北斗系统GEO卫星伪距多路径误差改正

北斗系统地球静止轨道(GEO)卫星因相对于地面近似静止,其多路径误差相对于其他类型较为严重,且表现出系统波动现象。为提升定位精度,本文在GEO卫星伪距多路径误差特征研究的基础上,采用奇异谱分析方法对其进行修正,并通过伪距单点定位(SPP)验证伪距多路径误差修正效果。选取测站CUT0连续10d的静态观测数据进行修正试验。研究发现,GEO卫星伪距多路径误差序列表现出较强的天重复性,且多路径误差中的系统误差项越大,重复性也越强;在运用奇异谱分析方法修正GEO卫星伪距多路径误差各系统误差项后,多路径组合(MP)观测值和SPP的定位精度均有一定程度提升。

远海环境低成本RTK接收机多路径效应与平滑伪距单点定位性能

低成本RTK接收机抗多路径性能较弱,导致远海环境中的单点定位性能显著下降。综合分析远海环境中载波相位平滑抑径算法对低成本RTK接收机单点定位性能的影响。结果表明,远海环境中RTK接收机的多路径效应为陆地环境的2~3倍,E5频点的抗多路径性能最强;平滑抑径效果与伪距多路径效应大小有关,采用平滑抑径算法后,RTK接收机SPP定位精度在远海环境提升62%,在陆地环境提升24%;平滑抑径后GPS/Galileo/BDS-3多系统SPP定位精度优于1 m,可满足海上较精细作业的需求。

顾及DISB的智能手机伪距差分定位算法

为了提高智能手机在遮挡环境下的定位精度和可靠性,给出一种全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、北斗卫星导航系统(BDS)组合的系统间紧组合伪距差分定位模型和适用于智能手机的高度角附加不确定度的随机模型。首先评估了L1/B1I和L1/E1频率间的伪距差分系统间偏差的大小与稳定性,结果表明,智能手机伪距差分系统间偏差可以保持稳定性。利用小米8、华为P40智能手机和实测相同及不同类型接收机进行对比验证,通过设置截止高度角方式模拟遮挡环境。实验结果表明:在45°截止高度角模拟遮挡环境情况下,应用紧组合伪距差分改正模型,小米8和华为P40智能手机平面定位精度分别提高了25.5%和32.4%。该方法可以提高智能手机在遮挡环境下定位的精度和可靠性。

基于样本增强的列车卫星定位伪距欺骗检测方法

基于卫星导航的列车自主定位是列车控制系统等铁路关键装备的重要技术方向。然而,列车卫星定位面临诸多挑战,除信号可视性问题和多径效应之外,来自系统外部的蓄意欺骗等干扰攻击,会对定位功能及性能产生直接威胁。为此,本文以基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车定位面临的伪距欺骗这一典型干扰模式为对象,研究并提出一种基于样本增强的伪距欺骗主动检测方法。该方法运用Wasserstein生成式对抗网络(WGAN)解决受欺骗干扰样本数据不均衡问题,利用扩充的数据集训练检测模型,并引入自注意力(SA)机制优化来自不同接收机输入特征之间的相对位置关系,采用生成式对抗学习思想形成一套完整的列车卫星定位伪距欺骗干扰检测方案。由列车卫星定位欺骗干扰注入测试结果可知,提出的方法能够充分运用生成式对抗网络思想解决受欺骗样本的典型受限问题,融合自注意力机制所得检测性能显著优于载噪比检测和代表性机器学习算法等常规检测方案;对建模样本未覆盖特征具备良好的适应能力,具有更优的检测精度和鲁棒性,在多个伪距欺骗干扰模式数据集上测试所得F1分数均超过0.99。该方法在欺骗干扰检测性能方面的优势能够为众多卫星导航系统铁路应用提供有力支撑,为有效防范卫星定位在信息安全层面的攻击入侵提供了有利条件。

