Aiming at the problem that with the increase of the demands for ubiquitous location services, the location performance of satellite navigation systems in urban canyons and other scenes is discontinuous with low position accuracy, which cannot meet the service requirements, the paper proposed an integrated positioning algorithm based on global navigation satellite system（GNSS）/fifth-generation（5G） observations: an integrated positioning algorithm model for GNSS/5G observations based on the least squares method was given; and the positioning performances of GNSS/5G integration and a single GNSS were comparatively analyzed; by attaching 5G time difference of arrival（TDOA） observations into the GNSS observations to solve the positioning, the analysis results of positioning performance were given then. Experimental result showed that compared with a single GNSS positioning, the positioning error optimization accuracy of the integrated positioning of GNSS observations and 5 G TDOA observations in the horizontal direction and three dimensional directions would be about 64.6% and 58.21%, respectively,which could effectively improve the positioning performance, providing a reference for the related study on the feasibility of scalable positioning requirements.
为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)多系统组合精密单点定位(PPP)精度和收敛速度,提出一种GPS/BDS-3/Galileo精密单点定位模糊度固定(AR)方法:利用武汉大学发布的多系统相位小数偏差产品(FCB),采用无电离层组合 PPP模型,实现全球定位系统(GPS)/北斗三号卫星导航系统(BDS-3)/伽利略卫星导航系统(Galileo)三系统组合精密单点定位模糊度解算(PPP-AR);并通过对PPP收敛速度以及定位精度等方面进行分析来评估组合后的定位结果.实验结果表明,在数据观测质量方面,地面观测站同时观测三系统卫星总数可以达到 31 颗;三系统各频点的多路径误差基本在 0.3 m以内,三系统各频点的信噪比基本在 37 dB•Hz以上;在采用FCB产品进行PPP-AR方面,定位收敛时间优于 11.25 min,东、北、天(E、N、U)3 个方向的定位精度分别优于 1.5、1.1、4.7 cm;相对于PPP浮点解的结果,三系统组合PPP-AR在定位收敛时间和定位结果方面分别提升 21%和 20%左右.
为了响应自然资源部和国家保密局对于基准站观测数据的数据保密要求,提出一种基准站数据脱敏方法:应用单基准站虚拟化数据脱敏算法在每个具有保密属性的基准站附近生产对应的虚拟站;然后使用"北斗精准服务网"的 1500 个基准站进行数据质量测试,得出其中有 98.2%其物理站与虚拟站的有效率相等,92.1%其物理站与虚拟站的周跳个数差值小于 2 个;使用虚拟站数据进行单站实时动态差分法(RTK)载波相位相对定位、网络 RTK 服务的定位测试,得出虚拟站数据对水平定位影响不显著,对高程定位的影响约有几毫米;使用 150 个基准站的物理站、虚拟站进行精密单点定位(PPP)测试,得出物理站和虚拟站定位均方根(RMS)差距为东方向 0.1 mm(94%)、北方向 0.1 mm(97%)、天顶方向 0.2 mm(95%).结果表明,提出的方法可以保证虚拟站与基准站观测数据具有一致的数据质量.
针对北斗卫星导航系统(BDS)中特有的地球静止轨道(GEO)卫星存在轨道精度低和空间结构变化缓慢的问题,分析GEO卫星对BDS中长基线精密定位的影响:基于BDS中长基线精密定位算法,采用连续运行参考站系统(CORS)观测数据,对倾斜地球同步轨道(IGSO)+中圆地球轨道(MEO)+GEO组合和IGSO+MEO组合分别进行基线解算,探讨GEO卫星对BDS中长基线精密定位的卫星几何构型、宽巷模糊度固定效果、窄巷模糊度首次固定时间及定位精度的影响.实验结果表明,部分GEO卫星宽巷模糊度的小数部分存在系统性偏差,其宽巷模糊度需要 5 h左右才能得到 90%的固定率;加入GEO卫星后,窄巷模糊度首次固定时间从 25 缩短到 16 min,缩短了 36%;BDS全星座组合的 2 h静态解算精度水平方向为 2.1 cm,高程方向为 3.5 cm;GEO卫星有利于提升BDS中长基线定位性能.
