GPS/BDS组合导航系统的精密单点定位模型

为了改善单卫星导航系统由于卫星数量较少,导致定位误差高的问题,设计全球定位系统(GPS)/北斗卫星导航系统(BDS)组合导航系统的精密单点定位模型:线性组合处理GPS与BDS的伪距和载波相位观测值,并构建GPS/BDS组合导航系统的组合观测值;接下来利用协方差成形自适应卡尔曼滤波方法,对组合导航系统导航过程中的卫星钟差、电离层延迟等误差实施滤波;再利用滤波处理后组合导航系统的广播星历,获取卫星轨道以及钟差;然后利用经验模型修正对流层延迟,获取相位观测值与伪距的综合改正数;最后利用综合改正数修正组合导航系统的观测方程,构建精密单点定位模型。实验结果表明,GPS/BDS组合导航系统采用所构建模型进行精密单点定位,不同方向定位误差均低于10 cm,证明了提出模型的有效性。

地基BDS/GNSS水汽监测在水利领域的研究进展与展望

地球上几乎所有的水汽都集中在对流层,水汽含量对全球气温、降水等气象要素都有很大的影响,在一定程度上可以影响地球气候变化,在全球范围内调节热量平衡.对对流层水汽监测、水资源管理、极端天气预警和气候变化研究等具有十分重要的作用.在北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)/GNSS技术持续发展和完善的过程中,BDS/GNSS大气可降水量反演(precipitable water vapor,PWV)逐渐成为一种新型的水汽探测技术,相较于传统水汽探测技术可实现对水汽高精度、近实时的监测.本文对BDS/GNSS PWV反演的发展历程及研究现状进行了系统地综述,阐明其反演原理与方法,主要从高精度水汽监测、降水短临预报、气候变化及旱涝监测方面分析地基BDS/GNSS水汽监测在水利领域中的应用与发展方向.

基于BDS的建筑物沉降监测与分析

将北斗卫星导航系统(BDS)应用于变形体变形监测中,以评估BDS在施工干扰下的变形监测性能具有重要示范意义。本文通过BDS采集建筑物在施工期及工后期的变形数据,针对监测数据呈现的波动性与随机性特征,首先,使用改进小波阈值函数方法进行降噪处理;其次,对比BDS降噪处理后的数据与水准监测数据;最后,预测建筑物最终沉降量。实测BDS建筑物监测数据并进行处理,结果表明,施工期受多种因素干扰,BDS监测数据中包含大量噪声,本文提出的改进小波阈值函数降噪法能够有效剔除BDS监测数据中的噪声,降噪后数据与水准数据平均相对误差低于10.9%;采用抛物线模型对降噪后数据进行预测,得到当沉降稳定时的最终沉降量范围为-53.43 mm~55.26 mm。本文通过对BDS监测数据进行处理,实现对建筑物沉降变形的有效预测,验证了BDS在施工干扰环境下仍然具备良好的性能。

不同采样周期下BDS GNSS精密单点定位验潮精度分析

利用海上移动平台搭载GNSS接收机采集观测数据,开展全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)精密单点定位(precise point positioning,PPP)采样周期对验潮精度影响的研究。以30 s、60 s、90 s和120 s为周期抽取成四个数据集,用Trip软件进行动态处理,获取每个测量历元坐标,比较各采样周期下两台接收机潮位测量结果,以标准差作为精度评价指标。研究结果表明,采样周期越短,PPP验潮精度越高,当采样周期缩短至60 s后,变化不再明显;采样周期从120 s逐级递减至90 s、60 s和30 s,精度分别提升63.0%、60.4%和10.0%。另外,对比了BDS GPS GLONASS三系统组合和GPS GLONASS双系统组合GNSS PPP在验潮精度上的差异,结果显示,在30 s、60 s、90 s、120 s采样周期下,三系统较双系统PPP在验潮精度上分别提升了88.9%、90.4%、78.7%和44.7%。

基于长基线的BDS精密星历精度对比分析

为对比分析欧洲定轨中心(CODE)、德国地学研究中心(GFZ)与武汉大学(WHU)3种北斗卫星导航系统(BDS)精密星历精度及BDS地球静止轨道(GEO)卫星精度影响,本文选取亚洲和欧洲区域多模全球导航定位系统(GNSS)实验跟踪网(MGEX)测站,从基线结果可靠性、内符合精度、外符合精度3个方面对比分析。结果表明:3种精密星历BDS基线约束固定解NRMS值均小于0.3,说明基线结果精度可靠;BDS基线各分量固定误差均在1 cm以内,比例误差优于9×10^(-9)。亚洲区域,CODE内、外符合精度最高,以GPS基线结果为外部参考,基线平均3D误差为5.13cm;欧洲区域,三种精密星历精度一致,且BDS内符合精度优于GPS,基线平均3D误差为1.90cm左右。亚洲区域禁用BDS GEO卫星后,GFZ与WHU BDS基线水平与垂直分量内符合精度分别平均提高约26.3%、23.9%,外符合精度分别提高约39.1%、51.0%。BDS数据高精度处理时,根据区域选择精密星历并禁用GEO卫星。