BDS-3不同频点双频组合伪距单点定位性能分析

北斗卫星导航系统(BDS)在进行双频单点定位时通常固定使用B1I和B3I频点组合。为充分探究BDS-3系统的定位潜力,针对BDS-3不同频点双频伪距单点定位(SPP)性能展开研究。推导了卫星差分码偏差(DCB)改正公式,并建立了BDS-3任意双频组合SPP数学模型。利用全球35个多模GNSS实验(MGEX)跟踪站121 d的实测数据,采用改进的RTKLIB软件进行了全球范围内BDS-3双频无电离层组合SPP解算实验。首先,对BDS-3的6种频点信号质量进行了全面评估,包括信噪比、多路径效应和数据可用率等指标。其次,对基于DCB改正的14种BDS-3双频伪距组合进行了性能对比。研究发现,在多路径误差、信噪比及数据完整率等多项指标上,B2ab信号质量最高,B2b与B2a其次,B3I与B1C次之,B1I表现较差。在BDS-3的14种不同双频组合SPP性能比较中,基于DCB改正的定位精度明显优于未加DCB改正的情况。DCB改正相对未改正可以将三维精度由14.9~31.2 m显著减小到1.7~15.5 m。受无电离层双频组合模型噪声放大系数的影响,最优组合为B1C&B2a,最差组合为B2a&B2ab,两者数值分别为1.7 m与15.5 m。以上结论可以为BDS-3伪距定位在车载导航等方面的应用提供参考。

低成本GNSS终端多普勒平滑伪距定位算法

随着低成本全球卫星定位(GNSS)终端硬件性能的不断提升,其在定位领域的应用也更加广泛,然而低成本GNSS终端在数据采集中常受观测环境的影响,使得载波相位观测值的高精度定位较为困难。伪距定位算法因其定位模型简单且实时性好的优势被广泛使用,因此本文利用多普勒平滑伪距方法,充分利用了多普勒观测值的作用,通过多普勒平滑伪距噪声来提升观测值的测量精度,利用多普勒平滑伪距模型对静态与多种动态环境下的平滑效果进行测试和分析。实验结果表明:在静态情况下,采用多普勒平滑伪距算法,伪距单点定位与伪距实时差分定位模型定位中平面精度较平滑之前分别提高了25%与31%;在动态环境下,有遮挡动态实验其精度提升30%以上,空旷情况下定位精度提升15%以上,快速运动过程中其提升能达到20%左右。表明通过多普勒平滑伪距算法可以显著提高低成本GNSS终端的定位精度。

北斗二号卫星伪距偏差分析与建模

北斗二号系统伪距观测值中存在一种星源性的系统性偏差,也称为伪距偏差。文中基于全球10个IGS跟踪站的观测数据对伪距偏差进行分析,通过观察不同系统、不同卫星在不同时间、不同测站的MP组合,验证仅北斗二号系统存在伪距偏差,其中IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角呈负相关,与观测时间和观测地点无关;GEO卫星的伪距偏差存在周期性规律,但不同站、不同时间差异较大。使用10个IGS站2020和2021两年的观测数据对伪距偏差进行建模,使用该模型修复伪距偏差后,发现伪距中与高度角相关的系统性误差被消除,PPP试验高程方向上平均精度提升31.7%,说明模型可以有效修复伪距偏差。

Galileo伪距硬件延迟对双频单点定位的影响分析

差分码偏差(Differential Code Bias,DCB)是高精度定位和电离层建模的主要影响因素之一。为探讨Galileo系统卫星端DCB改正对双频单点定位的影响,本文推导了Galileo 4种不同频点无电离层组合卫星端DCB改正公式。选取4个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站连续7 d的观测数据进行标准单点定位(Standard Point Positioning,SPP)和精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)实验,分析改正与不改正DCB对Galileo定位性能的影响。结果表明:DCB改正对SPP定位精度和PPP收敛时间均有提升,但对PPP收敛后的定位精度几乎没有影响。其中,E1/E5b和E1/E5(a+b)组合提升较小,SPP精度提升为亚厘米至厘米级,PPP收敛速度提升率约为2.0%和5.2%;E1/E6组合提升较大,SPP精度提升为米级,PPP收敛速度提升率约为32.3%。E1/E5a、E1/E5b和E1/E5(a+b)组合SPP定位精度和PPP定位性能基本相当,优于E1/E6组合。

基于伪距残差和新息的GNSS/IMU抗差自适应定位算法

在全球导航卫星系统(GNSS)和惯性测量元件(IMU)组合导航系统中,抗差滤波和自适应滤波常被用于提高组合导航的定位精度。但是抗差滤波和自适应滤波所适用的条件不同,使用不当反而可能会降低组合导航的定位精度,针对此问题,提出基于伪距残差和新息的GNSS/IMU抗差自适应定位算法。所提算法基于伪距残差评估GNSS的定位质量,选择合适的滤波算法进行GNSS/IMU组合导航解算。在长时间GNSS定位质量较差时,基于新息和伪距残差判断是否IMU运动学推算误差大于GNSS观测值误差,从而根据判断的结果选择是否采用抗差因子。结果表明:所提算法相对于扩展卡尔曼滤波算法在东、北和天方向上分别提高36.05%、22.71%和56.22%的定位精度。

