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全球定位系统

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综述
水下导航定位技术综述
夏茂栋, 张涛, 张佳宇, 朱永云, 童金武
, doi: 10.12265/j.gnss.2022094
摘要:
自主式水下航行器(AUV)作为海洋资源的开发与利用的主要载体,执行任务时需要准确的定位信息. 现有AUV主要采用捷联惯性导航系统(SINS)为主,声学导航和地球物理场匹配导航技术为辅的导航方式. 本文简述水下导航方式基本原理、优缺点和适用场景;探讨各类导航方式包含的关键技术,提高组合导航精度和稳定性. 通过分析现阶段存在问题,展望水下导航的未来发展趋势.
面向北斗三号的湖北省北斗地基增强系统建设
林晓静, 向浩, 梁斌
, doi: 10.12265/j.gnss.2022027
摘要:
随着北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的全面建成,湖北省北斗地基增强系统需要进行整网软硬件升级与改造,以实现对BDS-3卫星的兼容. 本文详细介绍了此次升级的内容:包括72台True CORS R1接收机的板卡硬件升级与固件包升级,增加对BDS-3的支持;TrueNET平台的软件升级;升级之后进行了接收机回归测试及系统精度测试:开展了新增频点的数据质量分析及双差质量分析,以及对RINEX原始文件进行了卫星数、高度角等分析;接收机软件研发完成后进行了整机性能测试,各项指标均满足要求;系统精度测试结果标明:网络实时动态(RTK)定位精度水平优于3 cm,垂直优于5 cm;差分全球导航卫星系统(DGNSS)定位精度水平优于1 m,垂直优于2 m.
GPS/BDS-3系统时差稳定性分析
刘明玥, 涂锐, 洪菊, 苗亚格, 李芳馨
, doi: 10.12265/j.gnss.2022055
摘要:
不同卫星导航系统之间时差的稳定性分析对时差的建模预报及应用具有重要价值, 所以基于国际GNSS服务(IGS)中心提供的数据和产品从不同测站、不同观测量、不同时间长度三个方面对GPS和北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的系统时差进行稳定性分析. 结果表明:不同测站因接收机、天线、时钟三种设备型号不同,提取的时差值存在差异,但稳定性相当;基于载波相位观测量解算的时差结果稳定性优于伪距观测量解算的时差结果,伪距得到的时差结果万秒频率稳定度在10−12~10−13量级,相位得到的时差结果万秒频率稳定度在10−14量级;通过单天与多天数据的时差解算结果比较,得到不同时长的时差稳定性一致.
勒让德多项式拟合IGS精密星历的算法改进
申少飞, 雷伟伟, 李振南
, doi: 10.12265/j.gnss.2022049
摘要:
国际GNSS服务(IGS)精密星历每隔15 min提供一次卫星坐标,为了提高定位精度,往往需要获取任意时刻的卫星位置. 对IGS精密星历进行插值和拟合是获得连续历元卫星坐标常用的方法. 运用改进的勒让德多项式算法拟合卫星轨道坐标,并与常规算法进行比较,结果表明:常规算法仅在拟合阶数较低时能保持较高的精度. 在拟合时段为6 h时,LU分解 (LU Decomposition) 法与奇异值分解(SVD)法对奇异矩阵求解时均能保持较高的精度,而在拟合时段为12 h时,SVD分解法是对条件数较低的矩阵 B 进行分解求得多项式系数矩阵${\boldsymbol{C}}$,从而避免了病态矩阵产生的误差,因此仍能保持较高的精度. 在高阶拟合时,SVD分解法无论是在精度还是稳定性方面均优于LU分解法和常规算法,优势明显.
