构建中国时空体系保障时空信息安全服务的探讨

为保障时空信息的高可信、高安全和自主可控,对保障时空信息安全服务进行研究:提出一种通信导航融合的时空网络体系;并探讨构建中国时空系统的架构。研究结果表明,通过中国时空网络实现通信即增强的时空服务,既可以为用户提供高精度、高可信的时空服务,又能够保障国家时空信息的安全。

不同电离层改正的PPP时间传递性能评估

为了进一步验证全球卫星导航系统(GNSS)电离层参数化模型及不同精度电离层改正产品在非差非组合精密单点定位(PPP)时间传递中的应用效果,提出一种不同电离层改正的PPP时间传递性能评估方法:分析比较无电离层组合PPP(IF-PPP)和非差非组合PPP(UDUC-PPP)时间传递模型与接收机钟差参数的差异;然后基于2020年年积日第11—31天欧洲永久跟踪站网数据进行实测数据验证,并选择其中202个跟踪站构建区域电离层格网图(RIM),比较全球电离层格网图(GIM)非差非组合PPP(GIM-PPP)及区域电离层格网图非差非组合PPP(RIM-PPP),基于5个外接氢钟的欧洲永久跟踪站网接收机实现进一步的PPP时间传递性能分析。结果表明,与传统IF-PPP模型相比,GIM-PPP和RIM-PPP模型PPP单向授时精度分别平均提高24%、44%,对于时间传递,IF-PPP、GIM-PPP和RIM-PPP模型重叠阿伦(Allan)方差百秒稳和千秒稳分别为9.36×10^(-14)、7.88×10^(-14)、5.11×10^(-14)和1.98×10^(-14)、1.78×10^(-14)、1.24×10^(-14);表明UDUC-PPP模型时间传递稳定性明显优于IF-PPP模型,而得益于高精度电离层模型,RIM-PPP可进一步提升GIM-PPP时间传递稳定性。

CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析

为了进一步提高当前风云三号系列卫星(FY3C)以及张衡一号电磁监测试验卫星(CSES)等具备北斗卫星导航系统(BDS)及全球定位系统(GPS)无线电掩星(RO)观测能力的低轨卫星所得电离层峰值参数的反演精度,提出一种以数字测高仪探测数据为参考,采用多种时空匹配窗口对掩星反演结果进行电离层特征参数验证分析的方法:实验结合2018-7-20—2018-8-20共计20551次掩星事件,及6094个数字测高仪观测电子密度廓线数据,从峰值密度、峰值高度及临界频率等多方面对FY3C与CSES卫星掩星观测进行对比分析;同时为避免由于不同观测数据时空不一致引入的差异,分析不同时空匹配窗口对掩星与数字测高仪观测结果比对的影响。结果表明:低轨卫星掩星所得峰值参数与数字测高仪观测资料在不同匹配准则下的比较结果存在差异;当空间(时间)窗口不变时,随着时间(空间)窗口增大,无论是低轨卫星掩星同数字测高仪探测数据的比较,还是低轨卫星自身之间的比较,其电离层峰值参数数据匹配的相关性(一致性)都将下降,进而导致相关系数与拟合精度的减小;在相同的时空匹配窗口中,CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强,而电离层峰值高度相关性较弱;CSES卫星更适合于低纬地区低高度与中高纬地区低中高度的电离层掩星探测,而FY3C卫星则适合于低纬地区中高高度与中高纬地区高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

大规模基准站组网与分区服务技术探讨

讨论通过共享相邻子CORS间的部分基准站,以消除"服务缝隙"的方法。为实现大规模子CORS的广播数据服务,需要将子CORS进行子网划分,引入FCM算法获得各三角形属于各分区的隶属度,同时通过建立三叉树,管理各分区的拓扑结构。实验结果表明,应用该方法能够获得紧密、连续的子网划分,同时各子网内基线数目略低于限值。

