改进BIC的GNSS站坐标时序有色噪声特性分析

为了有效解决传统的极大似然估计方法存在的未知数多导致结果不准确的问题,提出一种改进BIC的GNSS站坐标时序有色噪声特性分析方法:选取全球范围内100个基准站2008—2022年坐标时序及仿真的100组坐标时序,采用赤池信息准则(AIC)、贝叶斯信息准则(BIC)、改进的贝叶斯信息准则(BIC_tp)对不同有色噪声模型进行噪声特性分析,获取基准站坐标序列的最优噪声模型及速度参数;探讨BIC_tp对噪声模型及速度估计的影响。结果表明,基准站坐标序列噪声模型呈现出多样性特征,在北(N)和东(E)方向主要表现为闪烁噪声+白噪声(FNWN)模型,天顶(U)方向主要表现为幂律噪声+白噪声(PLWN)模型;相比于AIC和BIC噪声模型估计准则,BIC_tp方法对有色噪声模型估计具有较高的准确性,尤其是闪烁噪声+随机游走噪声(RW)+白噪声(FNRWWN)模型对全球卫星导航系统(GNSS)站速度不确定度的影响在N与E方向远大于U方向;正确获取模型参数估计的实际不确定度及改正噪声分量对于合理应用GNSS坐标时间序列数据具有重要意义。

基于GNSS水汽和地面假相当位温观测的短时强降水阈值预报方法研究

基于2019年和2020年6—7月GNSS水汽监测网大气可降水量(PWV)资料和并址气象站的地面雨量、温、压、湿等同步观测数据,利用临界成功指数(CSI)和命中率(POD)两个检验指标,探索建立了基于PWV、6小时水汽增量(PWV*)及假相当位温距平(θ_(se)*)的短时强降水阈值预报方法,并利用2021年6—7月降水样本对该预报方法进行检验,结果显示CSI和POD分别为0.167和0.593,其评分高于目前常规业务方法对短时强降水的客观预报评分,其中约48%的短时强降水发生在预警之后的24小时内,约78%发生于48小时内。研究区域内78.6%的短时强降水样本发生在连续15小时PWV*的累积值(∑PWV*)≥75 mm且连续24小时θ_(se)*累积值(∑θ_(se)*)≥30 K的条件下;PWV高值区叠加∑PWV*和∑θ_(se)*的大值区对梅雨期短时强降水以及暴雨发生区域有较好的指示性。

复杂环境GNSS实时亚厘米级监测算法设计及性能分析

针对复杂监测场景下,由于卫星信号遮挡严重、多路径效应强、粗差和周跳频繁而造成观测数据质量差,严重影响全球卫星导航系统(GNSS)实时监测的精度、可靠性和可用性的问题,提出一种复杂环境下的GNSS实时亚厘米级监测算法:综合利用监测体的变化特征,从观测数据质量控制、滤波过程噪声自适应调节、GNSS解算短时中断后快速恢复等方面着手,设计一套适用于复杂环境的GNSS地质灾害实时高精度监测数据处理算法;并采用实测与仿真短基线数据评估算法性能。结果表明,在复杂观测场景下,提出的复杂环境GNSS监测算法能够实现实时亚厘米级定位精度,有效解决GNSS解算短时中断后的快速恢复问题,并能准确识别监测体的快速形变。

GNSS对流层湿延迟随机游走过程噪声时空变化特征分析

全球导航卫星系统GNSS对流层天顶湿延迟(zenith wet delay,ZWD)随机噪声不仅影响ZWD估计值大小,还会影响ZWD的趋势项变化。为揭示ZWD随机游走过程噪声(random walk process noise,RWPN)的时空变化特征,本文选取全球20个IGS(International GNSS Service)测站,基于JPL(Jet Propulsion Laboratory)、GFZ(Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences)和CODE(Center for Orbit Determination in Europe)分析中心2010至2020年对流层产品,从不同地理位置和不同时间序列分析GNSS ZWD随机游走过程噪声的变化范围和特征;并且在扣除ZWD的趋势项和主要周期项后,进一步揭示了ZWD残差信号分量构成。结果表明:不同地理位置湿延迟RWPN具有显著差异,年均值范围在0.01~0.146 mm/√s之间,且在大气集中的中低纬地区湿延迟RWPN值较大,在大气相对稀薄的极地地区其值较小;同一测站的湿延迟RWPN具有明显的周年、半周年和季节性特征,极差值高达0.12 mm/√s以上;通过对ZWD残差值分析,发现ZWD残差信号除包含白噪声外,还具有4.8 h至2.43 d的高频信号分量。

