Evaluating Global Navigation Satellite System (GNSS) Constellation Performance for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Navigation Precision

Accurate localization is paramount for unmanned aerial vehicles (UAVs) spanning various technical and industrial domains, necessitating a comprehensive assessment of global navigation satellite system (GNSS) precision. This study investigates the performance of distinct GNSS constellations in determining the precise location of a building utilizing a high-precision GNSS receiver. The receiver, incorporating advanced multi-frequency and full-constellation positioning capabilities, was integrated with a smartphone via Bluetooth to enable the UAV’s acquisition of centimeter-level positioning data. Sequential utilization of single satellite systems—such as GPS-only, GLONASS-only, Galileo-only, SBAS-only, and BeiDou-only—facilitated the documentation of latitude and longitude coordinates for the designated building. Subsequent comparison of these coordinates with a specialized Geographic Information System (GIS) was conducted to evaluate their positional accuracy. The comparative analysis underscores significant variability in the precision offered by each satellite constellation, providing valuable insights for optimizing UAV navigation across GIS, IoT, construction, and other sectors requiring high-precision localization. This research underscores the significance of high-precision GNSS receivers in enhancing UAV-based geospatial assessments, emphasizing the critical selection of appropriate satellite systems for tailored localization tasks. The study contributes to advancing UAV navigation strategies, ensuring robust and accurate geospatial data collection within diverse operational frameworks.

顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法

BDS-3高稳定星载原子钟作为北斗星座的显著技术优势,在GNSS数据处理中尚未得到充分利用。针对严格时效性限制下GNSS超快速轨道钟差参数精度受限问题,本文提出顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法。首先,以GNSS轨道钟差参数间相关性为基础,构建顾及BDS-3星钟参数特性的GNSS定轨模型;然后,基于GNSS精密钟差产品,分析星钟约束对GNSS轨道钟差参数精度的影响规律;最后,为克服预报钟差精度与约束筛选对定轨影响,建立BDS-3星钟建模与GNSS超快速轨道钟差估计的同步处理方法。试验结果表明,在BDS-3星钟参数最优约束下,BDS-3与GPS轨道钟差精度可分别提升27.5%、5.1%和20.2%、5.2%;且较传统BDS-3星钟单历元处理策略,基于BDS-3星钟建模与GNSS超快速定轨同步处理方法,GNSS超快速轨道钟差精度可分别提升至4.8%与34.2%,轨道精度实现了毫米级改善。因此,顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法可有效对BDS-3高稳星钟信息模型化,并实现GNSS超快速轨道钟差精度的优化处理。

基于高度角随机模型的GNSS外辐射源雷达定位算法

针对GNSS外辐射源雷达定位时不同卫星对定位的误差贡献不同的问题,提出基于高度角随机模型的定位算法,理论分析目标位置估计量的克拉美罗界和统计特性,并计算卫星位置误差和地面站位置误差对定位误差的影响。仿真结果表明:所提出算法对不同GNSS卫星的直射、反射路径的伪距差测量值误差进行了合理分配,定位性能达到了克拉美罗界,且不会因为选星方案的改变而大幅恶化。对地面站位置误差和卫星位置误差的分析表明:地面站位置的标准差小于10 cm、卫星位置的标准差小于1 km时对定位总误差的贡献可以忽略不计。

一种大尺度区域GNSS坐标时间序列自适应时空滤波方法

提出一种GNSS坐标时间序列自适应时空滤波方法,在规定阈值下将滤波区域自适应分为若干个子区域,进行共模误差的提取和去除。对陆态网184个GNSS站点垂向坐标序列进行时空滤波,3组随机实验中,自适应PCA时空滤波后的站点序列平均RMS值减少约39.7%、38.4%和39.7%,且优于整体PCA滤波。进一步分析滤波前后站点噪声特性变化,结果显示,相比于整体PCA滤波,自适应滤波方法中站点残差序列幂律噪声减少约17.8%。