北斗时代下的“导航学”教学实践与人才培养

导航是一门古老而又现代的技术,随着卫星导航技术的发展,尤其是2020年我国北斗三号卫星导航系统的正式建成开通,融合天文、物理、电子学、大地测量、地理信息系统等专业内容的导航学不断丰富完善。武汉大学开设的导航工程专业于2021年通过国家工程教育认证。本文结合导航工程专业核心课程《导航学》的讲授与实践,通过对当前导航学科人才培养中面临的主要问题总结分析,从学生基本能力训练、创新能力挖掘到复合型人才培养等方面探讨了课程教学思路,以期解决与改进《导航学》教学实践与人才培养中存在的相关问题。

GPS/BDS混合双差分RTK定位方法及结果分析

提出一种单/双频GPS/BDS双系统融合的混合双差分RTK处理办法,推导出GPS/BDS混合双差分模型,并给出模型中不同系统观测值之间的时延偏差不一致、观测频率不一致问题的解决方法。与目前的标准双差方法相比,混合双差方法增加了一颗卫星的观测方程,其观测信息利用更为充分。推导结果表明,当截止高度角为50°时,对于单/双频RTK,模糊度固定正确率分别从47.96%和82.16%提高到61.86%和85.75%,同时模糊度固定的错误拒绝率分别从56.23%和7.46%降低到43.61%和1.85%。

移动互联网时代导航与定位技术学科教学探讨

以全球卫星导航系统GNSS为代表的导航与定位技术已成为各国科技领域制高点,同时也成为下一个信息产业新兴风口之一。我国应抓住这一机遇,大力推进导航与定位学科的发展,为培养大量高精尖专业人才,争夺导航与定位国际市场奠定良好基础。另一方面,随着移动互联的迅速普及,不仅为导航与位置服务提供了新的技术手段,也对导航与定位提出了新的需求。本文针对“导航理论与方法”课程中的主要内容和典型问题,结合移动互联网发展,探讨了改进措施与实施方法。

雾定位及其应用研究

全球卫星导航系统(GNSS)的发展促进了基于位置服务(LBS)的迅速普及,人们对高可靠、高可信、高精度定位、导航、授时(PNT)服务需求日益迫切.PNT是一个融合多类技术、包括多级系统的体系架构.围绕PNT服务体系优化,国内外学者相继提出了全源导航定位(All source positioning and navigation)、弹性PNT(Resilient PNT)、云定位(Cloud Positioning)等新的架构和技术体系.本文提出以具备通信、计算、存储、定位、感知等能力的异构定位资源为基础设施,通过智能管理与调度分布在不同地理位置的异构定位资源实现用户高可靠、高可信、高精度的PNT信息服务.并由此给出了雾定位(Fog Positioning)与泛源导航定位(Omnipresent Positioning and Navigation)的定义,指出雾定位的定义由分布式计算架构演化而来,强调构成PNT服务体系的架构;而泛源导航定位的概念是从定位技术的发展演化而来,强调利用可获取的泛在导航定位数据源进行协同融合处理,实现泛在定位的能力.在此基础上,通过与云定位比较,指出雾定位是云定位向用户端的延伸,是定位资源的泛在化实现,同时雾是一种动态的、弹性的云,因此雾定位是一种具备“弹性”性能的PNT架构.而泛在定位是PNT信息服务发展重要目标,雾定位给出了实现这一目标的潜在手段,即泛源导航定位.最后,结合城市环境、室内环境等复杂场景,研究了雾定位/泛源导航定位的基本服务模式.