针对全球卫星导航系统(GNSS)中高级接收机自主完好性监测(ARAIM)技术采用不同的计算保护水平(PL)的方法,这些不同方法计算得到的PL之间的差异和对用户可用性的影响不明的问题,提出一种GNSS ARAIM保护水平算法的性能分析方法:介绍 4 种 PL计算方法,并分析它们之间的数理关系;然后基于多模 GNSS实验跟踪网(MGEX)跟踪站多天的全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)实测数据以及城市车载动态数据,比较分析 4 种方法计算得到的PL数值和计算时间上的差异;最后利用仿真模拟计算分析 4 种方法对全球用户可用性和覆盖率的影响.结果表明,基于分隔解(SS)检验量且完好性风险优化分配的 PL 方法在运行时间上与其他 3 种方法的差异最大不超过 0.2 s,该方法在实测数据实验中计算得到的PL最小,具有最优性能;在仿真实验中全球范围内 VPL值(99.9%)小于 35 m的覆盖率在 4 种方法中最高,可达 81.32%;此外,双系统下 4 种方法全球用户的覆盖率均为 100%,均可满足垂直引导至200 英尺高度定位器性能(LPV-200)阶段的可用性指标.
为了进一步提升北斗卫星导航系统(BDS)克洛步伽(Klobuchar)电离层模型(BKlob)在亚太以外区域的服务性能,提出利用遗传算法(GA)优化反向传播神经网络(BP)对 BKlob模型进行改进:对BKlob模型残差进行相关性分析和周期性检测;然后采用遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)算法对模型残差进行 7、30 和 150 d的预测,以实现对 BKlob 模型的改进;最后,分别以全球电离层格网图(GIM)产品为参考和单频单点定位精度提升,评估改正精度.实验结果表明:BKlob模型残差不同格网点处具有较强的相关性,且受地理纬度影响较大,受地理经度影响较小;改进的BKlob模型改正性能有明显提升,在高纬度地区和全球范围,改正率可提升 50.0%、30.0%以上;采用改进的BKlob模型进行伪距单点定位(SPP)解算,三维方向均方根误差(RMSE)可提升 14.84%,北(N)、天(U)方向定位精度明显提升.
为了进一步完善北斗卫星导航系统(BDS)的动力学模型,提高其定轨精度,提出一种动力学模型的补偿方法来实现对 BDS的精密定轨:在原有力学模型的基础上,每隔 12 h在 BDS卫星轨道的径向、切向和法向附加一组随机脉冲参数,使其与确定性参数一起进行参数估计;并分别给出随机脉冲参数对非地影期和地影期BDS轨道精度的影响;最后将定轨结果与武汉大学分析中心提供的事后定轨结果进行分析与比较.实验结果表明,加入随机脉冲参数后,非地影期的北斗卫星导航(区域)系统(BDS-2)地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星以及北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)MEO卫星的轨道精度可分别提升 5.1%、14.9%、14.8%、16.4%,对于进入地影期的BDS-2 MEO和BDS-3 MEO卫星,轨道精度可分别提升 18.9%、27.3%,说明随机脉冲参数的引入可以在一定程度上弥补力学模型缺陷,进而提高BDS卫星的轨道精度,尤其是BDS-3 卫星轨道精度提升更为显著,同时通过对外推轨道精度的分析进一步验证了提出方法的可行性以及定轨精度的准确性.
为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)反演大气可降水量(PWV)的精度,提出一种基于探空资料的华北平原地区大气加权平均温度(Tm)模型精化方法:利用中国华北平原地区 8 个无线电探空站 2015-2017 年的探空资料,通过快速傅立叶变换分析 Tm 的周期性变化以及与诸多因子的相关性;然后基于最小二乘线性回归分析方法分别建立 Tm与地表温度(Ts)的线性模型(Tm1 模型)以及顾及周期性的多因子Tm区域化回归模型(Tm2 模型);最后以 2018 年的探空数据为参考值,与Bevis公式对比进行精度验证.结果表明,相对于Bevis公式,Tm1 模型和Tm2 模型的均方根误差(RMS)分别为 3.61 和 3.47 K,精度分别提升 9.4%和 12.7%;说明提出的 Tm模型在中国华北平原地区具有更高的精度,可为该地区的GNSS水汽探测提供参考.
针对晃动基座下船用捷联惯导(SINS)初始对准所需时间长的问题,提出一种利用光电探测系统辅助的对准方法:通过光电探测系统跟踪观测已知位置的岸基靶标,并获取其距离和相对船体的方位;然后建立失准角与靶标位置推算误差的直接联系,将其作为量测方程加入卡尔曼滤波中,以保证初始对准过程中失准角的高可观测度.实验结果表明,大失准角条件下该方法可以实现快速修正失准角的效果;航向角可在 100 s左右达到收敛,误差约为 0.1°,而传统方法需要 900 s以上才能达到相近的对准精度.提出的方法能够实现晃动基座下的快速初始对准,对于任意大小的初始失准角都能快速收敛,具有较高的工程应用价值.