GNSS/SINS/视觉导航鲁棒算法

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和视觉传感器优势互补,3者信息融合可获得高精度、无漂移的导航定位信息.针对GNSS/SINS/视觉融合导航易受运动速度、光照变化、遮挡等影响导致定位精度和鲁棒性降低问题,本文在图优化框架的代价函数中加入SoftLOne鲁棒核函数,设置量测值粗差检验程序,降低离群点带来的负面影响.进一步,对量测值计算残差进行卡方检验,对超限残差降权处理,提高系统精度和鲁棒性.实验结果表明,本文算法较不施加鲁棒核函数、不采用异常值剔除策略和卡方检验的传统算法,以及加入其他鲁棒核函数的算法精度更高、鲁棒性更好,能够较大程度提升GNSS/SINS/视觉导航定位精度和鲁棒性,在大尺度环境下,未出现较大漂移误差,绝对位姿均方根误差0.735 m,绝对位姿误差标准差0.336 m.

vbICA方法用于GNSS坐标序列共模误差提取研究

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)坐标序列精度主要受共模误差(common mode error,CME)影响。为提高GNSS坐标序列精度,采用变分贝叶斯独立分量分析方法(variational Bayesian independent component analysis,vbICA)提取实验区20个GNSS测站坐标序列的CME,并对比分析vbICA与主成分分析(principal component analysis,PCA)和独立分量分析(independent component analysis,ICA)的滤波性能。结果表明,vbICA滤波效果优于PCA和ICA;经vbICA滤波后,E、N、U方向坐标残差序列均方根(RMS)平均降低36.57%、31.63%、10.97%,距离相关系数平均降低60.53%、56.84%、25.80%;扣除CME后,GNSS速度场估计更加可靠和精确,可有效提高GNSS坐标序列精度,为地球动力学研究提供可靠的数据支撑。

GNSS约束的2022年泸定M6.8地震滑动分布及同震应力变化

2022年9月5日四川泸定县发生M6.8级强震,震中位于鲜水河断裂东南末端,野外地质调查初步结果显示本次地震并未发现明显的地表破裂迹象.本文基于震后科考GNSS流动观测和震中周边连续站观测资料,解算并提取震中90 km范围内31个测站的静态水平向同震位移.结果显示:GNSS同震形变场空间分布呈现明显的左旋走滑特征,观测到的最大水平向同震位移达23 cm,震中距50 km范围内同震位移量普遍大于1 cm.基于GNSS观测资料反演得到的同震滑动分布显示泸定地震地表破裂主要集中在磨西至田湾之间,主破裂深度2~8 km,最大滑动量~1.96 m,地震矩9.25×10^(18)N·m,对应矩震级M_W6.6.静态库仑应力结果显示本次地震增强了震源破裂区周边活动断层的库仑应力,并触发了大量余震,余震主要发生在库仑应力增强区域.结合震间闭锁分布、历史地震及库仑应力变化,我们认为未来需要密切关注与磨西断裂交接的安宁河、大凉山断裂以及康定—磨西段的地震危险性.

GNSS系统时间偏差参数分析

分析各GNSS在系统时差参数设计上的特点和变化,并以国际权度局(BIPM)和时间频率公报发布的数据为参考对GNSS播发的系统时差进行评估分析。结果表明,BDS播发的3种系统时差均存在十几ns的偏差,通过BDS间接获得的GLONASS与GPS、Galileo与GPS的系统时差准确度优于GLONASS和Galileo系统电文发播的同种时差参数。

基于PSO与AFSA的GNSS整周模糊度种群融合优化算法

载波相位测量是实现全球导航卫星系统(Global navigation satellite system, GNSS)快速高精度定位的重要途径,而准确解算整周模糊度是其中的关键步骤之一.粒子群算法(Particle swarm optimization, PSO)收敛速度快但易陷入局部最优,人工鱼群算法(Artificial fish swarm algorithm, AFSA)全局优化性能好但收敛速度慢,因此融合两种算法的优点,提出一种GNSS整周模糊度种群融合优化算法(PSOAF).首先,通过载波相位双差方程求解整周模糊度的浮点解和对应的协方差矩阵.然后,采用反整数Cholesky算法对模糊度浮点解作降相关处理.其次,针对整数最小二乘估计的不足通过优化适应度函数来提高算法的收敛性和搜索性能.最后,通过PSOAF算法对整周模糊度进行解算.通过经典算例和试验研究表明:PSOAF算法可以更快地收敛于最优解,搜索效率也更为出色,解算的基线精度可以控制在10 mm以内,在短基线的实际情况下具有较高的应用价值.