循环卷积投影与最大期望算法的遥感影像变化检测
张泽龙, 李佳田, 杨汝春, 杨超, 陆大进
, doi: 10.12265/j.gnss.2022010
摘要:
不同时态的遥感影像变化检测已成为遥感快速灾害评估中具有挑战性的研究课题. 针对如何确定不同时态遥感影像中像素差异影像合适的变化阈值问题,提出一种基于循环卷积投影与最大期望算法(EM)的遥感影像变化检测方法. 首先,基于循环卷积将两个时态的影像互相投影到各自的成像模态,使得投影后的影像与目标影像具有相同统计量,逐像素相减可得两个影像之间的像素差异影像;其次,基于贝叶斯最小错误率理论和像素差异影像直方图的分布特点,假设像素差异影像服从广义高斯分布;最后,采用EM迭代求取广义高斯分布的各项参数,当变化类像素与未变化类像素的条件概率相等即可得到最佳变化阈值,完成自适应的变化检测过程. 采用不同成像方式、分辨率和不同变化类型下采集的多对遥感影像进行实验. 结果表明:本文方法在实验数据集上的检测精度较对比方法平均提升2.55%,FM综合评价指标较对比方法平均提升0.086,可以更有效地检测出遥感影像的变化区域,具有较强的鲁棒性.
一种基于少通道准校正的空间谱测向方法
马宝田, 郭述利, 刘少林
, doi: 10.12265/j.gnss.2022091
摘要:
针对通道的初始相位估计难度大导致空间谱测向精度低、误差大的问题,提出了一种以经典多重信号分类(MUSIC)算法为基础的“少通道准校正空间谱测向方案”. 该方案是在每个通道内加入校准源,从而获得任意两个通道的初始相位差,减小了通道间的初始相位差对协方差矩阵计算的影响,实现空间谱测向的目的. 将所提的方案应用于五阵元三通道测向天线并在试验场地进行测试,实验结果表明:该方法能够解决复杂场景下单信号、多信号的信号测向,测向结果与全通道的测向结果一致.
一种基于跳距修正的物联网中节点定位算法
唐一韬, 邓河
, doi: 10.12265/j.gnss.2022043
摘要:
针对传统的DV-Hop算法存在较大定位误差的问题,提出基于狮群优化算法的节点定位 (NLLSO) 算法. NLLSO算法从估计最小跳数、修正平均跳距误差和定位算法三方面进行改进,进而降低定位误差. NLLSO算法用不同通信半径传递beacon包,进而提高估计最小跳数值的精度. 同时,通过引入权值参数修正平均跳距的估计值. 最后,通过狮群优化算法(LSO)估计未知节点位置. 仿真结果表明:NLLSO算法的定位精度高于传统的DV-Hop算法.
北斗与高分融合的数字孪生地球
刘光明, 胡煜, 沙峰, 谢国钧, 成伟
, doi: 10.12265/j.gnss.2022033
摘要:
本文阐述了数字孪生地球的起源、概念、构建和发展,重点探讨了北斗、高分、数字孪生与数字地球的融合. 基于通信和计算机等共性信息基础设施,将数字孪生地球的构建分为6个步骤:全链可信时空、全息精准映射、实时泛在感知、多模数据融合、单体时空智慧和全域共智共治. 针对时空大数据从采集到应用都具有分布式特点,提出了利用“北斗+区块链”技术解决业务协作中的信任问题. 指出了高分实现虚实地球间的全息镜像,北斗作为高分产品传递时空基准,实现了虚实地球间的精准映射;另外,北斗和高分也是实现时空态势感知的主要技术. 针对海量时空大数据对数据操作和融合带来的挑战,指出了北斗网格位置码是更有效的数据组织模式. 介绍了利用时空大数据驱动人工智能(AI)和模拟仿真,可为规划、设计和决策提供最优方案. 分析了单体智慧的存在重复建设和资源浪费等问题,指出了数字孪生地球是跨界融合各种异构单体智慧,实现全域共智共治的时空底座.