针对非线性目标跟踪中,单一传感器观测冗余不足及模型噪声时变的问题,提出一种附加运动方向约束的自适应平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)算法:在传统 SRUKF基础上,利用新息向量构建自适应因子调节动力学模型时变误差;并引入载体运动方向作为虚拟观测量,增加观测冗余,以提高滤波性能.实验结果表明,所提出的利用运动方向约束的自适应 SRUKF 算法可有效提高目标跟踪精度,削弱动力学模型误差影响,特别在不良跟踪条件时具有较强的稳健性.
为了进一步将北斗卫星导航系统(BDS)等科学技术与产业经济、社会民生、安全保障等贯通论述,提出BDS新时空服务体系赋能数字经济的思想:给出目前数字经济大潮中涉及的几个重要概念及其相互关系,以及体系化组合的战略思路;并从数字经济需要战略科技力量支撑,指出智能信息产业需要少而精的关键技术与体系化策划;再由数字化网络化智能化发展依托的五大要素优化配置,牵引出平台化运作概念;接下来由 BDS 新时空与虚拟元宇宙和数字孪生,提出融合化创新路线图;然后由抓关键与总体观,突出智库作用和体系化推进策略;最后从突破卫星导航脆弱性难题入手,总结实现可信时空服务的最佳化选择.
围绕联合卫星激光测距(SLR)数据的北斗卫星导航系统(BDS)精密定轨中光压模型选取和精化问题,分析了不同光压模型对轨道精度的影响,包括ECOM1、ECOM2 以及混合光压模型.采用 125 个全球GNSS测站和 23 个SLR测站 265 天观测数据进行联合定轨,从SLR检核、轨道边界不连续性以及轨道预报三方面对定轨精度进行分析,结果表明:联合定轨均能显著提高轨道的 SLR 检核精度,其中采用混合光压模型时精度最高.采用 ECOM1 和 ECOM2 时,联合 SLR观测值定轨降低了 BDS卫星计算轨道和预报轨道的精度,采用混合模型时 BDS卫星轨道预报精度略有提升.综合外符合和内符合精度,建议在联合SLR观测数据进行BDS卫星精密定轨时采用混合光压模型.
中国卫星导航与位置服务年会是中国卫星导航与位置领域的年度盛会,汇聚高端政要、院士专家、社会贤达、企业领袖、传媒精英,共商卫星导航与位置服务产业发展,引领中国卫星导航与位置技术进步,展示近年来我国卫星导航与位置服务领域的科技及推广应用成果.
为了进一步提高多频多全球导航卫星系统(GNSS)融合精密单点定位(PPP)的收敛速度和定位精度,提升系统间偏差(ISB)随机模型的准确性,提出一种顾及频间钟偏差模型改正的附加不同 ISB 随机模型约束的三频非组合PPP 系统间偏差分析方法:基于多 GNSS 实验观测网(MGEX)中的 9 个连续跟踪站静态解算结果,分析全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航(区域)系统即北斗二号(BDS-2)和北斗三号卫星导航系统(BDS-3)不同星座融合的ISB时序特征;并分析了ISB变化与接收机类型间的相关性.结果表明,对于不同卫星系统融合,3 种随机模型下的ISB时间序列变化趋势基本一致,由白噪声模型得到的 ISB 序列略有偏离,ISB 时间常数模型和随机游走过程模型吻合度最好;此外,ISB时间序列变化与接收机类型具有较强的相关性,具体表现为JAVAD TRE_3 和SEPT POLARX5 单天内稳定性较好,TRIMBLE ALLOY类型接收机单天内变化相对较大.
为了进一步提高精密单点定位的精度,对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)提供的实时精密单点定位增强(PPP-B2b)服务进行实时动态定位性能分析:介绍基于PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位模型和数据处理流程;然后在城市环境下进行基于 BDS-3 PPP-B2b 服务的实时动态精密单点定位性能的车载实验,对不同频点组合 B1C+B2a、B1I+B3I模式下的动态定位性能进行评估和分析.实验结果表明,实时动态 PPP的城市开阔环境试验中利用 B2b服务的电文改正信息后B1C+B2a、B1I+B3I频点组合模式下东向、北向和天向上定位精度分别为 11.6、18.8、28.6 cm,以及 13.3、19.4、32.5 cm,B1C+B2a组合方式在定位精度和收敛速度方面略优于B1I+B3I;复杂城市环境下GNSS信号发生中断后,信号恢复后PPP-B2b重新收敛的定位精度能够达到 40.6、33.2、60.1 cm;可知,BDS-3 PPP-B2b产品精度较高,且城市环境下基于该服务的实时动态精密单点定位能够实现分米级定位,可用于正常生产生活中.