GNSS拟合高程代替水准测量的可行性分析:以黄河上游水电基地区域为例

GNSS拟合高程代替水准测量有重要的现实意义,有必要对其进行可行性分析。黄河上游水电基地是中国在黄河上游地区开发的重要水利工程群,其安全监测具有至关重要的作用。因此,本文基于黄河上游水电基地GNSS自动监测网开展实验,从GNSS高程拟合方法、GNSS数据处理策略和GNSS高程方向定位结果等方面详细论证。结果表明,GNSS拟合高程具有替代三等水准的可行性。

基于ML估计的高动态GNSS信号快速捕获检测方法

针对高动态环境下GNSS因频域带宽增加导致捕获难度增大的问题,分析了接收端数字中频采样信号的传输特性及复基带信号经FFT模块处理后的相关峰的检测,提出了基于极大似然(ML)估计的高动态GNSS信号快速捕获检测方法。首先,根据随机信号的统计理论建立二元假设检验条件,构建了奈曼-皮尔逊准则下的GNSS信号捕获判决门限模型;其次,通过判决量的统计特性对等效高斯白噪声方差进行ML估计,根据其估计值计算捕获判决门限,其中通过虚警率的量化放大处理,解决了判决量样本值的增加带来的估计偏差问题;最后,对不同高动态条件下北斗B3I信号进行了捕获检测仿真实验。结果表明采用ML估计方法确定捕获判决门限从而提高高动态GNSS信号捕获的检测方法对高动态适应范围较宽,其频移捕获精度与SINS信息辅助捕获相当,比序贯检测算法提高约28%以上,相同条件下具有更快的平均捕获检测速度。

新疆乌什7.1级地震前GNSS变形特征分析

2024年1月23日新疆乌什发生7.1级地震。为了研究震前GNSS变形特征,通过对比分析GNSS基线时间序列结果和区域应变结果,发现迈丹断裂带东西两段的地壳运动有所差异,东段的运动较强,乌什地震即发生在断裂带东段;利用4期速度场结果,计算得到动态应变场变化,从NS向应变场结果可以看出该区域的应变量值持续增加,应变持续在积累状态,从长期背景场可以看出7.1级地震发生在应变高值区的边缘;发震断层东西两侧的挤压滑动速率存在明显差异,西侧为(1.0±0.35)mm/a,东侧为(4.1±0.51)mm/a,且东侧的闭锁程度较高。研究认为迈丹断裂带两侧运动差异明显,乌什7.1级地震发生在滑动速率较高的东段,且该区域处于应变高值区的边缘。

融合BiLSTM和VMD的GNSS坐标时间序列重构

GNSS观测时间序列包含复杂的非线性构造运动,如地面质量荷载、模型残差、周围环境因素等。由于环境因素的复杂性,季节性信号可能具备准周期时变的特征,传统的时间序列分析模型很难模型化。因此,可以采用一种双向长短期记忆(Bidirectional Long Short-Term Memory,BiLSTM)循环神经网络与变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)联合的信号重构方法。首先利用VMD强大的分解能力将GNSS信号进行频域剖分并将其分为多项子信号和噪声项,再基于BiLSTM强大的学习能力对GNSS信号进行训练建模。结果表明,BiLSTM+VMD模型能充分挖掘信号的时频域特征,提高信号重构的精度和稳定性,GNSS N、E、U三分量重构结果均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)都表现出不同程度的降低,尤其水平方向效果更为显著,相比EMD与VMD方法,E方向离散度分别降低了61%和19%,N方向离散度分别降低了20%和14%。这为GNSS观测时间序列中信号提取与模型参数估计提供了一个有价值的模型。

