基于改进蝴蝶搜索算法的DGPS整周模糊度快速解算

为了快速准确地解算差分全球定位系统(DGPS)整周模糊度,提出了一种改进蝴蝶搜索算法(IBOA)求解整周模糊度。首先在蝴蝶优化算法(BOA)的香味系数中加入一个自适应权重,弥补BOA算法觅食行为中较弱的搜索能力;其次使用动态切换概率权衡BOA算法中全局搜索与局部搜索的比例;最后在全局搜索和局部搜索阶段引入新的迭代位置更新策略,提升了算法全局搜索能力和跳出局部最优能力。与最小二乘模糊度降相关平差算法(LAMBDA)算法进行1000个历元数据的解算对比实验,结果表明所提算法的平均搜索成功率比LAMBDA算法提高了5.07%。

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.

北斗系统多频载波相位整周模糊度解算方法研究

研究利用LAMBDA方法来解算三频载波相位BDS系统和GPS系统整周模糊度并分析其固定精度情况。通过采用2 km、5 km、8 km、10 km和12 km五条基线进行单系统解算对比,实验结果表明,无论是BDS还是GPS,在进行单系统RTK解算中,N方向坐标偏差变化幅度较其他两个方向变化都是最大的;在进行5 km的基线解算中,BDS三个坐标方向偏差基本保持在-0.2~0.4 m之间,相对于GPS系统较好;5 km的基线解算中,GPS系统三个方向坐标偏差值基本在-0.1~0.1 m之间,较BDS系统稳定且精度高。2 km基线的时候在200历元左右GPS固定精度明显优于BDS,5 km的时候GPS在1 000历元左右模糊度固定精度明显要比BDS高,但是随着基线长度的增加,GPS系统模糊度固定精度逐渐趋近,直至小于BDS系统。

基于天牛须种群算法的整周模糊度解算算法

如何快速、准确地固定整周模糊度是载波相位测量中的一个关键问题。为了提高整周模糊度搜索速率,提出了一种基于天牛须种群算法(beetle antennae colony search, BACS)的整周模糊度解算算法。通过与BAS算法、BAS-Nadam算法、LAMBDA算法以及MLAMBDA算法进行解算速率、稳定性的对比实验,在三维模糊度解算时,BACS算法在与LAMBDA和MLAMBDA算法解算成功率相当的情况下,能利用更少的时间搜索到模糊度最优解。为了验证BACS算法在高维模糊度解算以及工程解算情况下是否适用,进行了高维模糊度解算的实验以及单频单GPS系统下BACS算法的应用实验。分析及实验表明,BACS算法能很好保证高维模糊度解算的实时性和鲁棒性,对于12维模糊度解算,平均解算时间0.068 s,解算成功率为92%,对于低维模糊度解算,解算速率更快,解算成功率更高。在单频单GPS系统工程解算中,x、y、z方向定位精度分别为±0.008、±0.01、±0.01 m,能达到厘米级精度定位。

GPS单历元双差整周模糊度确定主辅频相关算法研究

针对GPS现代化增加的L_(5)频率观测值,提出一种GPS单历元双差整周模糊度确定新算法,称为GPS主辅频相关算法。该算法仅采用GPS单历元数据的伪距观测值及主频率与辅频率的相位观测值,通过扩展双频相关法思想,将L_(1)设为主频率、L_(2)或L_(5)选为辅频率,建立GPS主频率与辅频率的双差相位观测值内在相关关系模型,在观测值平差值域和模糊度值域作交叉搜索,并利用Ratio显著性检验法单历元确认GPS主频率双差整周模糊度。算例表明,针对GPS现代化后可观测的L_(1)、L_(2)和L_(5)三种原始相位观测值,优选L_(5)为算法辅频率在模糊度解算效率及成功率上均略优于L_(2),本文算法是行之有效的。

GNSS整周模糊度研究现状与展望

载波相位测量是全球导航卫星系统(GNSS)实现高精度定位的一个重要观测量。在现阶段,自动驾驶、智慧城市等领域的技术越来越成熟,高精度定位能在这些领域得到广泛的应用,甚至促进这些领域的快速发展,是当前卫星导航领域的热点。快速可靠地确定整周模糊度是载波相位测量中的关键,也是提高GNSS定位精度的关键。本文整理了各种整周模糊度的解算方法,其中重点论述了三频载波模糊度解算(TCAR)方法、递进模糊度整数解算(CIR)方法、最小二乘模糊度去相关平差(LAMBDA)算法等整周模糊度的解算方法及其研究进展,并探讨后续研究的方向。

