随着卫星导航系统的快速发展,基于低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星的高精度可信导航已成为当前研究的热点.然而,LEO卫星导航的安全可信问题一直阻碍其大规模应用,基于扩频码和导航电文(spreading code and navigation data based authentication proposal,SNAP)认证方案在解决上述问题中展现了良好势头.本文的重点是解决SNAP信号的间歇跟踪算法及性能分析,并得到跟踪误差的解析表达式.研究结果表明:由于间歇跟踪导致的误差累积服从高斯分布,其均值与多普勒频移变化率成正比,均方差可等价于载噪比(carrie noise ratio,CNR)的损失,相较载波环,码环受多普勒的影响较小.本文的研究结果为间歇跟踪结构下接收机系统参数设计提供重要理论参考.
对美国定位、导航和授时(positioning,navigation and timing,PNT)领域的相关政策和整体目标进行了梳理,重点对GPS现代化改造、GPS与低轨通信卫星融合、建设eLoran系统和自主导航项目等重要PNT信息源的建设进展、服务能力和融合应用做了具体分析和总结,表明美国已经理清了PNT体系发展脉络,相关建设已进入实质阶段,同时对我国PNT信息源未来的发展、融合和建设提出了具体建议.
应急搜救攸关国际义务、国家利益和人民生命财产安全,是我国人民生命安全体系和能力现代化的重要组成部分.随着我国战略利益拓展,全球应急搜救保障需求现实而迫切.本文阐述了我国应急搜救体系现状,分析了以北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)为核心的特色搜救技术能力.研判了我国应急搜救系统在用户体验、效能发挥、国际标准方面的不足,建议构建以北斗应急搜救服务为核心的国家全球应急搜救系统,消除痛点、堵点,实现信息融合共用,全面提升我国全球应急搜救能力.推动北斗应急搜救服务全面进入国际标准体系,为世界提供新的公共服务产品,助力构建人类命运共同体.
针对超宽带(ultra wide band,UWB)定位中影响定位精度的非视距(non line of sight,NLoS)传播误差问题,提出了一种基于Kalman滤波的NLoS误差二次消除方法.该方法利用NLoS误差与测量误差之间的相互独立性,借助Kalman滤波将NLoS误差从总误差中单独分离出来,对其进行实时估计,并将该NLoS误差估计值作为NLoS误差辨别及测距值修正的依据.通过Kalman滤波对到达时间(time of arrival,TOA)测距值进行二次估计、鉴别及修正以提高TOA测距精度,从而实现室内复杂环境下的UWB精准实时定位.仿真实验结果表明:该方法不仅能够对NLoS误差实现良好的跟踪估计,对视距(line of sight,LoS)/NLoS环境转变也具有较强的灵敏感知能力,同时NLoS误差测距值在应用该方法后的定位性能逼近于LoS环境下的理想状态.
针对卫星钟差预报模型的普遍适用性低,以及预报模型中星载原子钟类型和建模特点结合不充分等问题,提出了四种适用于非线性处理的神经网络模型来预报卫星钟差.首先对钟差数据进行预处理;然后通过基于萤火虫算法(firefly algorithm,FA)优化反向传播(back propagation,BP)神经网络(FA-BP neural networks,FA-BPNN)模型、Elman循环神经网络模型、径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络模型以及基于卷积神经网络-长短期记忆(convolutional neural networks-long short term memory,CNN-LSTM)网络模型对 1d和 7d的钟差数据量建立模型;再采用武汉大学国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)数据分析中心(WHU)的GPS精密钟差数据进行钟差预报;最后从不同建模数据量及不同批次卫星的同一类型原子钟和不同批次卫星的不同类型原子钟的角度,将预报效果进行分析与对比.结果表明:1)四种模型在建模特点上,1 d的钟差数据量建模精度均比 7d的钟差数据量建模预报精度高.其中,RBF神经网络模型随着钟差建模数据增加时,预报精度影响变大,预报精度从亚纳秒量级变化到几十纳秒量级.2)四种神经网络模型预报精度与卫星在轨运行时长以及星载原子钟类型相关;在轨运行时间长的卫星其预报的性能不一定差,不同批次卫星的不同类型原子钟的预报效果的性能可能一样;其铯原子钟类型卫星在四种神经网络模型预报中精度最好.
