

2024, 49(5): 81-87. doi: 10.12265/j.gnss.2024107

[摘要](121) [HTML全文] (43) [PDF 5551KB](9)

摘要:
太阳风暴会造成地球电离层剧烈扰动，影响导航定位性能. 本文针对2024-05-08—16太阳风暴期间发生的电离层扰动事件，分析了东、西半球不同纬度台站的电离层总电子含量(total electron content，TEC)、电离层TEC变化率、电离层F₂层临界频率、卫星导航单点定位误差等. 分析认为：电离层向日面会对X射线耀斑发生响应，但是扰动主要来源是太阳风南向磁场能量注入引起的地磁暴；太阳风暴期间电离层顶部和底部的响应并不是同步的；卫星导航单点定位误差在太阳风暴期间会有明显增大，尤其在垂直方向会增大至±10 m, 且在电离层暴恢复相期间会持续存在，并随电离层状态趋于平静呈逐渐减弱趋势.

基于随机森林算法的中国及周边区域电离层f_oF₂预测模型

林子扬, 陈龙江, 靳睿敏, 欧明, 杨会贇, 姬广旺, 崔翔, 谷明月

2024, 49(5): 88-96. doi: 10.12265/j.gnss.2024140

[摘要](33) [HTML全文] (13) [PDF 3402KB](3)

摘要:
电离层F₂层的临界频率(f_oF₂)的平方与峰值电子密度(N_mF₂)成正比，是影响GNSS性能的关键参数之一，提升电离层f_oF₂的预测精度对于优化GNSS广播电离层模型性能并提升GNSS的定位精度具有重要意义. 本文基于中国及周边区域的18个测高仪台站和COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere, and climate)掩星观测数据，综合考虑世界时、年积日、地理位置、太阳和地磁活动等多维特征，利用随机森林(random forest，RF)算法构建了电离层f_oF₂预测模型. 通过与国际参考电离层(international reference ionosphere，IRI)-2020模型对比分析，验证了该模型的预测精度. 研究结果表明，与IRI 国际无线电咨询委员会(International Radio Consultative Committee，CCIR)和IRI 国际无线电科学联盟(International Union of Radio Science，URSI)模型相比，RF模型的平均绝对误差(mean absolute error，MAE)分别降低了14.81%和17.11%，均方根误差(root mean squared error，RMSE)分别降低了11.21%和13.14%. 此外，该模型在不同纬度、地方时、太阳活动和地磁活动条件下，均展现出优于IRI-2020的预测精度. 本研究不仅有效提升了中国及周边区域电离层f_oF₂的预测精度，还为提高GNSS的准确性和可靠性奠定了重要基础.

基于北斗的路港航智慧运维监测平台方案设计研究

闫颖, 周钰凯, 王剑

2024, 49(5): 97-102. doi: 10.12265/j.gnss.2024050

[摘要](22) [HTML全文] (16) [PDF 2092KB](1)

摘要:
随着路港航运输产业的不断发展和运营规模的扩大，高效的运维监测对确保整个物流链的安全性和运作效率至关重要. 本研究提出了基于北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的路港航智慧运维监测平台的设计方案，以提升路港航运维的效率和安全性. 利用BDS的定位和通信能力，通过集成先进的传感器和物联网技术，实现对船舶、车辆和设备的实时监测和管理，并提供相关的数据分析和决策支持功能，有效地提升了运输过程中的可视化和追踪能力，保障了恶劣环境下稳定的信息交换. 同时利用集成大数据技术对大量运维数据进行实时分析和处理，提高了风险预防和管理的主动性和准确性，有效解决了路港航运输产业在运维监测方面面临的核心难题，为运输行业向更高效、更安全、更智能化的方向发展作出贡献. 本文从智慧运维监测系统建设原则、平台建设方案、数据服务平台、地理信息平台四个部分进行了具体的研究探讨，实现了基于北斗的全方位、多维度的智能化运维解决方案，提升了整个路港航运维的效率与安全性.