GNSS辅助风云三号卫星MERSI近红外通道的大气可降水量反演方法

大气水汽是对流层中的重要参数之一,已被广泛应用于短临天气预警和长期气候监测等领域。我国风云三号(FY-3)系列卫星搭载的中分辨率光谱成像仪可用于大气水汽监测,但反演大气可降水量(PWV)时存在大气透过率参数低估、水汽与大气透过率回归系数经验选取的缺陷,无法满足在短临降雨监测、数值同化等高精度PWV应用方面的需求。针对该问题,本文提出一种GNSS辅助FY-3卫星的高精度PWV反演方法。本文方法引入高精度实测GNSS PWV作为大气透过率计算模型的回归拟合参数,辅助FY-3 L1级数据精确估计PWV和大气透过率的模型回归系数;同时,该方法顾及季节和高程因素对FY-3-L1 PWV反演的影响,分季节反演PWV并引入数字高程模型修正由于部分大气透过率参数低估导致的FY-3 L1 PWV相对不准确的现象。选取中国区域2013—2014年FY-3A卫星的L1数据和中国地壳运动观测网络的260个GNSS测站数据进行试验。结果表明,本文提出的GNSS辅助FY-3系列卫星PWV反演方法优于传统方法(FY-3A-L2 PWV),其整体精度改善率为74.5%,可得到更加可靠、稳健性更强的PWV格网产品,对于其在短临降雨监测和数值同化等方面具有重要意义。

GNSS卫星轨道机动探测技术进展

针对轨道机动探测是各种空间任务的共性关键技术,是全球卫星导航系统(GNSS)精密定轨定位数据处理的首要工作,在卫星导航领域具有重要的研究意义,尤其是中国多星座构型的北斗卫星导航系统,轨道机动频繁,影响更为严重的现状,研究分析全球卫星导航系统(GNSS)卫星轨道机动探测技术的进展:概述轨道机动的概念、机动方式和机动时间;归纳整理目前GNSS卫星轨道机动探测中常用的技术方法,包括基于卫星轨道的探测方法、基于卫星广播星历的探测方法以及基于观测值的探测方法;总结各类卫星轨道机动探测方法的特点,并统计分析GNSS卫星的轨道机动频次与时段,指出随着GNSS卫星轨道机动探测方法的不断完善,实时及事后卫星轨道机动探测问题都得到了显著改善,促进了GNSS服务性能的进一步提升;最后,总结现有轨道机动探测方法的优势与局限性,展望GNSS轨道机动卫星数据处理中尚须进一步解决的重要问题。

因子图框架下里程计辅助GNSS/INS组合导航算法

在复杂观测环境下,GNSS/INS组合导航系统的GNSS信号易受干扰从而导致INS独立导航精度迅速下降。针对上述问题,本文基于因子图的里程计辅助GNSS/INS组合导航算法,利用里程计观测信息结合非完整性约束构建航向速度约束方程,同时采用能多次线性化计算和多次迭代的因子图优化方法进行参数估计。实际车载试验解算结果表明,在GNSS信号良好时,基于因子图方法比滤波方法具有更快的收敛时间,收敛速度提高了近10倍;在GNSS信号发生中断时,添加里程计辅助后组合导航系统在东向和北向分别提升了83%和89%。与传统的滤波融合手段相比,本文采用因子图优化后在东向和北向的定位精度分别有63%、70%的改善。

岩石破坏位移协调系数与GNSS数据的地震预测方法研究

本文以小尺度的岩石破坏试验为基础, 提出了以岩石表面多点位移信息预测岩石失稳破坏的短临前兆指标-位移协调系数(DCC).基于GNSS数据, 分析了DCC指标在大尺度地震中的演化特征, 提出了基于GNSS数据的DCC指标地震预测方法.研究结果表明: 在岩石弹性承载阶段, DCC在较低水平波动;当承载达到岩石峰值强度95%~99%时, DCC出现突增是预测岩石失稳破坏的重要前兆指标.通过大量试验统计, 确定了岩石从弹性变形到塑性变形转变的岩石弹塑性临界阈值范围为0.98±0.2.当DCC大于弹塑性临界阈值时, 岩石即将发生失稳破坏.基于GNSS数据计算获取三个地震案例震前的DCC指标与岩石破坏过程中DCC指标的演化特征具有相似性, 当DCC指标达到弹塑性临界阈值后大地震将在3~16天发生, 验证了将DCC指标作为预测地震发生短临前兆的有效性.同时, 地震发生区域可以利用震前GNSS数据绝对变形场重构方法通过异常变形区进行确定, 且根据DCC达到阈值时刻的异常变形区面积与地震震级呈对数关系, 可估算地震震级.研究结果对基于GNSS数据建立和完善地震短临预测方法具有重要的意义.