面向智慧渔船的多功能北斗示位标
张铮, 刘昭辉, 曹守启
, doi: 10.12265/j.gnss.2022009
摘要:
为克服传统卫星紧急无线电示位标(EPIRB)定位精度差、功能单一的不足,满足渔船信息化、智能化的需求,设计了一种基于北斗定位和短报文通信技术的新型多功能示位标. 首先,进行了示位标的硬件设计;其次,进行了示位标在极端恶劣海况下的偏转角仿真实验和不同姿态下的短报文收发测试,提出了基于示位标姿态的短报文发送机制;最后,进行了实验验证. 结果表明:基于示位标姿态的短报文发送机制能够有效提高短报文投递率,设计的多功能北斗示位标在智慧渔船应用中具有良好的推广前景.
日本区域加权平均温度建模
罗相涛, 黄良珂
, doi: 10.12265/j.gnss.2022035
摘要:
由于日本区域易受自然灾害频发、水汽特征变化复杂、探空站点分布稀疏的问题,进而制约了高精度水汽的获取,因此缺少此区域的高精度加权平均温度(Tm)模型. 鉴于此,采用2009—2016年全球大地测量观测系统(GGOS) Atmosphere Tm和ERA-Interim 2 m Ts格网数据新建立一种考虑Tm残差季节性变化和周日变化的适合日本区域的Tm模型 (JQTm模型). 同时,利用2017年日本区域13个探空站和110个GGOS Atmosphere Tm格网数据,对新建立的JQTm模型在日本区域的精度进行评估. 研究发现:与GGOS Atmosphere Tm格网数据对比,JQTm模型的偏差(bias)和均方根误差(RMSE)分别为0.15 K和1.92 K,RMSE分别比GPT2w-1模型、GPT2w-5模型提升41.16% (1.33 K)、44.41% (1.53 K);与探空资料对比,JQTm模型的bias和RMSE分别为–0.66 K和2.14 K,RMSE分别比GPT2w-1模型、GPT2w-5模型提升28.43% (0.85 K)、29.61% (0.90 K). JQTm模型能够为日本区域提供高精度的Tm值,为研究此区域大气水汽和极端天气提供重要依据.
GEO卫星条件下的辅助式定位算法性能分析
吴鹏, 冯璐, 黄雅静, 仝海波
, doi: 10.12265/j.gnss.2022004
摘要:
在卫星导航定位过程中,当辅助式定位算法在信号质量不佳时,利用更多的观测卫星数据进行冗余计算,能够补齐缺失的信号时间并得到定位结果. 由我国自行研制的北斗卫星导航系统(BDS)采用了混合卫星星座,有一类地球同步轨道(GEO)卫星,具有24 h可见、轨道高覆盖面大、信号功率强等优势. 论文分析了在特殊情况下,只能接收到GEO卫星时的辅助式定位算法以及算法的性能差异. 结果表明:在没有高程等先验信息辅助的情况下,直接使用5颗GEO卫星也能获得一定的定位精度保障.
基于GNSS天线阵列的定姿方法研究
刘春科, 徐工, 石志敏, 张英琦, 王辰晨
, doi: 10.12265/j.gnss.2022025
摘要:
针对车载移动测量系统对运动载体姿态的确定,研究车载全球卫星导航系统(GNSS)天线阵列定姿方法,分析直接法和最小二乘法定姿的姿态解算公式,并进行GNSS天线阵列车载实验. 为得到两种定姿方法的精度,在不同软件定位模式解算的基础上,利用直接法和最小二乘法进行了姿态解算. 实验和分析结果表明:四天线阵列最小二乘法定姿精度优于三天线阵列直接法,可靠性更高;在所有组合中,基于Moving-base定位模式的四天线阵列最小二乘法定姿精度最高,其航向角、俯仰角和横滚角精度分别可达0.066 0°、0.168 4°和0.267 8°.