GNSS不同区域站网分布对极移精度的影响分析

针对利用中国区域全球卫星导航系统(GNSS)站网求解极移参数存在Y分量精度显著低于X分量的问题,提出利用姿态测量几何分析方法分析GNSS不同区域站网分布对极移精度的影响:利用9个不同区域站网求解极移参数探究站网区域分布的影响;并以国际地球自转服务组织(IERS)产品为基准评估精度。结果表明,当区域站网的平均子午面与0°子午面的夹角小于45°时,X分量差异的标准差通常大于Y分量;夹角大于45°时,Y分量差异标准差通常大于X分量。为最小代价地进一步提升Y分量精度,通过在中国区域站网基础上引入全球不同位置的单个测站,评估精度提升比例。结果表明,在非洲东南部和澳大利亚地区引入单个测站将Y分量均值平均减小了80%,标准差减小了50%,较全球其他地区测站的提升效果更明显;新增美洲地区测站时存在测量奇点,易造成法方程的矩阵奇异,这是由于美洲测站、国内测站地心矢量及地球自转轴共面,从而削弱了方程结构。

基于GNSS的2023年8月德州平原县5.5级地震异常环境响应分析

为了探测2023年8月6日山东德州平原县5.5级地震引起的异常环境响应,本文基于震中东北方向约26 km的GNSS观测数据,提出滑动时变频率方法并引入四分位距(interquartile range,IQR)法对地震引发的异常环境响应进行分析.结果显示,地震发生后N和E方向坐标速度时间序列在9~10 s处出现显著异常,垂向在16 s时出现轻微异常.滑动时变频率方法能够在速度时间序列异常跳变发生前5~10 s探测到明显变化,显示了更高的灵敏度.研究还发现,在地震发生前一天,电离层在震中上空出现了异常扰动,异常值达到4 TECU.研究表明:GNSS技术能有效探测地震过程中的异常环境响应,为地震监测与预警提供了新的视角和工具.

GNSS/5G观测量融合定位算法

针对随着泛在位置服务的需求扩增,卫星导航系统在城市峡谷等环境下的定位效果不连续、定位精度低,无法满足服务需求的问题,提出一种全球卫星导航系统(GNSS)/第五代移动通信技术(5G)观测量融合定位算法:给出基于最小二乘法的GNSS/5G观测量融合定位算法模型;并对比分析GNSS/5G融合定位与GNSS单系统定位效果,通过增加5G到达时间差(TDOA)观测量,配合GNSS观测量参与定位解算,给出定位性能分析结果。实验结果表明,GNSS信号观测数据与5G信号TDOA观测量融合定位相比GNSS单系统定位在水平方向、三维(3D)方向定位误差优化精度分别约为64.6%、58.21%,可有效提升定位性能,为可扩展定位需求的可行性相关研究提供参考。

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)高频观测数据,基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(precise point positioning,PPP)实时计算2021年漾濞M w6.4地震和玛多M w 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差(standard deviation,STD)均值为0.142 ns,其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm,高程方向达到1.0 cm,计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。

北斗/GNSS授时性能评估及结果比较分析

授时是全球卫星导航系统(GNSS)的三大服务功能之一。针对GNSS授时性能评价指标和评估方法不统一的问题,研究了评估北斗/GNSS授时性能的关键指标,提出了一种北斗/GNSS授时性能评估方法。该方法以中国科学院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)和国际权度局(BIPM)发布的UTC为基础,评估导航系统的授时性能,同时给出了该评估方法的不确定度分析结果。利用位于国家授时中心的GNSS系统时间监测系统产生的数据,评估并比较分析了BDS、GPS、GLONASS以及Galileo的授时性能。结果表明,在2021年的评估周期内,BDS、GPS、GLONASS和Galileo的时间传递准确度分别为13.8、4.5、16.8和4.2 ns,均符合导航系统性能的承诺。

不同GNSS在高纬度地区时间传递性能分析

全球卫星导航系统(GNSS)载波相位时间传递技术是高精度时间传递领域的主要研究方法之一,但目前关于该部分的研究主要集中在中低纬度地区,在高纬度地区并不多见。不同GNSS由于星座设计不同,在高纬度地区结构差异较大,因此需要对不同GNSS在高纬度地区的时间传递性能进行分析。实验结果表明,在高纬度地区时间传递中,Galileo稳定度最高,GPS和BDS次之,GLONASS最差。同时因在高纬度地区卫星的高度角普遍偏低,为合理平衡低高度角时可视卫星多和多路径误差大的矛盾,对不同截止高度角下获取的链路时间传递性能进行了分析。结果表明,在5°截止高度角下,高纬度地区的时间传递链路稳定性最好。

