考虑信标运动的水下联合定位算法

为融合全球导航卫星系统/声学测量与海底信标之间声学测量优势,同时考虑导航信标因海底洋流等因素而引起的运动,本文提出考虑信标运动的水下联合定位算法,并采用3000 m水深海域的实测数据进行试验计算。试验结果表明:联合定位估计的声速模型与声速测量值之间的差异小于0.15 m/s;与全球导航卫星系统/声学定位相比较,联合定位获得的海底导航信标运动轨迹具有更高的精度,全球导航卫星系统/声学定位及联合定位的基线残差统计值分别为-0.302±0.740 m、0.007±0.169 m;试验区海底导航信标水平运动幅度可达3 m,周期性运动模型可以较好地描述试验区海底导航信标的运动轨迹。

北斗三号全球系统空间信号精度评估分析

以精密星历和钟差为基准,对BDS-3广播星历的轨道精度、钟差精度和3类空间信号测距误差(signal-in-space range error,SISRE)精度进行评估。结果表明,BDS-3广播星历的轨道精度明显优于BDS-2同类卫星,其轨道径向RMS精度优于0.18 m,切向和法向RMS精度优于0.6 m;BDS-3广播星历钟差的误差基本小于5 ns,且较BDS-2卫星变化更为平稳,其平均RMS统计精度为1.86 ns,平均95%统计精度为3.23 ns,均优于BDS-2卫星;BDS-3卫星仅受轨道影响的SISRE、全球平均SISRE和最差SISRE的RMS统计精度分别为0.12 m、0.58 m和0.60 m,相应95%统计精度分别为0.22 m、0.99 m和1.02 m,较BDS-2均有明显提升。

声线入射角随机模型在深海环境中的应用

为弥补现有适用于深海环境水下定位随机模型研究的不足,提出验证已有的4种顾及声线入射角的随机模型是否适用于深海环境的方法:介绍4种模型的特点;并利用深海实测数据对4种随机模型进行计算分析,来检验随机模型是否具有适用性。结果表明:在深海环境下,采用声线入射角的随机模型进行计算,相对于传统等权模型的定位结果确有改善;但是水下定位结果效果最好的随机模型为指数函数随机模型,而非分段余弦函数随机模型。

非差/双差模式GNSS精密定轨处理策略对比及精度分析

介绍了非差/双差模式数据处理的原理及特点,重点分析了两种模式观测模型,梳理了计算流程的差异;基于全球均匀分布的89个IGS监测站7 d的GPS观测数据计算精密定轨,分析了轨道结果外符合精度、重叠轨道精度和天不连续性,并测试了两种模式的耗时。实验结果表明:两种差分模式的三维位置均方根误差均优于4 cm;非差模式径向、迹向和法向重叠轨道精度分别为0.9、1.4和1.0 cm,双差模式分别为0.7、1.7和1.5 cm;非差模式的天不连续性均值为4.3 cm,双差模式为4.8 cm。两种差分模式精度相当,但是非差模式的计算量小于双差模式,尤其是随着测站数量增加,优势更加明显。

一种改进的海底控制点非差定位函数模型

海底大地测量控制点的定位精度受复杂的海洋环境的影响,因此构建合适的、符合实际情况的函数模型显得尤为重要。本文首先提出了传统的海底控制点声学定位的函数模型,详细介绍了该定位模型的计算流程,并分析了其弊端。在传统的单程模型基础上,文中提出了改进的定位函数模型,双程模型。针对不同走航航迹的情况,利用最小二乘解算和抗差最小二乘解算对不同函数模型进行了定位解算。结果显示,改进的水下非差定位模型能有效改正由于声信号传播过程中测量船继续行进而产生的时延测距误差,提高了海底控制点的定位精度;抗差最小二乘解算可以有效克服粗差对定位精度带来的影响;在线性走航情况下,更能有效消除测距误差对水平分量的影响,水平分量的精度可达毫米级;高程分量精度稍显逊色,精度为厘米级。

