声速剖面精简的有效面积算法

针对海洋大地基准网建立过程中,深海环境下水声定位声速数据量庞大、声线跟踪耗时长、效率低的问题,提出一种采用有效面积算法的声速剖面高效精简方法,通过计算声速曲线上相邻三点间的有效面积,设定比例系数搜索阈值,并将各数据点计算得到的面积值与阈值进行比对,来判断是否剔除数据点,实现声速剖面的高效精简。采用南海某海域的实测水声数据进行实验分析,结果表明,提出的方法对声速剖面的简化率可达到84%以上,声线跟踪效率提高6倍以上。并给出了方法中阈值系数的最优解,使定位误差控制在0.2 m以内,为声速剖面精简提供参考。

GNSS-A水下定位的动态非线性Gauss-Helmert模型及其抗差总体卡尔曼滤波算法

GNSS-声学组合式观测是确定海底控制点位置的重要手段,但会受到声速不确定性、海面平台定位偏差等误差因素的干扰,而基于误差传播定律的常规方法对各类误差的处理策略使得海底点坐标解算不准确。针对这一问题,本文将声速测距误差非时变项设为待解参数,在水下观测方程的系数矩阵中讨论声速测距误差时变项与换能器位置误差的影响,构建了GNSS-声学水下定位的动态非线性高斯-赫尔默特(Gauss-Helmert, GH)模型,并推导了该模型的总体卡尔曼滤波解。在此基础上,进一步考虑扩展后的观测信息受到粗差污染的情况,给出了模型的抗差处理方法及解算步骤。最后分别通过仿真试验和胶州湾海域实测试验进行了验证,试验结果表明,在不同深度或不同换能器位置误差大小的无粗差设定下,本文方法解算精度及稳定性较常规方法均更高;当观测信息含有粗差时,模型的抗差滤波算法能更准确地识别及定位异常信息,其三维点位精度明显更优,解算效果达到最佳。

海洋立体观测网建设与发展综述

高精度全球海洋立体观测网是空天地海一体化观测网的重要组成部分,是陆基观测网和空基观测网向海洋的重要延伸。本文系统介绍了海洋立体观测网的组成,即海洋时空基准网和海洋环境监测与感知网;详细梳理了核心装备,包括水下导航与定位装备、海洋地球物理环境探测装备、极区导航定位装备与大数据中心。面向我国经略海洋和海洋强国战略,应紧跟海底立体观测网的发展趋势,并加快其建设。

GNSS大网双差模型并行快速解算方法

针对GNSS大网数据采用双差模型解算时存在时效性差的问题,提出了一种改进的独立双差观测值构建与独立基线并行解算的方法,采用并行技术实现多核并行与网络多节点并行的双层自动快速解算策略。通过对约375个IGS站1周的观测数据进行处理,改进的独立双差观测值选取方法比传统路径最短方法所选的单天全网独立双差数据平均多了53万个,E、N、U方向坐标重复性平均提升了14.0%、12.9%和29.2%。采用不同解算策略的计算结果表明,4台普通计算机的并行计算比传统串行方案的计算效率提升了14倍左右,如375个测站采用改进观测值构建方法的4节点并行方案仅需要35.62min,显著提高了整网双差的解算效率。

GNSS/声学联合定位的自适应滤波算法

海底控制点布设是构建海洋时空基准的重要环节,而可靠的海洋基准定位模型及方法又是实现高精度海底控制点布设的前提和基础。应用广泛的走航船测量方式兼具灵活性和可控性,但载体异常扰动影响不可避免,易导致海底控制点联合定位模型解算失真。针对这一问题,本文提出一种基于自适应选权滤波的GNSS/声学联合解算方法。首先推导了统一海面及水下观测过程的GNSS/声学联合定位数学模型;然后研究了在联合模型的自适应滤波解算中对载体异常扰动的判别标准,给出了各状态参数自适应因子的构造方法;最后通过仿真和实测数据进行了试验验证。结果表明:引入自适应滤波算法后,能有效改善状态扰动对GNSS/声学联合定位的异常影响,提升其定位稳定性及定位精度;当分别对各类状态参数的自适应因子进行合理构造后,滤波效果可达最佳。

基于GPT2w模型化加权平均温度反演可降水量

提出一种基于GPT2w模型化加权平均温度反演大气可降水量的方法,并分析附加系统偏差改正的模型化加权平均温度对可降水量的影响。结果表明,基于GPT2w模型化加权平均温度反演的大气可降水量的精度与基于Bevis公式计算的加权平均温度反演的大气可降水量的精度相当;对GPT2w模型化加权平均温度进行系统偏差改正后,大气可降水量的精度有一定改善,但改善率不到1%。

应用抗差估计SITAN算法的水下重力匹配导航方法

水下重力场匹配导航的SITAN算法综合了扩展卡尔曼滤波技术和地形随机线性化技术,具有实时性好、可操作性强等特点。针对其在粗差探测方面的不足,引入抗差估计方法,通过设置调节因子,降低了异常点状态矩阵和增益矩阵等对下一位置点的影响,来改善导航位置精度,增强可靠性。仿真试验结果表明,采用一般SITAN算法的水下重力匹配导航位置精度均值为2~3 n mile,引入抗差方法后,导航位置精度保持在1 n mile以内,精度水平提升50%以上。抗差估计方法用于水下重力匹配导航,具有较好的精度改善作用。