基于GNSS的无源双基地雷达地面动目标成像方法研究

基于全球卫星导航系统(GNSS)的无源双基地雷达是一种极具潜力的天基雷达系统,具有功耗低、隐蔽性好等优点.但由于信号功率密度低,需要通过长时间积累提升目标信噪比(SNR),而目标运动会造成距离徙动和多普勒扩散,传统的脉冲多普勒雷达处理方法不再适用.针对此问题,本文提出一种基于拉东傅里叶变换的动目标成像方法.首先通过在传统拉东傅里叶变换中增加去多普勒调频率补偿因子,联合搜索并估计动目标的三维参数,然后通过参数补偿实现目标在距离多普勒域的聚焦成像.该方法既考虑了多普勒相位调制的影响,又在距离频域快速部署实现,可以达到比传统方法更好的聚焦效果.最后基于GPS卫星照射源的实测实验对所提方法的性能进行了验证.

海面GNSS-R模型与时延-多普勒特征研究

GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题,本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征,分析了不同风速下一维相关功率的变化情况,讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delayDoppler map,DDM)的影响.数值结果表明:海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性,在DDM波形仿真中,应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率,为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.

一种GNSS/5G抗差滤波联合定位算法

针对当前在城市峡谷等复杂场景中,第5代移动通信技术(5G)和全球卫星导航系统(GNSS)联合定位缺乏定位鲁棒性的问题,提出一种基于抗差滤波的GNSS/5G联合定位算法:分别基于GNSS的伪距观测量和5G信号的到达时间差(TDOA)观测量,构造GNSS和5G的联合定位方程;然后在扩展卡尔曼滤波(EKF)基础上,构造抗差扩展卡尔曼滤波(抗差EKF)算法。实验结果表明,在GNSS定位精度较差的城市峡谷场景中,单独采用GNSS伪距的静态定位精度为12.65 m,动态定位精度为6.43 m,其中静态实验的定位精度较差;采用EKF算法时,GNSS/5G组合静态定位精度为4.33 m,动态定位精度为6.60 m,采用抗差EKF算法时,GNSS/5G组合静态定位精度为4.26 m,动态定位精度为5.42 m;GNSS/5G组合抗差滤波算法定位精度优于单独使用GNSS伪距进行EKF解算和GNSS/5G使用EKF进行解算的定位精度。

天津市GNSS地面沉降监测数据解算改进策略

为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)在地面沉降监测中的精度,提出一种GNSS地面沉降监测数据解算改进策略:选择GNSS连续站作为沉降监测基准;采用最优的计算模型;改进平差方法。以天津市2007—2008年数据为例验证,结果表明,GNSS高程时间序列残差的均方根可以减小27%~44%;地面沉降年度速率误差平均减小35%左右;高程时间序列中的年度内地面沉降变化趋势更加明显,GNSS连续站表现出线性沉降或周期性波动式沉降。提出的改进策略可以有效解决地面沉降监测中的基准问题,并提高地面沉降的监测精度。

GNSS-PPP多系统多频点组合定位精度分析

为了进一步推广全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)技术并实现多GNSS-PPP工程应用,基于国际GNSS服务组织(IGS)多模GNSS实验跟踪网(MGEX)测站数据,研究GNSS-PPP组合定位的精度以及性能:介绍和分析4大GNSS综合PPP技术;并采用多系统多频点组合定位测试PPP的收敛时间和定位精度,同时针对不同高度截止角对比分析单GPS-PPP与多GNSS-PPP效果。结果表明:多系统组合定位比单GNSS系统在精度以及收敛时间上都有显著改善,东、北、高3个分量的精度可平均提升30.7%,收敛时间可降低55.3%;由于多系统组合定位增加了可见卫星数,因此截止高度角对GNSS-PPP结果影响较小。