广域实时精密定位与时间服务系统

广域实时精密定位与时间服务已成为GNSS应用领域研究热点,目前国内外学者围绕其模型算法已展开大量的研究。本文重点论述广域实时精密定位与时间服务数据的处理方法和服务系统,给出了基于不同基准约束的卫星钟差解算数学模型,提出通过引入外接原子钟测站、标准时间源(UTC/BDT)等不同时间基准,构建卫星拟稳基准、外接原子钟跟踪站拟稳基准及标准时间源等约束下的钟差解算模型,分析了时间基准对精密单点定位和精密单点授时的影响。本文采用实时卫星轨道、钟差、相位偏差、电离层延迟等服务产品及跟踪站实时数据,验证了系统产品可靠性及终端定位与时间服务性能。实测结果表明:GPS轨道径向精度1.8 cm,钟差STD精度约0.05 ns;BDS-3轨道径向精度6.7 cm,钟差STD精度优于0.1 ns;GPS和BDS-2电离层改正精度分别为0.74 TECU与1.03 TECU。基于该产品实现了用户端PPP、PPP-RTK及PPT、PPT-RTK服务,满足了用户实时厘米级定位和优于0.5 ns的单站时间传递服务,当采用GPS+BDS-2 PPP-RTK解算时,平面收敛至5 cm约需要12 min。

北斗三号卫星导航信号接收机端伪距偏差建模与验证

接收机端伪距偏差是指非理想的卫星导航信号在接收机前端带宽和相关器间隔不同时产生的伪距测量系统性偏差。研究表明,北斗二号、GPS和Galileo系统均存在与接收机类型相关的伪距偏差,影响基于混合类型接收机站网的精密数据处理。本文基于iGMAS网和MGEX网观测数据,采用MW组合、伪距残差和伪距无几何距离无电离层组合3种方法分析北斗三号接收机端伪距偏差特性。试验结果表明,北斗三号同样存在与接收机类型相关的伪距偏差,且无电离层组合的伪距偏差可以达到6 ns。根据偏差特性,按接收机类型建立了8类伪距偏差改正模型。将上述模型应用于卫星差分码偏差(DCB)估计与单频伪距单点定位,结果表明,模型改正后可以显著提升不同接收机类型估计的卫星DCB一致性,其中基于iGMAS网和MGEX网两个不同接收机站网估计得到的北斗三号C2I-C6I、C1P-C5P和C2I-C7D DCB差值分别平均降低了91.6%、64.7%和71.9%;模型改正后单频伪距单点定位水平方向和高程方向精度分别提升了13.9%和11.0%。

大众智能手机精密定位与结果分析

随着移动互联网的发展与智能手机的普及,大众用户对高精度位置服务的需求日益增加。目前Google公司Android操作系统已开放GNSS原始观测值接口,采用智能手机实现传统适用于专业设备的PPP、RTK等高精度定位成为可能,因此采用原始观测值进行智能手机高精度定位成为研究热点。本文基于协同精密定位服务平台提供的实时轨道、实时钟差与电离层产品信息,实现了智能手机的PPP高精度定位处理。通过实测验证表明:在理想观测条件下,主流智能手机小米8与华为P10实现PPP定位精度水平优于1 m,相对标准伪距单点定位精度分别提高36%和47%。

GNSS精密时频接收机时钟调控模型与参数设计方法

实时精密单点定位(real time precisepoint positioning,RT-PPP)技术可实现亚纳秒级、天稳定度达到1×10^(-14)量级的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)单向授时。时钟调控直接影响输出时频信号的稳定度性能,但调控参数不合适时将破坏振荡器的短期稳定度。面向振荡器短期稳定度和RT-PPP长期稳定度最优组合,构建了RT-PPP时频接收机的锁相环时钟调控模型,分析了调控系统噪声,提出了一种二阶锁相环调控参数设计方法。利用RT-PPP时频接收机对所提出的调控模型和参数设计方法进行了实测验证,结果表明,利用所设计的时钟调控模型和参数,RT-PPP时频接收机的频率稳定度可达秒稳4.3444×10^(-12),天稳1.1029×10^(-14),在时间间隔小于300s时与铷钟自由振荡稳定度基本一致,大于300s时与RT-PPP稳定度基本一致,能很好地组合振荡器短期稳定度和RT-PPP长期稳定度优势。