PPP星间单差整周模糊度的固定方法与结果分析

为消除载波相位观测值中存在的小数偏差项,将消电离层模糊度分解为宽巷模糊度与窄巷模糊度,通过星间单差消除接收机端的宽巷模糊度与窄巷模糊度小数偏差,并利用卫星端宽巷模糊度小数偏差恢复宽巷模糊度的整数特性,而卫星端的窄巷模糊度小数偏差则包含在CNES提供的精密卫星钟差数据中,应用其钟差数据也可以恢复窄巷模糊度的整数特性。利用IGS站观测数据进行分析表明,模糊度固定成整数后,星间单差精密单点定位固定解与非差精密单点定位浮点解相比,定位精度有显著改善,三维定位精度的最大改善率达63.8%。

一种用于DGPS整周模糊度解算的混合策略麻雀搜索算法

针对麻雀搜索算法(SSA)在计算差分全球定位系统(DGPS)整周模糊度过程中出现的全局搜索能力弱、易陷入局部最优等问题,提出了混合策略麻雀搜索算法(HSSSA)。首先,通过引入Circle混沌映射初始化种群,提高初始种群的多样性,增强算法的全局寻优能力;其次,将粒子群算法中各个粒子的速度策略引入发现者位置更新公式中,提升算法寻优能力;最后,使用高斯变异策略对最优麻雀位置进行扰动,增强了跳出局部最优的能力。将所提算法应用于9个不同特征的基准函数进行实验,结果表明,HSSSA算法有着良好的寻优精度和收敛速度。在GPS/BDS实测数据的3000个历元的解算中,相比传统LAMBDA算法和SSA算法,HSSSA算法有着更高的解算成功率,可达99.2%。

精密单点定位整周模糊度快速固定

提出利用GPS参考网估计电离层延迟、卫星相位偏差的算法,用于实现区域内精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)的整周模糊度快速固定.利用站间距约为100～200km的参考网进行实验,结果表明:电离层延迟的内插和外推精度均优于1dm,卫星相位偏差估值的日内变化不超过0.2周;此外,单天内不同时刻始,固定PPP整周模糊度所需时长最多不超过10min,且当模糊度成功固定后,三维位置解较之相应浮点解的精度改善优于80%.新算法可望解决PPP普遍存在的收敛时间过长问题,增强了PPP技术的实用性.

用LAMBDA改进算法固定GPS整周模糊度

介绍了LAMBDA算法原理,结合国土资源调查的工程实践,对常规的LAMBDA方法作了两点改进,即扩大超椭球的体积En和以点位的先验信息检验坐标解算结果。实测数据分析表明,两点改进均能有效地提高基线解算的可靠性,具有一定的理论价值。

LEO增强的GPS、Galileo、BDS-3非差PPP模糊度固定性能分析

本文主要研究了GPS、Galileo、北斗三号(BeiDou-3 Global Satellite Navigation System,BDS-3)的未校准相位延迟(uncalibrated phase delays,UPD)稳定性以及低地球轨道(low earth orbit,LEO)增强的非差精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定.基于全球分布的126个测站2022年001—007共一周的观测数据进行GPS、Galileo、BDS-3的UPD估计分析.宽巷UPD每天作为一组常数估计,窄巷UPD每15 min作为一组常数估计.结果表明:宽巷UPD在一周之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.05周;窄巷UPD在一天之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.06周.使用估计的UPD产品进行PPP模糊度固定并对其性能进行分析,GPS、Galileo、 BDS-3各系统静态PPP的平均收敛时间分别由20.75 min、 23.78 min、 30.60 min缩短至10.69 min、18.27 min、24.80 min;平均模糊度固定率分别为90.41%、77.22%、67.21%;东(east,E)、北(north,N)、天顶(up,U)三个方向均方根误差(root mean square error,RMSE)的平均值分别由(1.59 cm、0.91 cm、3.30 cm)、(1.58 cm、0.93 cm、3.24 cm)、(1.61 cm、0.98 cm、3.39 cm)减小至(0.90 cm、0.89 cm、2.98 cm)、(1.33 cm、0.85 cm、2.90 cm)、(1.47 cm、1.18 cm、2.94 cm).利用仿真的LEO星座观测数据,研究不同LEO卫星数量的增强效果,当LEO可视卫星数量愈多时,增强效果愈加显著,当LEO可视卫星数量为10颗时,GPS、Galileo、BDS-3各系统的静态PPP固定解的平均收敛时间分别由10.69 min、18.27 min、24.80 min缩短至1.53 min、1.71 min、1.94 min;模糊度固定率分别由90.41%、77.22%、67.51%提高至93.43%、79.99%、72.00%.