一种改进的LLL模糊度规约算法

整周模糊度的高效解算是GNSS高精度数据处理中的关键,基于格论进行GNSS模糊度估计时需要通过格基规约来实现最优整周模糊度向量的快速搜索。针对高维情况下常规LLL规约算法辅助整周模糊度解算存在规约耗时较长和规约性能有限的问题,引入最小列旋转QR分解技术对基向量进行预排序,采用延后尺度规约和部分尺度规约来减少规约过程中的冗余尺度规约,以改善LLL算法的执行效果。分别通过模拟和实测数据进行实验,结果表明:改进后的LLL算法可以明显降低格基规约耗时,实测环境下其规约效率相比于传统方法提高了约10倍,且能够保证较好的规约性能,从而有效提升高维模糊度的解算效率。

GPS/BDS/Galileo相位平滑伪距单点定位性能分析

为了提高GNSS测码伪距观测值的精度,对比分析GPS、BDS、Galileo系统的单点定位性能:给出双频载波相位平滑伪距的原理及其递推公式,并分析伪距平滑前后单点定位的收敛速度和定位精度。实验结果表明:经平滑后,单点定位的收敛速度加快;在N、E、U 3个方向中,N方向的收敛性能提升最为明显;伪距平滑能显著提高单点定位的精度。

基于设计模式的GNSS数据解算软件GNSSer的设计与开发

采用C#语言,在.NET 4.5框架下,利用6种设计原则和6种设计模式解决GNSS数据处理软件开发中反复出现的问题,开发GNSS分布式数据处理软件GNSSer,达到统一与打破GNSS数据处理中面向对象方法在分析、设计和实现之间壁垒的目的,具有易维护、易扩展、易复用和灵活多样的特点。

高精度海底大地控制网建立方法分析与比较

海底大地测量控制网是陆基大地控制网在海底的自然延伸,是空间数据基础设施的重要组成部分。本文从作业方式、数学模型、测距误差、定位精度等方面比较了圆心法、非差法和历元间单差法建立海底大地控制网的异同。结果表明:圆心法须事先测定海底应答器阵列的几何结构,且仅能获得几何中心水平分量的高精度坐标;非差法可以获得控制点高精度的水平分量坐标,但高程分量精度较差;历元间单差法可以同时获得高精度的水平分量和高程分量坐标,并与航迹线、声学测距精度、GNSS动态定位精度等密切相关。最后,面对CGCS 2000向海底延伸的任务需求,为建立我国高精度永久性的海底大地控制网,提出了提高海底控制点精度的改进措施。

大型GNSS观测网的并行计算

CGCS2000精化及其全球拓展需要采用最新的模型,处理长期积累的大型GNSS观测网数据,大型GNSS网联合、快速和协同解算是空间基准精化、维持与服务的重要技术方向。在大数据技术背景下,以并行计算、云计算为代表的高性能计算技术逐渐成为大规模数据处理的首选方法。针对海量、多源、异构GNSS数据在解算处理与平差分析等方面面临的挑战,阐述了大型GNSS观测网质量控制并行计算、非差模型并行解算、双差模型并行解算、高维模糊度并行搜索固定等方法。介绍了可同时处理上千个观测站的大型GNSS观测网并行计算软件GNSSer,开展了CGCS2000精化计算的试验与验证。构建了一套适合并行计算的大型GNSS观测网解算方法,实现了CGCS2000精化及其全球拓展的多节点协同并行计算的创新。

基于方差分量估计的多模GNSS/声学联合定位方法

由于海洋环境的特殊性,现阶段通常采用卫星定位与声脉冲测距相结合的方式建立海洋大地测量控制网。针对BDS/声学联合定位海底点时存在收敛慢、精度受限等问题,提出融合BDS、GPS、Galileo多系统观测数据的多模GNSS/声学联合定位方法,并进一步引入Helmert方差分量估计,以改善因随机模型不准确而影响融合定位性能的情况。采用海上实测数据和模拟水下测距数据进行了实验验证,结果表明:较之单BDS/声学定位模式,多模GNSS观测数据的加入可以加速组合滤波收敛,提高定位精度和稳定性;引入Helmert方差分量估计精化随机模型后,双系统模式下三维点位误差RMS值约为0.2m,三系统模式下三维点位误差RMS值约为0.1m,联合定位性能得到进一步提升。

GNSS/声学系统定位精度影响因素分析

在建立海洋大地测量控制网的过程中,通常采用GNSS/声学结合定位的方式确定海底控制点位置。本文从船载动态定位、测船航迹及航迹点个数、水下声学定位、应答器阵列性能等方面对影响GNSS/声学系统定位精度的因素进行了详细讨论,并通过设计仿真试验进行了定量验证。试验模拟了圆阵列形式布设的控制点,采用海上GNSS实测数据和模拟水下测距数据,分别分析了系统在3类主要因素影响下的定位效果。结果表明,提高船载GNSS动态定位精度、适当增加航迹点和数据观测量、设计合理的应答器阵列构型可以削弱误差影响,得到更准确的定位结果。