北斗星上多径对宽巷模糊度解算的影响分析

通过引入北斗星上多径参数,量化了北斗星上多径对宽巷模糊度解算的影响;从理论上分析了该影响量在非差、单差和双差条件下的特性,并采用零基线、短基线和长基线3组实测数据进行了分析与验证。结果表明:星上多径对非差宽巷模糊度估值的影响在三类卫星上表现出不同的特性,在MEO卫星上最大,可达1周;星间单差无法消除星上多径偏差影响,进而PPP宽巷模糊度的解算将受到影响;星上多径不会对零基线双差宽巷模糊度解算造成影响,对短基线双差宽巷模糊度解算的影响也可忽略,但长基线双差宽巷模糊度解算则受严重影响;星上多径会导致长基线双差宽巷模糊度平滑收敛缓慢,经改正后模糊度固定成功率能够显著提高,单历元取整成功率从52.7%提升到61.4%,平滑20个历元模糊度固定成功率即可从68.4%提升到95.5%。

一种基于广播星历的实时高精度单点定位方法

针对远洋测量无法实时获取精密星历钟差或位置差分改正信息、导航定位精度不高的问题,提出一种基于广播星历的实时高精度单点定位方法。通过广播星历实时获取卫星三维位置和卫星钟差,使用扩展卡尔曼滤波进行数据处理,利用载波相位观测量来实现高精度单点定位。实测数据结果分析表明,该方法的静态和动态定位精度与SPP相比,均有50%左右的提高。可实现在没有精密星历钟差和外部改正信息情况下的较高精度单点定位,满足高精度远洋测绘的要求。

非差UPD在GNSS PPP模糊度固定中的应用分析

模糊度固定对于精密单点定位(Precise Point Positioning)提高定位精度和加快收敛都有重要意义,是精密单点定位研究的重点和热点。GPS和BDS-2现有卫星和非差小数周偏差产品为基础研究提供支持,采用全球IGS(International GNSS Service)跟踪站提供的观测数据,进行静态精密单点定位模糊度固定实验,分别就GPS单系统和GPS+BDS-2双系统进行模糊度固定。实验结果表明,通过UPD(Uncalibrated Phase Delay)改正,GPS和GPS+BDS-2首次固定时间均可达到40 min,与浮点解相比,GPS和GPS+BDS-2的固定解收敛时间分别缩短了25.02%和27.42%。此外,两种固定解的三维位置误差RMS值则分别减小了20.36%和20.71%。

新一代北斗试验卫星伪距质量初步评估

为验证北斗全球系统卫星新型导航信号体制、星间链路和高精度原子钟等关键技术,中国于2015年3月30日至2016年2月1日间发射了5颗新一代北斗试验卫星。试验卫星除了播发新的民用信号B1C和B2外,同时还播发B1I和B3I平稳过渡信号。试验卫星导航信号的伪距质量以及北斗现有工作卫星存在的与高度角相关伪距误差问题在新一代北斗卫星上是否得到解决是大家普遍关注的问题,将基于北斗试验卫星实测数据对此进行初步评估与验证。

顾及偏移参数先验信息的海底控制点贝叶斯估计模型

在全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/声学定位系统中,声学换能器的位置由GNSS接收机天线位置通过偏移参数和姿态观测信息计算得到,偏移参数的测量误差必然会影响声学换能器的位置,从而影响海底控制点的定位精度。若不考虑偏移参数的先验信息,直接将其作为未知数与海底控制点坐标一起解算,可能会因参数之间强相关而出现观测方程病态的问题,导致解算结果不可靠。首先给出了GNSS/A定位的一种顾及偏移参数的贝叶斯估计模型,分析了偏移参数误差对定位结果的影响;其次推导了位置参数和偏移参数之间的相关性,从理论上阐述了观测方程产生病态的原因,进而构建了一种顾及偏移参数先验信息的贝叶斯估计模型。算例结果表明,该模型可以解决参数之间因强相关而引起的观测方程病态问题,能有效提高海底控制点三维坐标和偏移参数的解算精度。

基于GNSS/声学定位的海洋大地基准网构建及应用

GNSS/声学定位技术的应用使得高精度海洋大地基准网建设成为了可能,海洋大地基准网的构建也将为水下用户提供重要的时间和空间基准。文章在分析海洋大地基准网建设需求与现状的基础上,介绍了GNSS/声学定位陆海时空基准传递原理,给出了基于GNSS/声学的海洋大地基准网构建方法,提炼了海洋大地基准网构建及应用关键技术,并对未来典型应用进行了展望。