DCB对伪距单点定位/精密单点定位的影响分析

针对差分码偏差(DCB)是影响定位精度的重要因素之一,对DCB的建模与分析具有重要的意义。因此,推导了DCB在双频模式下伪距单点定位(SPP)、精密单点定位(PPP)改正模型,并借助MGEX跟踪站连续3d观测数据进行SPP、PPP实验,实验结果表明:DCB改正前后,各测站SPP结果显示均为U方向精度最差,N方向、E方向精度基本相当,B1B2组合SPP的精度优于B1B3组合精度,DCB在N、E、U方向精度改善在米级,DCB对PPP的影响为厘米级,在N、E、U方向上的平均改善量分别为16.22%、17.77%、12.68%,B1B3组合经DCB改正后,其解算精度与B1B2仍有1~3 cm的差距。

GEO对BDS伪距单点定位影响分析

BDS星座构成不同于其他导航定位系统,GEO卫星的独特性将会增加我国BDS定位的优势,因此,本文选取多个MGEX跟踪站数据,分析了GEO卫星对BDS系统B1I和B3I单频伪距单点定位精度的影响。实验结果表明,GEO卫星能明显改善BDS卫星可用性,使BDS卫星可见数有明显增加,使PDOP值有明显降低,同时GEO卫星能有效提升BDS伪距单点定位精度,使伪距单点定位精度提升都在分米级,水平定位精度提升量在13%以上,高程定位精度提升量在10%以内。

基于伪距DGPS的地面站链路天线标校研究

地面控制站是无人机系统的控制核心,对其进行深入研究对无人机系统技术的发展具有重要意义。该研究为建立一种有效实用的地面站链路天线标校程序,首先介绍了地面站的发展,然后研究了GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、伪距DGPS(Differential Global Positioning System,差分全球定位系统)的定位原理,最后给出了伪距DGPS的链路天线标校方法,为今后大型地面站的链路天线标校提供了参考。

考虑伪距残差相关性的北斗系统卫星数据质量异常监测算法

针对北斗卫星系统中由欺骗干扰引起数据异常的问题,考虑伪距残差相关性,设计北斗系统卫星数据质量异常监测系统。对北斗导航卫星系统(Beidou navigation satellite system,BDS)的时延具有变化特征的欺骗干扰数据质量进行监测,进一步提升动态导航定位准确度。首先,构建具有迭代特征的多模全球导航卫星系统(global navigationsatellitesystem,GNSS)伪距相关组合定位算法模型。利用GNSS接收机和惯性导航系统(inertial navigation system,INS)的伪距、伪距率差值进行卡尔曼滤波,并获得伪距、伪距率残差。利用欺骗干扰时延特征构建残差滑动方差模型。然后,利用当前和历史残差数据构造残差滑动方差(residual sliding variance,RSV)检测量,最后不断迭代更新伪距率和伪距,与阈值相对实现进行欺骗检测。试验研究表明,该系统检测存在欺骗节点时的误差率在3%左右,准确度提升约60%。

BDS-2和BDS-3系统间伪距分层及其技术对策

BDS-2和BDS-3卫星不仅存在与其他导航系统一样的星间伪距偏差问题,还存在两个系统之间的分米级伪距分层现象。为了最大限度降低伪距分层影响,本文选用两台环路参数可配置的接收机进行试验分析,分析了接收机环路参数设计与伪距分层的影响关系。结果表明,当接收机选择0.3 chip及以上的相关器码间距来跟踪B1I信号时,能使BDS-2和BDS-3之间B1I信号的伪距分层由分米级降低到厘米级;对于B3I信号而言,则需要采用0.6 chip及以下的相关器码间距来进行跟踪。根据本文研究可知,通过配置合理的接收机相关器码间距值跟踪B1I/B3I信号,可以使BDS-2和BDS-3之间的伪距分层现象得到明显改善,同时也能提高接收机定位精度的一致性。本文研究对推进北斗导航接收机和芯片的发展与完善具有参考意义。