姿态四元数产品对BDS PPP的影响研究

为解决低太阳高度角卫星姿态异常时期用户端与服务端数据处理姿态模型不一致的问题,国际卫星导航服务组织(IGS)推出了卫星姿态四元数产品。本文介绍了北斗卫星导航系统(BDS)卫星的姿态控制模式及卫星姿态四元数的使用方法,比较了不同分析中心的BDS卫星姿态四元数产品差异;以武汉大学分析中心(WUM)提供的姿态产品为例,研究了BDS卫星在不同偏航控制模式下应用姿态四元数产品对精密单点定位(PPP)的影响。研究表明,动偏期和零偏期不同分析中心BDS姿态四元数产品差异较小(偏航角差异不足0.01°),连续动偏期不同分析中心的BDS姿态产品呈现出10°以内的偏航角差异。零偏期内名义姿态与姿态产品差异大(180°)且持续时间长(1~2个星期),应用姿态产品后可使PPP定位精度提高20%~60%;连续动偏期内,极低太阳高度角情形下(持续1 d左右),同轨道面多颗卫星的名义姿态陆续发生反向偏航,此时应用姿态四元数产品可使PPP定位精度提高30%。总之,低太阳高度角时期应用卫星姿态四元数进行PPP可得到较使用名义姿态精度更优的、接近正常精度水平的结果。

GPS/Galileo/BDS三系统全频率PPP-AR性能分析

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.

基于BDS的航空器追踪监控系统

为解决全球航班追踪监控所面临的难题,利用北斗卫星导航系统(BDS)的定位与短报文通信功能,设计了一套基于BDS的航空追踪监控系统.通过在飞机上加装具备定位和通信功能的机载北斗设备,将实时解算的飞机BDS位置信息和通过机载总线获取的飞机航班号、燃油量等重要参数信息,按照设计的协议周期性自动向布设在地面的接收系统发送追踪监控信息,实现从位置源、通信链路到地面系统完全自主可控的全球航班追踪监控系统.系统装机后开展了飞行试验,以北斗区域短报文数据接收成功率为指标,分析了飞行阶段对追踪监控性能的影响,结果表明在飞行状态下通信成功率符合预期.此外,对机载设备存储的BDS与GPS定位数据进行了对比,结果表明BDS航迹和GPS航迹具有良好的一致性.设计的系统已交付国内航空公司用户,且已服务于日常航班追踪监控.

多普勒积分辅助BDS三频周跳探测

针对单频多普勒积分对低采样率数据周跳探测精度较低的问题,提出一种基于北斗卫星导航系统(BDS)三频观测数据的多普勒积分辅助伪距相位组合的周跳探测方法:利用多普勒积分计算历元间伪距变化量,大大减弱多路径效应的影响;并通过选择最优的三频组合系数构造宽巷相位和窄巷伪距组合周跳检测量,提高多普勒积分对低采样率数据的周跳探测精度。实验结果表明,提出的组合方法可以弥补各自的周跳探测盲点,对于不同采样率数据,不仅能有效探测和修复大小周跳、连续周跳和不敏感周跳,还可以准确地辨别1个周期以上的周跳和粗差,具有良好的周跳探测性能。

基于PSO-Elman神经网络BDS导航卫星钟差预报

卫星钟差是导航定位系统定位精度的重要影响因子之一.针对北斗卫星导航系统(BDS)精密钟差预报性能寻优问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法优化Elman神经网络的钟差预报模型方法(PSO-Elman模型),以解决Elman神经网络局部最优问题对钟差预报结果的影响.首先对钟差产品进行预处理;然后通过PSO算法迭代寻优确定Elman神经网络权值、阈值的初始值,并将进行预处理之后的序列数据进行训练建模;再采用武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据分析中心(WHU)提供的BDS精密钟差产品数据进行钟差预测;最后将预测结果还原为预报钟差.结果表明:对比于二次多项式(QP)模型、附加周期项多项式(SA)模型、灰色(GM)模型,PSO-Elman模型精度分别提高90.7%、84.2%、81.6%,稳定度提高85.3%、76.3%、36.1%.实验表明:PSO-Elman模型在1~12 h短期预报模拟结果的预报精度和稳定性有显著提高,验证了提出方法的可行性.