为分析海面换能器位置误差对海底大地控制点定位精度的影响规律,我们提出了GNSS声学(GNSS/Acoustic,GNSS/A)定位联合平差(joint adjustment,JA)方法.针对联合平差方法理论证明不足及无深海数据验证的问题,本文进一步阐述了联合平差方法的原理,给出了联合平差方法严密的优越性证明和精度评定公式.最后采用松花湖数据和南海数据进行验证,联合平差方法可以提高传统GNSS/A方法 2%～26%的定位精度,展示联合平差方法在湖区和深海区的应用效果.
相位偏差的精确估计是实现精密单点定位(precise point positioning,PPP)非差模糊度固定(ambiguity resolution,AR)的重要前提,但当前国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)分析中心(analysis center,AC)提供的相位偏差产品频率组合有限,使PPP-AR用户也只能使用相应频率的观测值,浪费了多频率的GNSS观测值.为了实现基于任意GNSS频率选择和观测值组合灵活实现PPP-AR(即全频率PPP-AR),我们针对全球均匀分布的 100 多个 IGS测站 1 周的静态观测数据,估算全频率可观测相位偏差(observable specific signal bias,OSB),并使用开源PRIDE PPP-AR软件,进行静态PPP实验.结果表明:伪距和相位OSB产品的平均标准差分别是 0.25 ns和 0.34 ns,满足PPP模糊度固定的需求.Galileo、北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)频率自由组合时的平均模糊度固定率分别为(98.25%、96.74%)、(90.31%、91.64%),而北斗二号(BeiDou-2 Navigation Satellite System,BDS-2)的平均模糊度固定率为 81.27%、86.02%.定位精度和基准频率相比,E1/E6、G1/G5 组合在三个方向上定位精度下降接近 15%的.C2/C5 组合在东(east,E)、北(north,N)方向上表现较好,但在天顶(up,U)方向上定位精度下降 22.8%.GPS/Galileo/北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)三个系统中其余参与测试的各频率组合包括C2/C7、C1/C5、C1/C6、C1/C7、E1/E7、E1/E8 均呈现出较稳定的定位精度,各个频率组合的定位精度在E、N、U方向上的变化范围分别为 5%、5%、15%,与基准频率相比没有较大的偏差,因而全频率PPP-AR已具备相当程度的可靠性.全频率PPP-AR充分利用了多频率的GNSS观测值,相比使用基础频率的观测值实用价值更高;此外,全频率PPP-AR可以根据用户需求进行任意GNSS频率的选择和观测组合,从而更好地满足各种应用的需要.
GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题,本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征,分析了不同风速下一维相关功率的变化情况,讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delay-Doppler map,DDM)的影响.数值结果表明:海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性,在DDM波形仿真中,应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率,为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.
季节性冻土具有周期性地表抬升/沉降的物理特性,传统测量方法已不能满足当前高精度、实时的监测需求.地基GNSS是一种低成本、全天时、全天候、能够实现连续监测的新兴地基遥感技术.实验应用美国的板块边界观测台网(plate boundary observational GNSS network,PBO)计划SG27 测站 2013-2021 年观测数据,使用地基GNSS技术解译了阿拉斯加巴罗永久冻土区域典型异常年份降雪、无雪期地表形变、测站形变、土壤湿度、大气水汽变化,并通过PBO实测降雪数据验证异常年雪深反演精度,通过测站形变结果验证反演结果为冻土活动层形变,同时对水汽与土壤湿度进行相关性分析.结果显示:反演雪深与实测雪深绝对系数R2 为 0.8155,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.0643,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为0.0402;通过水汽与土壤湿度变化趋势图发现两者具有较弱滞后性对应关系,但仅表现在趋势而非幅度值上.表明地基GNSS在长时序冻土环境监测中存在巨大的应用潜力.