基于GNSS单天线的船姿测量算法研究

为研究GNSS单天线船姿测量的性能,在分析航速、航迹对船载GNSS单天线测姿精度影响的基础上,提出了基于载波相位历元间差分(TDCP)测速的船姿测量方案。首先利用TDCP求取历元间高精度位移增量,然后计算历元间平均速度,最后基于测船速度反演测船姿态。海试结果表明:基于TDCP方案的测姿性能与船速正相关、与船艏向变化率负相关,测姿估算精度略优于PPP方案、明显优于Doppler方案,为船载GNSS单天线测姿方法的研究与工程应用提供了参考。

GNSS漂流浮标实时在线波浪测量技术及其软件实现

波浪是一种重要且复杂的海洋水文要素,对海浪进行稳定、长期、有效的监测具有重要意义。针对传统波浪观测设备价格昂贵、实时性差的问题,本文研究了基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)载波相位历元差分算法的漂流浮标实时在线波浪测量技术及其实现方法,包括硬件选型及组成、实时在线软件的设计思路和工作原理。通过比较分析近海及远海试验的实时回传测波结果,验证了GNSS漂流浮标实时在线波浪测量技术及其软件的可行性和精确性。在近海试验中,对比2套测试浮标实时回传结果与Datawell DWR-G4浮标事后导出结果,表明两者有效波高差值的均方根(Root Mean Square, RMS)分别为6 cm和4 cm,优于主流测波浮标产品技术指标(0.1 m+5%H,H为波高),两者平均周期差异RMS分别为0.48 s和0.49 s,要素反演性能良好。在远海试验中,4套测试浮标实时回传的有效波高和平均周期结果与再分析产品呈现出较高的一致性。

基于GNSS-R技术的实时潮位高度变化反演方法

潮位高度变化反演过程中易产生部分数据丢失情况,导致实时潮位高度变化反演精度不高,为了提高对潮位实时监测能力,研究基于全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术的实时潮位高度变化反演方法。通过信号采集设备采集GNSS-R原始信噪比(SNR)信号后,采用奇异谱分析(SSA)和经验模态分解(EMD)相结合的去噪方法去除原始SNR信号的噪声,保留有价值SNR信号;通过线性尺度变换得出线性化SNR信号,经多项式去掉直射信号分量,得出多径振荡分量;采用小波变换分析多径振荡分量提取实时潮位,完成实时潮位高度变化反演。试验结果表明,该方法应用效果较好,可实现实时潮位高度变化反演,SSA-EMD针对不同信号的去噪效果均较好,其中GNSS-R信号去噪最佳,在保留原信号趋势同时,可去除信号中多余噪声;该方法的海面高度反演结果和对比区域实际潮位高度基本一致,且可增强实时潮位反演结果时间分辨率。

林冠开阔度对GNSSRTK在森林中定位可用性及初始化时间的影响

RTK是高精度的实时卫星定位技术,但由于林冠对信号的遮挡,GPS RTK技术在林下很少应用,而采用双星定位系统的GNSS RTK则有较为广阔的应用前景。以冀北山地杨桦次生林为例,采用GPS+GLONASS双星系统进行RTK定位,通过全天空照片测定林冠开阔度,探讨林冠开阔度对GNSS RTK定位可用性及初始化时间的影响。结果表明:全天空照片能较好地描绘GNSS定位的森林环境,且卫星多位于中等高度角,林冠开阔度是反映森林中定位环境条件的适合指标。采用双星GNSS系统,有足够的卫星数满足定位要求,林冠开阔度与共用卫星数呈显著的线性正相关关系;92.3%的PDOP值小于4,卫星有良好的空间几何分布;森林环境对信噪比有较大影响,信噪比与开阔度呈显著的正相关关系。林冠开阔度在0.25以上时,反映定位可用性的各指标均较好。随着林冠开阔度增大,RTK定位所需的平均初始化时间变短。从观测时间长短与测量效率分析,15 min是适宜的时间限值。

GNSS网络RTK算法模型及测试分析

针对GNSS网络差分系统软件的特点,比较分析双频P码伪距法、双频线性组合法2种宽巷模糊度的解算方法,给出解算结果的约束条件.然后采用改进的无电离层组合并根据模糊度的约束条件计算L1,L2的双差模糊度ΔN1,ΔN2.由ΔN1和ΔN2计算出的参考站间大气误差以及主站、虚拟参考站、卫星之间的空间向量关系构造出虚拟参考站的虚拟观测值.测试结果表明:系统软件的各项技术指标满足规范要求,平均初始化时间为27s,平面外符合精度x方向为2.8cm,y方向为1.7cm,高程方向为7.9cm.算法模型准确可行,系统各组成部分可靠性、稳定性好,能保持24h连续运行.