新疆及邻区现今GNSS变形特征与地震关系研究

基于GNSS观测数据,采用球面最小二乘配置方法计算了新疆及邻区的应变率张量特征,在统计分析研究区域应变率分布以及1900—2022年M≥6.0地震分布之间的关系的基础上,研究了GNSS应变率特征对强震地点的指示意义。通过构建三维弹性块体模型反演得到的区内主要断裂的运动变形特征,结合震源机制解结果,对比分析了断裂运动变形特征与不同区域强震类型之间的关系。结果表明:天山西段—帕米尔地区、阿尔金断裂带邻近地区呈现第二应变率高值特征,其中帕米尔构造结附近高值特性最明显;最大剪应变率方向在南天山西段—帕米尔地区主要为NE-NEE向,反映了该区以倾滑变形为主的特征。研究区域的M≥6.0地震主要分布在应变率高值区及其边缘,特别是帕米尔构造结东部地区的强震集中非常明显。区内断裂运动性质具有明显的分类特征,除整体以挤压运动为主外,NE走向断裂带以左旋走滑运动为主,NW走向的断裂以右旋走滑运动为主。NE走向的柯坪、迈丹和那拉提断裂带与NW走向的克孜勒陶、塔拉斯—费尔干纳断裂带汇集的南天山西段和帕米尔西构造结东部地区强震密集分布,强震的震源机制类型与断层运动方式较为一致。

基于GNSS的西秦岭北缘断裂带现今活动特征研究

基于1999~2007年、2009~2013年、2013~2017年和2017~2021年共4期GNSS地壳运动速度场构建GNSS速度剖面,分析西秦岭北缘断裂带各次级断裂现今地壳差异运动特征,并进一步建立负位错模型反演获取各次级断裂现今闭锁程度与滑动亏损速率。结果表明:1)西秦岭北缘断裂带现今整体呈现出以左旋走滑为主、兼逆冲挤压的活动特征。2)1999~2007年,锅麻滩段和天水-宝鸡段整体处于强闭锁状态,漳县段和鸳凤段仅部分区段闭锁且闭锁程度较低,闭锁深度也较浅;2009~2013年,西秦岭北缘断裂带中段闭锁程度有所减弱,鸳凤段东部与天水-宝鸡段东部由较强闭锁转变为蠕滑状态,锅麻滩段和天水-宝鸡段中西部依然呈强闭锁状态;2013~2017年,西秦岭北缘断裂带整体处于较强闭锁状态,仅天水-宝鸡段东部呈蠕滑状态;2017~2021年,锅麻滩段中西部、漳县段、鸳凤段东部和天水-宝鸡段中部处于较强闭锁状态,鸳凤段中西部与天水-宝鸡段西部则呈蠕滑状态。3)各次级断裂滑动亏损速率整体分布特征与断裂闭锁程度基本一致。西秦岭北缘断裂带锅麻滩段和天水-宝鸡段中部现今处于较强闭锁状态,具有较强的应变能累积背景。

基于自适应高斯渐进滤波的工程车GNSS/INS紧组合定位

研究了量测野值影响下的工程车GNSS/INS紧组合定位问题,提出了一种基于自适应高斯渐进滤波的车辆定位方法。首先,为降低量测野值对滤波器的破坏风险,利用假设检验方法对量测野值进行检测和剔除;其次,对于野值漏检测引起的定位性能下降的问题,设计了自适应的高斯渐进滤波方法来补偿量测的不确定性;特别地,利用线性化误差与系统估计误差的变化关系,对渐进量测更新方式进行了改进,从而实现对线性化误差的间接补偿。最后,通过工程车GNSS/INS紧组合定位实验进行结果分析,验证了所提方法的可靠性和优越性。