面向城市车载导航的多系统PPP-RTK/VIO半紧组合算法性能分析

PPP-RTK(precise point positioning real time kinematic)是一种具有潜力的定位技术,它既避免了RTK(real time kinematic)覆盖范围受限的缺陷,又解决了PPP(precise point positioning)收敛速度慢的问题。但在城市复杂环境下,由于信号遮挡严重,PPP-RTK无法实现高精度连续定位。惯性导航(inertial navigation system,INS)和视觉导航能提供连续的定位信息,但存在误差漂移,由此提出多系统PPP-RTK/VIO(visual inertial odometry)半紧组合算法,并在武汉大学校园内采集车载数据进行验证。实验结果显示,多系统PPPRTK/VIO半紧组合在定位表现上相比于GPS(global positioning system)+BDS(BeiDou navigation satellite system),PPP-RTK能带来超过30%的精度提升,达到平面0.58 m,高程1.12 m。多系统PPP-RTK/VIO半紧组合的测速和姿态估计性能也较好,测速精度在北向、东向和地向分别达到0.04 m/s、0.04 m/s和0.02 m/s,横滚角、俯仰角和航向角估计精度分别达到0.10°、0.06°和0.17°。

云定位技术及云定位服务平台

传统的基于行业用户需求而建立的集中式高精度导航定位服务模式在可靠性、可扩展性以及服务多样性等方面已无法满足大众用户的精密定位需求。结合云平台技术,提出了云定位的概念,通过综合管理和整合各类定位资源,实现多种定位手段的资源共享、技术融合和优化配置。给出了云定位的架构图,并讨论了GNSS网络RTK,GNSS广域精密定位,Wi-Fi定位,通信基站定位等多种手段在定位云上的综合和服务实现。云定位在可扩展性、可靠性、系统维护成本以及用户使用灵活性等方面都具有传统的精密定位服务模式所无法比拟的优势;通过云定位,用户不仅可以获取各类精密定位服务,还能实现多种定位资源的优化配置,定制个性化的应用;为精密导航定位的大众化普及提供有效的商业模式和技术途径。

北斗卫星伪距码偏差特性及其影响分析

在北斗导航卫星伪距码偏差特性分析的基础上,建立了倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和中轨卫星(MEO)的伪距码偏差多项式改正模型;并利用星间单差宽巷小数周一致性,分析建立北斗地球同步轨道卫星(GEO)卫星伪距码偏差改正模型。采用武汉大学北斗试验网、中国陆态网络和MGEX网不同位置、不同类型接收机观测数据进行分析验证,结果表明,北斗卫星伪距码偏差特性与观测值频率、卫星类型相关,所有GEO和IGSO卫星变化规律相同,所有MEO卫星变化规律相同,与接收机类型、测站位置和观测时间无关,偏差值大小随卫星高度角变化,其变化规律稳定,可以采用建立的两类改正模型(GEO/IGSO和MEO)进行修正。通过偏差修正后的伪距无电离层组合的残差、双频SPP以及单频PPP三个方面验证了伪距码偏差改正模型的正确性。

基于PPP动态定位技术的同震地表形变分析

利用PPP动态定位技术对地震时期的GPS观测数据进行处理,获得了各测站瞬时的地震地表形变信息。为了削弱PPP定位结果中残留的具有时空相关性的系统误差,采用空间叠加法和恒星日滤波法对PPP定位结果进行了后处理。为了验证两种方法在地震形变监测处理中的有效性,分别对美国圣西蒙地震和汶川地震的GPS观测数据进行了分析,实验结果表明,两种方法均能有效地削弱PPP动态定位中残留的系统误差,从而能更准确地提取地震形变信息。