针对智能手机原始伪距观测数据质量较差的问题,在原始伪距观测的基础上提出融合多普勒速度约束与高程约束的动态定位算法,以多普勒观测与先验高程信息来实现对载体状态的约束:通过多普勒观测构建载体的速度方程;并基于先验高程构建虚拟观测方程.其中多普勒速度观测来源于手机原始观测数据,实时动态差分定位法(RTK)高程模拟为先验高程.实验结果表明,在开阔环境下,相比于无约束动态定位,融合 2 种约束后在E、N、U 3 个方向上的精度能够分别提升 37.1%、29.2%、97.8%,在复杂环境下,相比于无约束动态定位,融合 2 种约束后在E、N、U 3 个方向上的精度能够分别提升 22.4%、7.1%、98.6%;显著改善了定位结果.
针对北斗卫星导航系统易受干扰的问题,研究分析北斗卫星导航系统地面部分抗干扰策略:从分析系统抗干扰能力入手,重点从地面运控和应用系统 2 个层面研究干扰形式和相应抗干扰技术;并以地面站应用为例,在分析常用干扰监测技术的基础上形成 3 种干扰监测与定位方案;最后从技术和条件建设 2 个维度提出应对干扰问题的几点思考和对策,为地面站平时做好管理维护提供参考,为主管部门提高北斗卫星导航系统复杂环境下服务保障精度提供借鉴.
针对全球导航卫星系统(GNSS)动态应用过程中,观测环境会随着载体运动发生变化,引起卫星可见数、卫星信号强度和观测数据质量的变化,影响用户端导航定位性能的问题,提出一种不同环境下 GNSS 互操作信号动态性能分析方法:以车载导航为例,抽取开阔路段、半遮挡路段和遮挡路段,从GNSS数据接收能力、数据质量和导航定位性能3 个方面,分析不同环境下 GNSS互操作信号 B1C/L1/E1 和 B2a/L5/E5a 动态性能.结果表明:1)GNSS 数据接收能力.3 种环境下北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的可观测卫星数大于 9 颗且PDOP值小于 2.4,明显优于全球定位系统(GPS)和伽利略卫星导航系统(Galileo);随着环境遮挡严重,GNSS数据完整率明显下降,数据中断率增加.2)GNSS数据质量.观测环境变化对于信号载噪比和多路径存在明显影响;不同环境下B1C载噪比均值高于 41 dB·Hz,且优于L1 和E1频率,B2a频率载噪比值均高于 43 dB·Hz,但略低于L5 频率;BDS-3 多路径效应均值优于 40 cm,比GPS和Galileo稍差,其中B2a优于 B1C.零基线噪声中B1C表现优于E1 和 L1,其中伪距观测值中L5 频率较优,但在遮挡环境B2a优于L5;而载波相位中B1C频率表现最好.3)导航定位性能.不同环境下标准单点定位(SPP)中,L1 与B2a精度较优;双频精密单点定位(PPP)中BDS-3 B1C/B2a精度最优,遮挡路段解算精度相较于GPS和Galileo分别提高了 38%和 10%.
针对多径效应和非视距给定位精度带来负面影响的问题,提出一种适用于 3 个基站的基于加权圆的融合定位算法:将接收信号强度(RSSI)定位法与到达角(AOA)法相融合;并由于传统的无线信号路径损耗模型在预测距离时易对环境参数有所依赖,提出利用自适应遗传算法(AGA)-反向传播(BP)神经网络来构建传播模型以确定加权圆的权值初始值;最后根据不断迭代的加权范围和角波束来估计待测点位置.实验结果表明,与其他混合定位方法的性能相比,将 AGA-BP 和加权圆算法相结合能更好地提高定位精度;同时,为测试鲁棒性,加入不同大小的干扰角度,结果可见,提出的算法能有效处理非视距误差.
为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)的定位精度,对目前北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟伽利略卫星导航系统(Galileo)的载波相位快速相对定位精度在全球的分布情况进行探究:计算四大系统载波相位相对定位单历元解和半小时解的精度衰减因子(DOP);并提取 1 个周期的精度衰减因子时间序列的上限值作为指标,绘制和分析各个系统的载波相位相对定位在全球的精度分布图.结果表明:BDS-3 与GPS的载波相位快速相对定位整体精度相当,且优于GLONASS和Galileo;而四个系统中BDS-3 相对定位精度上限最高,GPS、GLONASS、Galileo的精度上限依次降低;各大全球定位系统在满足全球相对定位应用需求的同时,也各自在最关注的区域有相应的优势,其中BDS-3 的相对定位精度在亚太地区最高,GPS在南北美洲的定位精度优于其他系统,GLONASS在高纬度地区的相对定位精度为其服务区域内最高.