卫星导航定位连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)系统作为GNSS与网络通信技术结合发展出的新兴导航定位CORS系统,具有快速高效、高精度、网络化等优点,不仅可以测量地表位置及运动,还可以借助GNSS信号的折射与反射特征监测地表环境参数变化情况.本文提出一种将CORS站用于"积雪深度、土壤湿度、大气水汽、地表形变"的地表环境多参数综合监测体系,用以拓展CORS站在生态环境中的广泛应用.以齐齐哈尔市CORS站BFQE为实验案例,首先获取实验时段中CORS站接收的GNSS观测数据(含信噪比(signal to noise ratio,SNR)数据)、星历数据及气象数据对其进行预处理;其次对重采样的SNR数据采用非线性最小二乘及Lomb-Scargle谱分析方法解译特定时间段的浅层土壤湿度及地表积雪深度;然后通过联测远距离国际地球动力学服务机构站(International GPS Service for Geodynamics,IGS)采用相对定位技术获取测站的地表形变序列与大气水汽序列;最后,结合上述多种地表环境参数结果进行相关性分析,获得参数间的响应关系.实验结果表明:CORS站用于地表环境综合监测能够有效地监测多参数时间变化,反演得到的环境参数之间具有一定的响应关系.大气水汽含量会影响降雨的时空分布和强度,大气水汽反演值与降雨在趋势上呈现高度相关;在积雪时段,大气水汽的增加伴随着积雪深度的增加;大气水汽增加形成的降雨是土壤湿度的主要来源,解译土壤湿度总是在强降雨后呈现上升趋势,基于单星的土壤湿度与实测数据平均相关性为0.75,多星融合解译结果的相关性达到0.89,土壤含水率的均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.87%;地表形变时间序列在北(north,N)、东(east,E)方向形变较为稳定,天顶(up,U)方向的形变与大气水汽、积雪深度和土壤湿度存在一定的响应性波动.
针对卫星导航系统伪距相位、广播星历等观测数据,本文采用特征提取和模型回归等技术手段,从数据类型和观测时间两个维度寻找数据内在特征,挖掘出海量测站数据之间的特征关联,并采用机器学习方法评估卫星导航系统全球定位性能.本文所提出的评估方法在实际测站数据上进行了验证,中国及周边区域 12 个测站模型定位精度 1-平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)的均值为 92.36%,最差为PTGG站,1-MAPE为 89.26%;全球范围 120 个测站模型定位精度 1-MAPE的均值为 86.59%,最差为SCOR站,1-MAPE为 81.46%,与传统数理统计框架下得到的实测值较为吻合.实验结果表明:基于机器学习模型评估卫星导航定位性能的方法可行有效,机器学习模型在大数据统计分析中具有强评估能力和高泛化性,突破了现仅用传统数理统计的全球定位性能评估思路.
为分析磁暴期间电离层扰动规律及GNSS定位性能变化,基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)全球观测数据及全球电离层图(global ionospheric map,GIM),对2018 年 8 月 26 日地磁暴事件引发的北半球地区电离层总电子含量(total electron content,TEC)异常变化和GPS定位性能进行分析.结果表明:北半球TEC异常存在纬度差异,高纬地区响应快,低纬地区异常值变化大,达 12 TECU;磁暴期间高纬地区观测数据周跳变化明显,周跳比数值与磁静日相比最大下降 61.84%;磁暴期间所有测站数据完整率下降,高纬地区下降响应快,下降严重,达 38.65%,研究区所有测站数据完整率下降出现在磁暴恢复相,数据质量与TEC异常变化规律较为一致;对GPS双频动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)结果进行分析发现,磁暴期间高纬地区测站定位误差显著增大,水平和垂直方向均方根误差(root mean squared error,RMSE)增至约 0.7 m及 1.8 m.
GNSS受到射频干扰时,很容易出现性能急剧下降乃至无法工作的问题,降低系统脆弱性仍然是现实需求和重要发展方向.近年来,干扰源定位作为直接排除式的抗干扰方法,在手段和性能上都得到了快速发展,受到日益关注且应用广泛.本文通过深入分析干扰定位技术的原理特点,将压制式干扰源的定位技术分类为传播参数测量、方位角测向、直接定位三大类,并对比总结了各方法优缺点和应用场景.
卫星信号质量好坏会影响用户的使用性能,利用软件接收机的跟踪结果可以实现信号质量评估.GPS L2C信号的伪码是由 CM码和 CL码时分复用(time division multiplexing,TDM)组成,根据其信号特点可以使用不同的跟踪方式进行跟踪.针对不同跟踪方法对信号评估精度的影响,重点分析了信号一致性,信号的相关性能等指标.通过仿真信号分析和实测数据验证,结果表明:联合跟踪相比于单分量跟踪其评估精度更高,且各项指标的评估结果都优于单条支路的评估结果,使用联合跟踪会带来更小的测距误差.