一种BDS单历元整周模糊度固定的解算方法

针对BDS单历元的载波相位观测值进行整周模糊度解算过程中法方程严重病态的问题,利用正则化方法对法方程进行改进,以获得较高精度的宽巷浮点模糊度,同时应用均方误差矩阵代替协方差阵确定其模糊度的搜索范围,以提高搜索效率:确定宽巷整周模糊度;然后利用固定的宽巷模糊度和载波相位双差观测值解算出B1/B2整周模糊度。实验结果表明:该方法能够解决法方程的秩亏问题,并得到较准确的模糊度浮点解,使单历元模糊度固定成功率达到100%。

误差椭圆搜索法EES固定GNSS整周模糊度

LAMBDA方法和改进的LAMBDA方法都使用整数矩阵进行降相关,使得变换后的模糊度方差阵更加对角化,但有时变换后的方差阵的对角线元素的数值量级相差很大,使得搜索空间有些扁长,为了避免这些情况的发生,本文提出一种新的更加理想的误差椭圆搜索(error ellipse search,EES)方法来进行整周模糊度的固定。由于实数矩阵可以使降相关达到各种理想的状态,在降相关方面比整数矩阵更有优势,因此EES方法利用实数矩阵进行降相关,搜索每两个模糊度之间的最佳误差椭圆,使得变换后的方差阵对角线元素趋于同一量级,搜索空间更加接近于球形。试验表明,随着基线长度的增加,EES方法固定模糊度的成功率远远高于LAMBDA方法,缩短了固定整周模糊度需要的历元数,是一种切实可行的有效的固定整周模糊度的方法。

一种GPS单历元整周模糊度固定方法

传统的LAMBDA算法一般需要利用多个历元的观测数据,所需观测时间相对较长;同时确定模糊度的过程中需要对周跳进行探测和修复,以决定是否继续搜索确定模糊度,或是开始下一轮搜索。提出一种标准相位-伪码组合(MW组合)解算单历元模糊度的方法:在宽巷模糊度搜索的基础上,通过确定宽巷模糊度候选集合,直接取整求解L1载波模糊度;并将L1固定解代入双差观测方程中进行最小二乘解算,依据单位权中误差确定最优的宽巷模糊度组合,实现单历元整周模糊度快速固定。结果表明,采用MW组合的单历元模糊度固定法的模糊度固定成功率可达到94.77%。该方法避免了模糊度解算中的秩亏问题,无需进行周跳探测,可用于动态实时定位。

基于超短基线的双频整周模糊度单历元取整固定算法

针对使用伪距取整固定宽巷整周模糊度效率高,但是宽巷一周取整错误发生频繁,伪距误差较大时还会出现大于一周的取整错误的问题,设计了一种可以弥补宽巷取整错误的整周模糊度固定算法.通过宽巷分离出的L_1浮点解小数探测和修复宽巷一周取整错误,使用RAIM算法排除大于一周的宽巷取整错误,最后使用正确的整周模糊度固定全部整周模糊度,完成高精度定位.使用实际GPS超短基线数据比较该算法与单历元LAMBDA算法的性能.该算法提高了直接使用伪距取整宽巷整周模糊度的固定率.相比单历元LAMBDA算法,本文算法的固定率稍低,但计算效率有明显提升.