BDS-2/BDS-3非组合观测模型的中距离相对定位

为了弥补北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)全星座、多频率相对定位以及组合定位方式相关研究的不足,提出一种BDS-2/BDS-3非组合观测模型的中距离相对定位方法:对BDS-3四频和北斗卫星导航(区域)系统(BDS-2)/BDS-3组合双频观测数据,采用多频载波相位观测数据非组合模型进行相对定位解算;分析BDS-2/BDS-3组合的定位性能,并与BDS-2三频、全球定位系统(GPS)双频解算结果进行对比;然后选取4条不同长度基线进行不同系统相对定位解算,对54km基线充分考虑大气延迟误差的影响,并对定位性能进行分析。实验结果表明,BDS-3收敛速度相较于BDS-2有一倍的提升,并略优于GPS,定位精度相较BDS-2可提升大约40%,但略低于GPS;BDS-2/BDS-3组合模式收敛速度最快、定位精度最高,相较GPS在天顶(U)方向可有8.3%的提升,与BDS-3相比在U方向可有22.1%的提升;BDS-2/BDS-3双频组合定位性能优于GPS、BDS-2和BDS-3多频定位结果。

BDS空间信号的连续性和可用性评估

为了及时评估北斗卫星导航系统(BDS)的空间信号(SIS)可用性和连续性,采用2020-10-01至2021-10-01共1 a的BDS广播星历数据,对BDS中的地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和中圆地球轨道卫星(MEO)3类卫星进行了可用性和连续性评估。结果表明:3类卫星的单星可用性最优为0.993,平均可用性达到0.991,但也存在如C07、C14号卫星的可用性未达到预期标准(0.98)的现象;SIS的连续性评估中,除个别卫星未达到规范的标准要求外,指数模型和滑窗算法计算的GEO卫星达到0.995,IGSO和MEO均达到0.998;指数模型计算的BDS中GEO、IGSO和MEO卫星的平均连续性分别为0.99729、0.99926、0.99958,而滑窗算法计算得到的平均连续性分别为0.99627、0.99917、0.99939,2种方法计算的BDS 3类卫星的整体连续性分别为0.99914和0.99885,指数模型较滑窗算法计算的SIS连续性偏差不大,与全球定位系统(GPS)相比存在一定差距,总体达到系统设计的指标要求。最后对比分析指数模型算法与滑窗算法,验证了指数模型可用于短期连续性统计。

BDS授时性能分析与接收机DCB估计

为了进一步研究北斗卫星导航系统(BDS)的授时性能,对北斗三号(BDS-3)多模式授时性能进行分析,给出采用时间群延迟参数的授时处理方法:指出BDS-3播发的导航信号较北斗二号(BDS-2)增加了B1C、B2a和B2b等民用频点,去掉了性能较差的B2I,并在原有时间群延迟(TGD)参数的基础上增加了TGDB1Cp、TGDB2ap和TGDB2bI等参数,为导航用户提供新频点的延迟改正;然后提出一种特殊情况下的单站接收机差分码偏差(DCB)估计方法,采用连续60 d的观测数据进行BDS-3多模式授时分析。实验结果表明:单频授时精度(RMS)BDS-3较BDS-2提升约5 ns,单频模式受未消除电离层延迟影响严重;单频差分(电离层格网)模式较单频模式有较大改善,相同频点提高约4 ns;双频模式和三频模式表现最优,授时精度优于1ns;全部授时精度优于BDS-3公布的20ns;最后验证估计的接收机DCB在30 d内变化稳定,标准差(STD)不超过0.2 ns。

基于BDS/GPS双模车载系统终端原理设计

本文是基于BDS/GPS双模建立一个车载系统,用来准确定位车辆在动态时的精确位置和收集道路静态时信息与道路动态时的路况信息。对车辆的实时监控与紧急事件预警是我国车辆信息化发展的难点与重点,通过本系统的设计可以做到一种更加具有实时性、更加全面地收集车辆道路的相关动态信息,从而对拥堵的区域的梳理与对紧急事件的监控预警。