北斗三号系统开通前后广播星历精度对比分析
景鑫, 车通宇, 周舒涵, 李建文
, doi: 10.12265/j.gnss.2022051
摘要:
北斗三号卫星导航系统(BDS-3)开通已一年有余,通过研究2019-08—2021-08共2 a的北斗卫星导航系统(BDS)广播星历数据,采用事后精密星历对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和BDS-3卫星的轨道、钟差和空间信号测距误差(SISRE)进行分析. 结果表明:BDS-3系统开通后,卫星轨道精度比BDS-2提升明显,径向(R)误差均方根(RMS)值从0.87 m左右提升至优于0.23 m,精度提升约74%,3D误差RMS值从1.5 m以内提升到优于0.7 m,精度提升约53%;氢原子钟和铷原子钟精度相当,BDS-3钟差误差RMS值精度提升与BDS-2提升基本相同,精度提升约1 ns;SISRE精度比对中,BDS-2 SISRE的RMS值从0.9 m提升到0.7 m,BDS-2从0.8 m提升到0.5 m. 综合比较,BDS-2系统性能提升较大.
几种典型机器学习算法在短临降雨预报分析研究
池钦, 赵兴旺, 陈健
, doi: 10.12265/j.gnss.2022039
摘要:
针对降雨过程中大气可降水量(PWV)和气象参数(温度(T)、湿度(U)、露点温度(Td)、气压(P))特征变化情况,提出基于机器学习算法的短临降雨预报模型. 以北京(BJFS)站和武汉(WUH2)站2020年的3 h天顶对流层延迟(ZTD)和气象数据为例,构建随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、K近邻(KNN)、朴素贝叶斯分类器(NBC) 4种算法的预报模型,并引入各自时刻的降雨情况作为新的特征向量,分别采用70%和80%训练集的分割方式,降雨情况作为模型输出,并利用准确性、精确率和假负率评价模型的适用性. 在取得准确性约0.92,精确率约80%,假负率约20%的结果下,进一步以时间序列年积日为第150—200天的数据为样本,对200~250天的降雨情况进行预报. 实验结果表明:基于机器学习的短临降雨预报模型可以预报未来3 h 80%以上的降雨情况,且假负率在20%以下,其中SVM模型的综合性能更优. 与传统的阈值模型相比,准确率相当,假负率降低约50%.
北斗二号/三号融合载波相位时间传递精度分析
于合理, 李明磊, 马国元, 叶子玉
, doi: 10.12265/j.gnss.2022007
摘要:
本文给出了载波相位时间传递数学模型,并基于多模全球卫星导航系统(GNSS)试验跟踪网MGEX (Multi-GNSS Experiment)的实测数据,对北斗二号/北斗三号卫星导航系统(BDS-2/BDS-3)融合载波相位时间传递性能进行分析. 结果表明:BDS-3的加入能够增加测站的可视卫星数量,改善卫星分布空间构型. 相比仅使用BDS-2,BDS-2/BDS-3融合解算可将MRO1-CUSV和NNOR-CUSV的时间传递精度分别从0.11 ns、0.10 ns提高到0.07 ns、0.08 ns,A类不确定度分别从0.007 ns、0.006 ns提高到0.004 ns、0.005 ns.
高精度位置服务平台分布式架构研究与设计
李艳红, 成芳, 沈朋礼, 刘东亮, 李晓婉
, doi: 10.12265/j.gnss.2022008
摘要:
针对高精度位置服务平台现有业务特点以及异地多中心的发展布局,设计了一套适用于高精度位置服务平台异地多活运行模式的分布式架构方案,以解决主中心与分中心相对独立无法协同工作造成的资源浪费和业务冗余等问题,对高精度位置服务平台功能模块和平台架构分别进行了详细设计. 平台架构采用分而治之的设计思想对其进行分层设计,结合平台业务功能设计以及业务特点进行了相应的服务拆分与部署,解决了系统实现过程中分布式平台用户的服务获取、实时精密单点定位(RT-PPP)分布式处理和网络实时动态(RTK)分布式处理等关键问题,实现了与高精度位置服务平台相适应的高性能、高可用的分布式架构方案的设计,为平台的后续建设提供了有效的理论基础.