PPP网解UPD模糊度固定的无基站差分大型CORS站整网快速精密解算

本文利用“国家基准一期工程”和上千全国部分省市CORS站的GNSS观测资料,基于PPP网解UPD模糊度固定技术实现了区域内无基站差分毫米级定位以及上千全国CORS站整网一次快速精密解算,这对于保障国家应急测绘快速响应、实现灾区基准快速建立以及快速获取和恢复国家统一坐标框架基准站坐标等具有重要的实用价值意义。首先,选取2015年8月1—31日198个国家GNSS连续运行基准站计算卫星端的宽巷、窄巷UPD,采用PPP网解UPD模糊度固定技术,对这些GNSS测站的载波相位进行模糊度固定:宽巷模糊度31 d固定率平均值在80%以上的测站共有193个;窄巷模糊度31 d固定率平均值在60%以上的测站共有165个。其次,对PPP整网一次快速解算定位结果进行统计分析,结果表明:31 d整网解算在NEU 3个方向的RMS分别为2.8、3.9、5.3 mm;标准差分别为2.1、3.2、6.7 mm。再者,使用中国区域内5个IGS观测站进行无基站差分精密定位,与SOPAC单天解ITRF2008框架下历元坐标的对比分析表明,31 d单日解外符合精度水平及高程方向均相差在毫米量级。最后,利用上述GNSS基准站解算出来的卫星端的宽、窄巷UPD(31 d),依次对2015年8月1—31日全国及部分省市1195个CORS站观测数据进行载波相位模糊度固定,得到无模糊度的精确相位观测值,从而使法方程中待估模糊度参数减少,克服了基准站网规模和测站个数的限制,实现了上千CORS站整网一次快速解算,对31 d月平均解与国际知名软件GAMIT/GLOBK的双差月解结果(2015年国家基础测绘任务成果)进行比较,结果显示,NEU 3个方向上差异在1 cm以内的测站分别为99.92%、99.33%、79.83%,其中U方向相差在1.5 cm为93.22%。综上所述,PPP网解UPD模糊度固定技术的方法,确保了区域内无基站精密定位、大网快速解算的精度和效率,能够满足灾区及国家坐标框架基准站坐标快速解算与恢复的迫切需求。

改进LAMBDA算法的双频BDS整周模糊度快速固定

针对双频BDS短基线解算法方程病态严重,模糊度的浮点解精度低,导致LAMBDA算法搜索范围过大、搜索时间过长等问题,提出一种改进的LAMBDA算法:运用Tikhonov正则化理论构造一种具有明确物理意义的正则化矩阵R,以获得精确的整周模糊度浮点解;同时用均方误差矩阵RMSEM代替原算法的协方差阵确定模糊度的搜索范围,缩短初始化时间,提高搜索效率。实验结果表明:改进后的LAMBDA算法获得的模糊度浮点解精度显著提高,且无需初始化时间,能够正确固定模糊度的整数解,快速实现cm级定位。

改进的北斗三频RTK整周模糊度固定方法

针对实时动态(RTK)载波相位差分技术中常用的几何模型和无几何模型模糊度解算方法分别存在的搜索效率低和固定成功率低等问题,通过综合分析两种模型的特点,提出了一种三频模糊度解算的改进方法(MTCAR)。选取了2个特性较优的超宽巷组合,采用无几何模型对二者进行模糊度固定,线性组合出误差特性更好的宽巷模糊度;在宽巷距离量的约束下,采用几何模型,对窄巷进行求解;还原出各原始载波的模糊度。通过北斗三频实测数据进行实验分析,结果表明:MTCAR方法的模糊度固定成功率优于几何模型的最小二乘模糊解相关平差(LAMBDA)方法和无几何模型的TCAR方法,且在解算效率上较应用最广的LAMBDA法提高了60%左右。

惯导辅助GNSS整周模糊度快速固定

为了实现高精度全球定位系统(global positioning system,GPS)动态相对定位,文章根据惯性导航系统(inertial navigation system,INS)短时间内精度较高,不易受到外界干扰的特点,提出使用INS输出的位置信息辅助确定整周模糊度算法。在分析INS精度的基础上,利用INS辅助确定模糊度,比较恢复整周模糊度所需要的时间,评估加入INS对固定整周模糊度的帮助。实验结果表明,如果出现短时间的信号失锁,在INS的辅助下,固定模糊度所需要的时间可以被大幅度缩短;当信号失锁持续2s内时,整周模糊度可以被瞬时恢复。

GPS/BDS-3/Galileo精密单点定位模糊度固定

为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)多系统组合精密单点定位(PPP)精度和收敛速度,提出一种GPS/BDS-3/Galileo精密单点定位模糊度固定(AR)方法:利用武汉大学发布的多系统相位小数偏差产品(FCB),采用无电离层组合PPP模型,实现全球定位系统(GPS)/北斗三号卫星导航系统(BDS-3)/伽利略卫星导航系统(Galileo)三系统组合精密单点定位模糊度解算(PPP-AR);并通过对PPP收敛速度以及定位精度等方面进行分析来评估组合后的定位结果。实验结果表明,在数据观测质量方面,地面观测站同时观测三系统卫星总数可以达到31颗;三系统各频点的多路径误差基本在0.3 m以内,三系统各频点的信噪比基本在37 dB·Hz以上;在采用FCB产品进行PPP-AR方面,定位收敛时间优于11.25 min,东、北、天(E、N、U)3个方向的定位精度分别优于1.5、1.1、4.7 cm;相对于PPP浮点解的结果,三系统组合PPP-AR在定位收敛时间和定位结果方面分别提升21%和20%左右。