不同作业模式下的GNSS/声学联合定位模型

为弥补目前全球卫星导航系统(GNSS)/声学联合解算研究中的不足,提出1种海底控制点布设的联合定位模型:给出观测过程统一并顾及基准转换的GNSS/声学联合定位原理,并在不同作业距离、不同应答器数量条件下,推导出联合模型相应的数学模型;最后以分层等梯度声速跟踪终点位置为参考,通过实测数据进行验证。结果表明,当水下观测数据质量及数量受限时,较之传统多步求解法,联合定位法能得到更高的定位精度。

模糊度解算中不同策略与算法的搜索效率分析

整周模糊度快速搜索是GNSS整数最小二乘模糊度估计的关键环节。文中介绍了FP、VB和SE-VB这3种模糊度搜索策略及相应算法,在分析其原理和特点的基础上对比了各类算法的异同,并给出了常规搜索算法的改进策略。分别采用模拟和实测数据对不同搜索策略下算法的执行效率进行了验证和比较。实验结果表明:VB和SE-VB搜索策略均优于FP策略,基于SE-VB策略的AEVZ搜索算法最为高效,其次为M-SE算法和M-VB算法;模拟高维环境下3种算法的搜索效率分别比LAMBDA算法平均快10倍、8倍和3倍,AEVZ算法在实测环境下的搜索效率分别比LAMBDA算法和MLAMBDA算法平均快8倍和5倍;通过对SE-VB策略下MLAMBDA算法计算流程进行优化能够进一步提高搜索性能,其改进后的搜索效率与AEVZ算法相当。

基于RegEM算法的GPS坐标时间序列插值应用分析

将一种基于数据驱动的RegEM算法引入GPS坐标时间序列插值中,分别采用模拟不同比例连续缺失数据与实测含缺失数据,比较RegEM与拉格朗日方法、三次样条方法、正交多项式方法的插值效果与性能。结果表明,对于模拟不同比例连续缺失数据,RegEM算法插值效果均优于传统方法,且在大量数据连续缺失的情况下效果最优;对于实测含缺失数据,RegEM方法插值所得序列保留方差最大化效果最好,约为正交多项式方法的1.17倍、三次样条方法的1.38倍。

一种全面的CORS性能测试方法

连续运行基准(参考)站(CORS)系统的性能测试至关重要,其指标直接决定了所提供服务的精度、可用性和可靠性.基于CORS数据处理实践,建立了一种全面的CORS网数据质量检验与性能测试方法,该方法综合利用GAMIT、TEQC等软件,引入数据完整性、周跳比、多路径、静态和动态定位精度、系统可靠性、时间可用性、空间可用性等性能指标,分别进行服务端与用户端的性能测试.实验选取了跨度一年的郑州CORS(ZZCORS)数据和多天的静态、动态实测数据,结果表明:在服务端,基准站的数据质量较好且位置精度较高,但个别基准站垂直方向沉降较大;在用户端,郑州市区大部分范围内的空间可用性较好,可以满足用户不同精度的定位需求.

顾及三维方向的GNSS坐标时间序列粗差探测方法

针对GNSS坐标时间序列中粗差为三维位置粗差的特点,提出综合三维坐标的迭代最小二乘粗差探测方法。通过实验模拟数据,分别利用3倍中误差(3σ)准则和四分位距(interquartile range,IQR)准则对单方向和综合N、E、U三方向的粗差进行探测。结果表明,2种判别准则中,综合考虑3个方向的探测效果远好于单方向的探测效果,且探测效率均超过95%;3σ准则的探测效率稍高于IQR准则,但误判率也较高。在实测数据中的应用表明,SOPAC(Scrips Orbit and Permanent Array Center)提供的部分raw类型全球IGS站时间序列中粗差占0.1%~4.7%;运用IQR准则综合3个方向的粗差探测得到的时间序列要比cleaned trend类型更加干净。

改进的半参数模型法在GNSS时间序列季节性信号提取中的应用

GNSS基准站坐标时间序列具有明显的季节性变化。基于谐波函数模型的最小二乘拟合方法只能得到固定振幅的季节性信号,而真实的季节性信号其振幅是变化的。采用半参数模型进行季节性信号提取时又存在最优平滑因子确定困难、迭代速度慢的问题。提出一种赋相对权比的半参数模型,采用迭代更快速的黄金分割法与改进效率法相结合的策略确定最优平滑因子。通过模拟数据实验,验证了改进模型的可用性。实验表明:改进方法的计算效率明显提高,对于10 a长度的模拟数据,相较GCV函数法搜索速度提高68.1%,相较L-曲线法速度提高25.8%;计算精度较最小二乘法和半参数模型法均有提高,所得残差中没有明显的季节性信号。