QZSS系统在中国区域增强服务性能评估与分析

日本准天顶卫星系统(QZSS)是区域性辅助与区域增强一体的导航系统,覆盖区域为日本及周边区域,包括我国部分区域,该系统采用IGSO卫星播发L1-SAIF与LEX两类增强信息,可以提供我国部分区域用户的高精度定位。本文从可用性、空间信号精度、用户动态精密单点定位几个方面对QZSS两类增强信号在中国区域的性能进行较为全面的评估,并采用QZS-1卫星实测数据进行实验,结果表明,以20°为截止高度角,中国大部分区域,尤其是东部沿海地区一天之内80%的时段可连续观测QZSS卫星;L1-SAIF差分增强信息可实现与目前WAAS相当的精度,URE约0.56m,满足1m左右的精密单点定位,平面精度优于1m;与L1-SAIF相比,LEX精度更高,轨道与钟差精度可达dm级,URE约0.4m,可实现亚m级定位,平面0.2m,高程0.5m。

顾及电离层改正精度信息的高精度单频单点定位方法研究

提出了将电离层改正量作为虚拟观测值,参数估计随机模型顾及电离层改正量先验信息的高精度单频单点定位新方法,并推导出该方法的数学模型。实测数据解算定位结果表明,新方法能够实现中国高、中、低纬区域的无初始化高精度单频单点定位,其平面精度为0.1-0.2 m,高程精度为0.3-0.5 m。

不同纬度区域电离层增强PPP-RTK性能分析

收敛速度慢一直是限制精密单点定位(precise point positioning,PPP)发展的重要因素。研究表明,通过高精度电离层延迟改正,进而实现精密单点定位实时动态(PPP-real time kinematic,PPP-RTK),可显著提升PPP的收敛速度。目前区域PPP-RTK中电离层主要采用单星多项式电离层模型(satellite-based ionospheric model with polynomial function,SIM_POLY)与单星电离层延迟反距离内插模型(satellite-based ionospheric model with inverse distance weight function,SIM_IDW)进行建模。为了检验上述两种模型在不同纬度的建模精度,对中国广东、湖北及河北3个省上空电离层延迟进行建模,并将其应用于单/双系统、浮点解及固定解中,分析其定位性能。实验结果表明,在低纬度区域,SIM_IDW模型表现略优于SIM_POLY模型,中高纬度区域则并无显著差异。浮点解PPP中,将SIM_IDW模型及SIM_POLY模型改正下的结果与无电离层组合PPP(ionosphere-free combination PPP,IFPPP)及欧洲定轨中心(Centre for Orbit Determination in Europe,CODE)的全球电离层格网(global ionospheric map,GIM)改正下的非差非组合结果进行比较,发现区域电离层模型改正下的PPP定位效果更好;与湖北省及广东省定位结果相比,河北省数据收敛速度最快,单GPS解算模式下采用SIM_IDW及SIM_POLY模型改正下的定位精度相较于IFPPP分别提升了43.7%和43.0%。固定解PPP中,河北省GPS+北斗解算模式下SIM_IDW、SIM_POLY模型改正下的PPP-RTK首个历元模糊度固定成功率分别可达86.09%和89.13%,且水平方向定位精度首个历元收敛至5 cm,高程方向定位精度1.5 min内收敛至10 cm;定位精度方面,在引入北斗系统之后,双系统PPP-RTK相较于单GPS有明显提升,河北省GPS+北斗解算模式下SIM_IDW、SIM_POLY模型改正下的PPP-RTK水平及三维定位精度分别为1.3 cm和3.5 cm。通过SIM_IDW及SIM_POLY模型建立区域电离层模型进而实现PPP-RTK,可以显著缩短PPP收敛时间,提高定位精度。

GNSS PPP/INS紧组合定位测速性能分析

针对动态高精度定位测速的问题,该文对卫星导航与惯性导航系统的数学模型进行研究,采用扩展卡尔曼滤波的处理方法,实现了GNSS PPP/INS紧组合的定位测速算法。利用实测数据验证本文实现的紧组合算法,并对BDS、GPS与GPS+BDS单频、双频观测值与INS紧组合的定位性能进行分析。结果表明:GNSS PPP/INS紧组合定位测速精度在动态开阔环境下优于PPP定位测速精度,对定位结果有1%~70%不同程度的改善,对测速结果则有一个量级的提升,平面测速精度在1(cm·s-1)左右,高程测速精度达到亚厘米级。