BDS在陆地智能巡检无人车中的应用
吴清云, 陈凌轩, 刘昕, 曹宇, 谢朋洋
, doi: 10.12265/j.gnss.2022023
摘要:
当前智能化产品转型升级,无人车已广泛应用于生产生活实践中并发挥巨大作用. 北斗卫星导航系统(BDS)作为国产化的先进定位导航系统,在国产化智能产品的转型升级过程中将发挥越来越重要的作用. 智能化的巡检小车需具备自动导航定位和环境感知功能,而定位导航模块与通信模块扮演着重要角色. 本文设计一种适用于陆地各地形场景的智能巡检无人车,采用BDS进行定位,基于多传感器信息融合感知外部环境,能够实现自动巡航和避障相关功能,应用了BDS模块独特的短报文系统构建上位机平台进行信息交互传输,达到了良好的人机交互效果. 通过试验证明了系统的可靠性,能够进行无人车的自动巡航且巡检路径基本与预期路径保持一致. 以BDS模块为核心的无人巡检小车搭载各种功能模块后,可打造出系列相关产品用于社会生产实践中,为后续的相关技术的拓展提供新思路.
东北陆态网坐标时序有色噪声及环境负载分析
黄裕, 隋哲民, 金泽林
, doi: 10.12265/j.gnss.2021112202
摘要:
利用Hector软件解算我国东北地区16个陆态网络连续站近10 a的时间序列观测数据,获取连续站坐标残差时间序列数据,进而确定最优噪声模型,最终得出基于有色噪声(CN)以及环境负载改正后的速度场. 结果表明:东北地区陆态网络坐标时间序列数据中主要存在白噪声(WN)、闪烁噪声(FN)与幂律噪声(PL);北(N)和天顶(U)方向的最优噪声模型为WN+FN;E方向的最优噪声模型均为WN+PL. 在顾及CN及环境负载的影响下,东北地区陆态网络基于ITRF14框架下在N方向上运动的平均速率为−13.003 mm/a,东(E)方向上运动的平均速率为27.020 mm/a,U方向上运动的平均速率为0.528 mm/a,整体呈隆升趋势.
基于广义延拓逼近法的QZSS卫星钟差内插精度分析
寇瑞雄, 杨树文
, doi: 10.13442/j.gnss.2022029
摘要:
卫星钟差数据插值是高精度定位数据处理中的重要环节,其插值结果直接影响定位精度,但常用的插值或拟合方法具有不同缺点. 本文尝试将广义延拓逼近法应用于准天顶卫星系统(QZSS)卫星钟差数据的处理中,介绍了Lagrange插值法、切比雪夫拟合法和广义延拓逼近法的原理,以及滑动式与非滑动式的区别;然后使用QZSS钟差数据探讨三种方法的参数(组)取值与插值结果精度的关系;最后比较三种方法在各自最优参数(组)取值情况下对QZSS卫星钟差的插值精度. 结果表明:选取合理的参数组合,广义延拓逼近法完全适用于QZSS卫星钟差的插值,且插值精度明显高于其他两种方法.
BDS-3精密单点定位时间传递综合性能分析
翟宏亮, 王胜利
, doi: 10.12265/j.gnss.2021101306
摘要:
我国北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的建设已基本完成,因而,充分利用当前BDS-3进行精密单点定位(PPP)的时间传递亟需深入研究. 本文从两方面来充分研究BDS-3 PPP时间传递:1)北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递;2)钟模型约束的BDS-3 PPP时间传递. 试验结果表明:相比BDS-2 PPP,BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP结果平滑残差的均方根(RMS)值可减少约为34.5%和38.23%,960 s的稳定度分别提高35.81%和37.75%;相比传统的白噪声(WN)模型,基于钟模型的BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递所得平滑残差RMS值分别减少65.17%和74.42%;频率稳定度最大可提高80%.