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。

基于样本增强的列车卫星定位伪距欺骗检测方法

基于卫星导航的列车自主定位是列车控制系统等铁路关键装备的重要技术方向。然而,列车卫星定位面临诸多挑战,除信号可视性问题和多径效应之外,来自系统外部的蓄意欺骗等干扰攻击,会对定位功能及性能产生直接威胁。为此,本文以基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车定位面临的伪距欺骗这一典型干扰模式为对象,研究并提出一种基于样本增强的伪距欺骗主动检测方法。该方法运用Wasserstein生成式对抗网络(WGAN)解决受欺骗干扰样本数据不均衡问题,利用扩充的数据集训练检测模型,并引入自注意力(SA)机制优化来自不同接收机输入特征之间的相对位置关系,采用生成式对抗学习思想形成一套完整的列车卫星定位伪距欺骗干扰检测方案。由列车卫星定位欺骗干扰注入测试结果可知,提出的方法能够充分运用生成式对抗网络思想解决受欺骗样本的典型受限问题,融合自注意力机制所得检测性能显著优于载噪比检测和代表性机器学习算法等常规检测方案;对建模样本未覆盖特征具备良好的适应能力,具有更优的检测精度和鲁棒性,在多个伪距欺骗干扰模式数据集上测试所得F1分数均超过0.99。该方法在欺骗干扰检测性能方面的优势能够为众多卫星导航系统铁路应用提供有力支撑,为有效防范卫星定位在信息安全层面的攻击入侵提供了有利条件。

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。

北斗卫星船载导航信号并行捕获算法

信号捕获作为实现北斗卫星船载导航的第一阶段,也是最重要的一环,为此研究基于北斗卫星船载导航信号并行捕获算法,在短时间内捕获卫星信号,为船舶提供高精度的定位和导航服务。建立北斗卫星导航信号模型,依据模型生成的北斗卫星导航信号,采用傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)算法以及快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)算法,通过并行频率搜索和并行码相位搜索分别将伪随机码相位、载波频移的二维搜索变成一维进行并行搜索,获取北斗卫星信号的伪随机码和载波频移,实现北斗卫星船载导航信号并行捕获。实验结果表明,该算法可以成功地捕获船载导航信号,并且捕获耗时短;对船载导航信号的载波频率估计误差小。

基于PDR算法与伪平面技术的井下人员定位方法研究

为了降低行人航位推算(Pedestrian dead reckoning,PDR)算法在进行井下人员定位时产生的累积误差,提出了一种基于PDR算法与伪平面技术的井下人员定位方法。首先,采用惯性导航传感器获取井下人员的步态信息,通过线性步长估计模型和四元数法实现步长估计和方向估计,利用PDR算法推算人员的位置;其次,使用井下人员活动区域以及预设的标记点构建伪平面,并将井下人员位置映射到伪平面坐标上,为降低PDR算法的累积误差做准备;最后,采用SVM进行井下人员活动检测,通过转弯活动判断其是否处于特殊标记点,将PDR解算的位置与伪平面内已知转弯位置标记点进行相关性分析,完成伪平面信息与工人位置的匹配,校准并更新PDR位置,降低累积误差。结果表明:井下工人在完成单个转弯活动过程中,传统PDR算法解算位置平均误差为0.98 m,而进行伪平面修正后平均误差降低到0.31 m;在完成区域性多活动过程中,采用伪平面技术修正后的PDR平均定位误差从1.08 m降低到0.38 m。因此,所提出的井下人员定位方法有效提高了PDR算法的定位精度。

BDS-3单频三种差分定位方法的性能初步评估

为进一步分析北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B3I、B1C、B2a和B1I单频差分定位精度,利用全球14个MGEX测站构成基线长度在30km以下的7条基线2022-09-01到2022-09-30共30d观测数据,在评估可视卫星数和信噪比基础上,初步评估了BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I单频伪距差分、载波平滑伪距差分和载波相位差分定位精度。结果表明:数据质量方面,BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I可见卫星数和信噪比基本符合解算需求;差分性能方面,B1C和B2a相当,B3I和B1I略差;伪距差分E、N、U方向优于0.6m,点位精度优于0.8m,单频平滑效果B1C优于B3I、B1I和B2a,在E、N、U方向分别平均提升21.34%、22.2%和17.17%。设置平滑值和原始伪距阈值定位精度得到较好的提升;BDS-3载波相位差分B3I定位精度优于7 cm,B1C定位精度优于5 cm,B2a定位精度优于6 cm,B1I定位精度优于5cm。总体定位精度随着基线长度逐渐下降,单频伪距差分定位精度达到分米级,载波平滑伪距中短基线定位精度相较于伪距差分能够提升40%,长基线提升20%,载波相位差分为用户提供厘米级定位精度。