针对电离层电子总含量(total electron content,TEC)时间序列高噪声、非线性和非平稳的动态序列的特点,基于反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型对欧洲定轨中心(Centre for Orbit Determination in Europe,CODE)提供的电离层格网(global ionosphere maps,GIM)数据产品中低纬度、中纬度、高经纬格网点TEC数据和对应的时间点、经纬度、太阳射电通量F10.7 数据、赤道地磁活动指数Dst、全球地磁活动指数Kp数据进行样本训练并进行电离层预报.结果表明:基于BPNN模型能够较好地预报低纬度、中纬度和高纬度电离层TEC数值,平均相对精度分别到达了90.5%、88.7%、85.35%,残差均值分别为1.505 TECU、1.595 TECU、1.885 TECU,平均均方根误差(root mean square error,RMSE)值分别为 1.94 TECU、2.13 TECU、3.08 TECU.
针对车载GNSS/惯性导航系统(inertial navigation system,INS)组合导航系统在GNSS信号失锁时定位精度下降甚至发散的问题,提出了一种长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络辅助组合导航的算法来提高定位精度,实现可靠连续稳定的定位.通过移动集成平台进行实验,结果表明:当GNSS信号失锁 30s时,LSTM辅助组合导航系统在东(east,E)、北(north,N)方向的位置误差最大值分别降低了77.45%、17.39%,均方根误差(root mean square error,RMSE)分别降低了 79.53%、42.36%;当GNSS信号失锁 100 s时,LSTM辅助GNSS/INS在E、N、天顶(up,U)三个方向上的位置误差最大值分别降低了 60.07%、98.30%、84.65%,RMSE分别降低了61.96%、97.98%、84.65%.LSTM辅助较大地提升了车载GNSS/INS组合导航系统的导航性能.
自2011年国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)启动多GNSS实验项目(Multi-GNSS Experiment,MGEX)以来,多GNSS兼容和互操作成为研究热点,我国率先发起国际GNSS监测评估系统(International GNSS Monitoring and Assessment System,iGMAS)旨在对GNSS的运行状况和性能指标进行监测评估.鉴于此,本文从用户使用端出发,通过对连续运行参考站(continuously operating reference station,CORS)的数据完整率、周跳比、伪距多路径、载噪比(carrier to noise ratio,CNR)和伪距测量精度进行量化分析,探讨了基于靶场CORS系统进行试验区北斗数据质量监测与评估的方法,为高精度武器试验鉴定提供科学、可量化的卫星环境精度指标.
为评估多系统海上伪距单点定位(single point positioning,SPP)性能,顾及不同导航系统广播星历的卫星钟差基准差异,推导了多系统单频和双频消电离层(ionosphere-free,IF)组合SPP模型.采用无人船实测的近海多系统GNSS动态观测数据评估了GPS、GPS/Galileo、GPS/BDS和GPS/Galileo/BDS的单频和IF组合SPP定位精度.结果表明:相较于单一GPS,多系统的SPP定位性能更优,三系统IF组合SPP的平面精度优于 0.5 m,天顶方向精度优于 0.6 m;相比于多系统单频SPP,多系统IF组合SPP在平面和天向精度提高约 1.0 m和 1.3 m,基于IF组合的SPP具有更优的定位性能.
脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1,XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台,已在轨运行七年多,获得大批观测数据,本文收集了该卫星三年多的空间观测数据,开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据,得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓,结果表明,在时间维度上脉冲轮廓是稳定的,与国内外观测结果一致性较好;其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓,分析了脉冲轮廓随能量变化特征;在能量维度上,得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱,发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比,表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态,也实现了卫星精确地"看得见"脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1 卫星的三天观测数据,实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算,得到卫星轨道确定精度约为 56.93 km,分析发现XPNAV-1 星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.
针对激光里程计算法中存在的信息冗余和离散点干扰问题,本文提出了一种基于点云分割的激光里程计算法.该方法根据机械式激光雷达的水平旋转扫描特点,对点云数据进行扫描线分割并赋予标签,提取物体的边缘点作为线特征、表面点作为面特征.相较于传统的特征提取方法,本文算法能够有效提取具有较少标志性的特征点,同时剔除离散点.该算法在降低计算量的同时提升了定位的精确性和鲁棒性,对于机器人导航任务有着很好的应用前景,并通过计算机仿真验证了该算法的性能,并取得了较好的实验效果.