顾及随机脉冲参数约束的BDS卫星精密定轨

为了进一步完善北斗卫星导航系统(BDS)的动力学模型,提高其定轨精度,提出一种动力学模型的补偿方法来实现对BDS的精密定轨:在原有力学模型的基础上,每隔12h在BDS卫星轨道的径向、切向和法向附加一组随机脉冲参数,使其与确定性参数一起进行参数估计;并分别给出随机脉冲参数对非地影期和地影期BDS轨道精度的影响;最后将定轨结果与武汉大学分析中心提供的事后定轨结果进行分析与比较。实验结果表明,加入随机脉冲参数后,非地影期的北斗卫星导航(区域)系统(BDS-2)地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星以及北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)MEO卫星的轨道精度可分别提升5.1%、14.9%、14.8%、16.4%,对于进入地影期的BDS-2 MEO和BDS-3 MEO卫星,轨道精度可分别提升18.9%、27.3%,说明随机脉冲参数的引入可以在一定程度上弥补力学模型缺陷,进而提高BDS卫星的轨道精度,尤其是BDS-3卫星轨道精度提升更为显著,同时通过对外推轨道精度的分析进一步验证了提出方法的可行性以及定轨精度的准确性。

全变分MW组合去噪的BDS周跳探测算法

针对高精度全球卫星导航系统(GNSS)数据预处理中,最常用的非差周跳探测方法之一墨尔本-维贝纳(MW)组合受伪距噪声影响等原因存在小周跳探测不准和周跳探测失败后阈值扩散的问题,提出一种北斗卫星导航系统(BDS)周跳探测算法:为降低伪距噪声的影响,提高探测成功率,引入全变分去噪算法对MW组合探测值进行去噪处理;再利用去噪后的MW组合探测值的历元差值进行周跳探测;然后分析全变分去噪算法正则化参数和周跳探测阈值的选取,当正则化参数取5和阈值设定为0.45时,即可探测出大于或等于1个周期的周跳。实验结果表明,选取的正则化参数和周跳探测阈值较为合理,能够在去噪后的MW组合探测值中通过相邻历元作差方式探测出小周跳,成功率为100%,无错探和漏探发生,能够弥补MW组合探测值对不敏感周跳探测的不足。

GPS/GLONASS/BDS三系统组合定位的定权方法

为了提高GPS/GLONASS/BDS三系统组合定位的稳定性和精确度,研究加权最小二乘定位中的定权方法。提出一种结合高度角先验定权和验后方差估计的定权方法,利用多系统兼容接收机实测数据进行仿真验证。结果表明,相较于传统的最小二乘法,该定权方法可以明显改善多系统组合定位的精确度,且具有很好的抗差性能,提高了定位结果的稳定性,可应用于多系统兼容接收机组合定位解算中。

BDS/Galileo对多系统精密单点定位贡献分析

使用10个MGEX测站的数据对4种解算模式GPS、GPS/BDS、GPS/Galileo及GPS/BDS/Galileo在定位可用性、定位精度和定位稳定性及收敛时间3个方面的PPP性能进行了对比分析。实验结果表明:GPS/BDS和GPS/Galileo双系统组合PPP在各方面的性能相当。相比GPS单系统PPP,双系统PPP能增加可用卫星数,改善卫星空间几何构型,定位精度提升20%～35%,定位稳定性提高25%～40%,收敛时间缩短35%～45%。BDS在较高截止高度角下的可用性、天向定位精度、水平方向定位稳定性、天向收敛速度方面的贡献略优于Galileo。GPS/BDS/Galileo三系统组合的PPP性能进一步提升。

电离层闪烁对BDS区域系统定位性能的影响分析

当电离层闪烁幅度衰落足够深,持续时间足够长时,用户接收机接收穿过电离层闪烁区域的卫星信号时其码和载波相位跟踪环路会失锁,导致这些卫星不可用,用户定位几何布局发生变化,进而影响定位性能。从GDOP退化、可用性、恶劣函数三个角度详细分析了电离层闪烁对BDS区域系统星座定位性能的影响。结果表明:存在电离层闪烁时,GDOP存在一定程度的退化,电离层闪烁中心点对应的地面位置GDOP退化程度最大,以此为中心向外辐射;可用性会下降,不过程度很小;恶劣函数值与电离层闪烁中心有关,且电离层闪烁中心越靠近目标点,影响越恶劣,当电离层闪烁中心远离目标点时,对定位影响几乎可以忽略。

基于RBF神经网络的BDS接收机作战效能评估

针对传统作战效能评估方法存在主观性强,依赖专家经验等问题,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的北斗卫星导航系统(BDS)接收机作战效能评估方法:梳理BDS接收机作战效能评估需求,并构建BDS接收机作战效能评估指标体系;然后对网络基础原理、学习算法和评估流程进行研究。实验结果表明,提出的方法能够有效完成BDS用户机的作战效能评估,虽然RBF神经网络在收敛速度上比反向传播(BP)神经网络要慢5.52倍,但是损失函数和准确率相比BP神经网络分别提升了65.7%和8%,而且与传统的装备作战效能评估算法相比,评估结论更加客观,具有一定实用性。