附有伪距电离层估计的实时精密单点定位方法

针对现有实时精密单点定位(PPP)方法解算精度较低的问题,提出一种附有伪距电离层估计观测值P1ION的实时PPP方法:将无电离层(IF)组合及伪距电离层估计观测值(P1ION)相结合,并与传统的无电离层组合模型(IFPPP)和非差非组合模型(UC-PPP)进行对比和分析;然后,通过国际全球卫星导航系统服务组织(IGS)的最终精密产品评估法国空间研究分析中心(CNES)的实时数据流产品(CLK93),包括卫星轨道、钟差改正数和实时电离层产品。实验结果表明,全球定位系统(GPS)和伽利略卫星导航系统(Galileo)轨道和时钟改正精度优于格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和北斗卫星导航系统(BDS);相对于IGS电离层联合分析中心(IAACs)最终全球电离层产品(GIM),不同分析中心的实时电离层产品垂直总电子含量(VTEC)估计的标准差(STD)和均方根(RMS)分别为1.9~2.3个总电子含量单位(TECU)和1.9-3.2 TECU;与IF-PPP和UC-PPP相比,附加实时电离层产品约束的IF-PPP+P1ION方法的定位精度在东(E)、北(N)、天(U)方向分别提高了14.0%、3.7%和11.2%。

一种双级北斗导航接收机伪距误差补偿方法

伪距误差是影响北斗卫星导航接收机定位精度的关键因素,本文提出一种基于伪距差分和自适应容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman filter,CKF)的双级北斗导航接收机伪距误差补偿方法。该方法将伪距误差分为自有性误差和公共性误差两类,首先通过伪距差分方法补偿伪距自有性误差,其次设计量测噪声自适应CKF滤波器,对用户接收机运动系统状态进行估计,补偿伪距公共性误差。实验结果表明:载体静态时,双级补偿方法略优;载体动态时,双级补偿比单级补偿的定位误差减小显著,自适应CKF算法比CKF算法具有更好的对噪声和干扰的适应能力。

Android智能手机星间单差法伪距平滑算法研究

受到手机芯片和天线等影响,智能手机原始伪距观测值的噪声较大,同时受多路径影响严重,导致手机定位不准确、轨迹不平滑。针对上述问题,提出一种星间差载波相位平滑伪距、星间差多普勒平滑伪距和星间差速度约束自适应切换滤波定位算法,可充分发挥相位和多普勒观测值的作用,提高伪距观测值的精度并减少平滑伪距噪声。在静态和动态环境中分别对单频和双频智能手机定位性能进行分析。结果表明,双频定位效果优于单频,星间差速度约束自适应切换滤波定位算法最优。与抗差伪距法相比,静态环境下小米8在水平和高程方向上的精度分别提升1.49 m和1.38 m,华为P40分别提升2.11 m和1.53 m;动态环境下小米8在水平和高程方向上的精度分别提升1.75 m和1.25 m,华为P40分别提升2.58 m和1.85 m。

基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法

受通信距离限制,伪距差分定位技术多用于有无线通信网络的陆地地区或近海区域,在远海区域目前基本无法实现伪距差分。本文基于北斗短报文提出了空间相对定位技术与时间基线法相结合的新方法,实现了远海伪距差分定位技术,并探讨了伪距改正数据的简化和编码方法。根据实测海洋数据,测试了流动站距离参考站约1700 km的伪距差分定位性能。试验结果表明,其水平方向定位误差基本小于1 m;竖直方向基本小于2 m。由于北斗短报文的年通信费用目前仅约800元,因此本文方法可满足远海低成本伪距差分定位的需求。

基于伪距相位组合法的三频周跳探测

【目的】载波因具有波长短的优势而被广泛应用于卫星高精度定位中,但载波数据在接收过程中易受干扰,易发生周跳,从而对定位精度产生影响。为消除周跳带来的误差,就要进行周跳探测,以确定其发生位置。【方法】采用三频伪距相位组合(0,1,-1)和单频伪距相位组合对周跳进行探测。【结果】通过对采样率1 s的数据进行试验验证,结果显示,三频伪距相位法实现全频率周跳的高精度实时探测,单频伪距相位解决了三频法中存在不敏感组合周跳和无法判断是哪个频率发生周跳的问题。【结论】结果表明,该方法可快速准确地判断出周跳发生位置及大小,是一种良好的周跳探测及修复方法。

COMPASS伪距单点定位精度分析

通过实测COMPASS数据处理,分析COMPASS伪距观测值精度与卫星高度角的关系,以及当前4GEO+5IGSO导航星座COMPASS伪距单点定位的精度。结果表明,COMPASS伪距多路径效应和观测噪声在0～3 m之间变化,其精度为0.3～0.7 m;卫星高度角越大,多路径效应和观测噪声越小;GEO卫星受到的多路径效应和观测噪声要明显小于IGSO卫星;COMPASS伪距单点定位精度(RMS)在N、E、U方向上分别为3.33、3.45、8.84m。