基于条件平差的网络RTK电离层改正数偏差修正

石鑫, 张熙, 成兵, 柯元英, 雷传金

2024, 49(5): 103-109. doi: 10.12265/j.gnss.2024069

[摘要](21) [HTML全文] (7) [PDF 2560KB](2)

摘要:
本文针对午后太阳辐射较大时段网络实时动态定位(real-time kinematic，RTK)电离层延迟建模精度不高的问题，提出了一种基于条件平差的电离层改正数偏差修正方法. 利用闭合三角形单元中三条基线双差电离层延迟理论闭合差为0这一条件，对建模得到的电离层改正数进行平差处理，修正其偏差，并对修正过程中的权阵确定方案进行了相关讨论. 实验表明：当电离层改正数模型值精度不高时，修正算法可以有效提高电离层改正数的精度，同时基于已知基线的模糊度固定情况来确定权阵能达到较好的修正效果，电离层改正数偏差最大值减小58.0%，精度总体提高51.1%.

基于LightGBM算法的大气可降水量预测方法研究

卢厚贤, 李锴, 李黎, 何琦敏, 余航, 董州楠

2024, 49(5): 110-119. doi: 10.12265/j.gnss.2024079

[摘要](27) [HTML全文] (10) [PDF 4128KB](1)

摘要:
大气可降水量(precipitable water vapor，PWV)为单位横截面积垂直气柱内地面至对流层顶部的液态水汽含量，可反映大气中的水汽浓度. 本文首先利用2014—2019年长三角地区7个探空站资料，分析了PWV与对流层天顶总延迟(zenith tropospheric delay，ZTD)、天顶静力学延迟(zenith hydrostatic delay，ZHD)、对流层湿延迟(zenith wet delay，ZWD)、水汽压(E_s)、大气压(P_s)、地面温度(T_s)、加权平均温度(T_m)之间的相关性，再基于梯度提升机(light gradient boosting machine，LightGBM)构建了一套适用于长三角地区的PWV预测模型，并分析了LightGBM-PWV模型的预测精度. 结果表明，PWV与T_m、T_s、P_s、E_s、ZHD、ZWD和ZTD之间的相关系数(R)分别为0.74、0.76、–0.59、0.76、–0.43、1.00和0.94；全年、分季度和分月LightGBM-PWV模型的平均偏差分别为0.10 mm、0.11 mm和0.12 mm，均方根误差(root mean square error，RMSE)分别为0.25 mm、0.26 mm和0.31 mm，模型精度依次递减，异于传统线性拟合PWV模型；全年LightGBM-PWV预测模型精度最高，可用于长三角地区的GNSS-PWV预测、分析和研究.

基于BP神经网络的对流层折射率预测方法研究

钱志刚, 杨东升, 郭晓彤, 李雪

2024, 49(5): 120-125, 132. doi: 10.12265/j.gnss.2024043

[摘要](23) [HTML全文] (10) [PDF 2803KB](1)

摘要:
对于卫星导航系统，定位误差受对流层大气折射率影响，提高对流层大气折射率预测的精确性能够降低导航定位误差. 对流层大气折射率是研究对流层对电磁波传播影响的主要参数，其预测的精确性对于无线电系统有重要意义. 本文提出一种基于反向传播(back propagation，BP)的对流层折射率预测方法，将年、月、日、时刻、地表折射率、海拔高度作为网络模型的输入，输入海拔高度处的折射率作为模型的输出；类似地，通过调整输入和输出参数，还可以利用BP神经网络预测近地面1 km折射率梯度. 在此基础上，利用香港地区和太原地区历史探空气象数据对新提出算法进行了计算分析，并与现有文献中的方法作了比较，结果表明：本文提出的方法在计算的精确性方面有一定的优势.

结合EKF与LSTM神经网络的授时/守时算法

徐涛, 郭宸宇, 赵程

2024, 49(5): 126-132. doi: 10.12265/j.gnss.2024083

[摘要](28) [HTML全文] (11) [PDF 2870KB](3)

摘要:
本文研究了一种在卫星授时下，提高授时信号的授时精度和守时能力方法，即利用晶振计数器，记录下每个秒脉冲时刻的晶振频率信息；将记录历史信息输入到扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter，EKF)中进行滤波，消除卫星秒脉冲信号的随机误差，提取北斗卫星前$N$秒秒脉冲的累计时间${t_{CN}}$、$k$时刻的晶振频率$fre(k)$、$k$时刻晶振变化速率$v(k)$；并将经过EKF输出的历史数据作为训练集，输入到长短期记忆 (long short-term memory，LSTM)神经网络中建立预测模型；通过控制变量法进行算法参数调试，找到最适合的预测模型. 试验结果表明：授时算法输出的授时信号精度最大误差为34 ns；授时算法8 h累计误差为1.001 μs，平均误差小于0.125 μs/h. 有效地提高了系统授时和守时精度.