低轨卫星对导航卫星星座轨道测定的增强作用

首先分析了GRACE-A、GRACE-B、FY3C 3颗低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星对于提升北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)卫星和GPS卫星可见性的影响,其中BDS中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星的提高最为显著,一重覆盖弧段提高了45.7%,四重覆盖弧段提高了10.7%,与GPS卫星相当。然后利用卫星位置精度衰减因子(satellite position dilution of precision,SPDOP)分析了LEO卫星对导航卫星定轨观测几何结构的增强作用。加入LEO卫星后,BDS地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星SPDOP值下降了49%;倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星SPDOP值下降了39.8%;MEO卫星SPDOP值下降了34.9%;GPS卫星SPDOP值下降了41.2%。最后利用7个区域监测站和3颗LEO卫星的实测数据分析了LEO卫星对导航卫星轨道精度的提升,GPS卫星轨道的外符合一维均方根(one-dimensional root mean square,1D RMS)由14.4 cm提高到10.2 cm,提高了29.1%;BDS的GEO卫星轨道重叠弧段1D RMS由359.8 cm提高到90.5 cm,提高了74.8%;IGSO卫星由175.6 cm提高到52.1 cm,提高了70.3%;MEO卫星由90.5 cm提高到30.4 cm,提高了66%。

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a＋b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5m。

GNSS单系统及多系统组合完好性分析

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的发展和完善为多星座融合定位、导航和授时提供了重要基础,也为接收机自主完好性监测提供了更有利的外部条件。首先通过星座仿真,分别计算了单频和双频条件下GNSS单系统及组合系统的保护水平;然后分析了全球范围内GNSS不同频率及不同组合方式条件下的保护水平的基本分布情况;最后探讨了在不同频率和组合方式条件下接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)在不同进近阶段的可用性。计算结果表明,单系统单频或双频组合均不能满足垂直制导航性能(localizer performance with vertical guidance 200ft,LPV-200)进近阶段的要求;双系统双频组合可满足LPV-200进近阶段的要求;三系统双频组合可满足具有垂直引导(approach with vertical guidance II,APV-II)的进近阶段的要求,但无法满足精密进近要求;四系统组合相比于三系统组合改善效果不明显。

北斗三号系统进展及性能预测——试验验证数据分析

2017年11月5日第一和第二颗北斗三号系统卫星发射升空,开启了中国北斗全球系统组网建设工程.为了验证北斗全球卫星导航系统的信号载荷和设计性能,2015至2016年间先后发射了五颗北斗三号试验卫星,较全面验证了北斗三号系统的性能.文章侧重描述北斗三号试验系统卫星钟、星间测距、时间同步和卫星定轨性能;详细分析了北斗三号民用信号的信噪比、伪距误差随高度角变化、多路径误差、空间信号综合质量、授时精度等;并与北斗二号系统相关性能进行了比较;最后基于现有试验卫星信号性能,预测了未来北斗全球系统的定位、导航和授时(PNT)性能.

一种使用抗差估计的保护水平重构方法

北斗全球卫星导航系统(简称北斗三号系统,BDS-3)的建设对拓展全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)的应用有重要作用,为多星座融合定位、导航和授时提供了重要支持。多系统融合定位给用户提供了更多的导航信息源,也为导航卫星系统完好性和用户自主完好性指标的实现提供了新的保障。然而多卫星组合的使用显著增加了观测冗余信息,由此提出一种基于抗差估计的保护水平重构方法,利用抗差估计方法及其参数验后信息,重新估计用户保护水平。利用GPS/BDS组合数据进行计算分析,实验结果表明,该方法可在保障特定要求定位精度的前提下,降低告警频率。

滑窗滤波和电离层二次时间差的周跳探测与修复

针对大磁暴条件对周跳探测的影响,该文联合电离层二次时间差以及基于宽巷组合的前后滑动窗口滤波方法进行周跳探测,采用优化的阈值设计算法,对探测出来的周跳立即修复得到实数解,而后取整得到整数周跳,并借鉴验后单位权中误差精度指标用于周跳修复准确性评价,该指标能够有效确保周跳修复的可靠性。实验结果表明,即使在大磁暴条件下,该算法依然能够实现对模拟周跳有效的探测与修复,并且无不敏感周跳。