一种伪卫星实现隧道定位的方法及验证

隧道为典型的GNSS信号拒止环境,现有接收机无法在隧道内正常接收信号并实现可靠的定位;现提出一种基于已有接收机硬件平台,通过适应性升级接收机算法软件的方式实现隧道定位的方法;首先通过漏缆以及伪卫星在隧道内搭建用于接收机定位的信号环境,再对接收机定位算法进行改进,使得接收机可以在隧道内完成定位;测试试验结果表明,接收机在隧道内接收到的信号的载噪比稳定,上下浮动幅度不超过1 dB,接收机捕获跟踪信号的相关峰稳定,所搭建的信号环境良好;接收机在所搭建的信号环境中静止状态及移动状态下定位误差均在5 m以内,满足隧道内定位的需求。

基于YOLOv8和伪彩色处理的玉米去雄机导航线提取算法

抽雄期玉米的去雄打顶是提高玉米产量的重要任务,但该时期玉米的叶片、雄穗和土壤色彩难以分割,这给玉米去雄机的行间导航任务造成了困难。考虑到导航线提取的关键是在农业机械行驶区域内进行作物特征点的检测,故本文通过YOLOv8神经网络自主提取玉米雄穗感兴趣区域(ROI),并在ROI内采用Jet映射和Otsu算法分割雄穗、绿叶和土壤,然后采用FAST角点检测方法提取雄穗特征点并根据导航区域划分特征点集,最后采用最小二乘法拟合作物行检测线。实验结果表明,该算法实现了精确的、快速的玉米抽雄期导航线提取,处理单帧图像(600 pix×700 pix)平均耗时56.7 ms,平均偏差角为1.03°,能够满足玉米去雄机田间导航行驶的需求。

GNSS/SINS紧耦合选星算法研究

通过分析全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)和捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,SINS)紧耦合导航系统中最小GDOP法的现有问题,提出一种改进的GNSS/SINS紧耦合选星算法。该算法的主要步骤包括:首先将可见卫星进行伪距异常值检测,并剔除异常值卫星;然后根据卫星的分布特点,利用卫星仰角信息选取最大的一颗作为天顶星,最后将剩余可见卫星随机组合选取三颗卫星和天顶星组成四颗星,得到最终的选星方案。经过与最小GDOP法仿真对比,该算法计算量明显减小,且在保证定位精度的前提下,减少了计算的卫星数目,降低了运算量,具有较好的选星效果。

基于国密算法的伪卫星导航信号认证方法研究

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)有诸多优势,但在一些有物理阻隔或电磁干扰的领域,GNSS的可用性、可靠性、精确性出现明显不足,由此可以使用一种基于地面设备的伪卫星系统进行导航定位服务。伪卫星信号体制细节公开,使得接收机易受到多种欺骗干扰的攻击。为了使信号传输更加安全,提出一种使用导航电文加密方法的信号防伪认证方案,并从安全性、可靠性和认证效率几方面对该方案进行评估。分析表明,所提方案能在保证较好的认证实效的同时,维持较低的通信成本与计算成本,解决了伪卫星系统缺乏认证机制、存在安全隐患的问题。

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。

卫星不足情况下低成本MEMS-INS/GPS伪松组合导航

为了解决GPS可观测卫星不足情况下低成本微电子机械-惯性导航系统/全球定位系统(MEMS-INS/GPS)组合导航精度维持问题,提出基于灰色模型和自适应卡尔曼滤波的MEMS-INS/GPS伪松组合导航方法。以MEMS-INS/GPS松组合导航模式为框架,建立了伪松组合导航系统的状态空间模型。基于MEMS-INS/GPS的历史观测数据,使用灰色模型对MEMSINS/GPS观测差值进行预测,称为系统伪观测量。当GPS可观测卫星充分时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波对MEMS-INS/GPS进行松组合导航;当GPS可观测卫星不足时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波依据系统伪观测量,将MEMS-INS/GPS进行伪松组合导航。以车载低成本MEMSINS/GPS组合导航系统为例进行仿真和实验验证,结果表明:当GPS可观测卫星不足时,传统的MEMS-INS/GPS松组合导航精度迅速下降并发散,而MEMS-INS/GPS伪松组合导航精度与GPS正常工作时的导航精度相差不大,维持了较高精度的导航状态。

动态场景GNSS伪距多路径误差特性分析

为了弥补现有全球卫星导航系统(GNSS)中伪距多路径误差分析大多基于静态数据分析的不足,开展动态场景GNSS伪距多路径误差特性分析:收集车载、机载、船载等3种场景的GNSS动态数据,分析北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B1C、B2a频点伪距多路径误差;并与全球定位系统(GPS)、格洛纳斯(GLONASS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)卫星公开服务频点进行比较。实验结果表明,BDS-3 B1C频点,车载、机载、船载场景的伪距多路径均方根误差(RMS)的范围分别为0.14~0.34、0.18~0.28、0.005~0.059 m,与Galileo E1频点相当,略优于GPS L1频点;BDS-3 B2a频点,车载、机载、船载场景的伪距多路径误差RMS的范围分别为0.10~0.33、0.12~0.22、0.005~0.065 m,与GPS L5、Galileo E5a频点基本相当。

区域大气增强伪距单点定位算法及性能验证

传统的伪距单点定位模型,受限于模型噪声、轨道钟差精度和大气误差修正精度等因素,难以获得高精度的定位结果,已经无法满足现代化应用场景的需求。提出了一种区域大气增强的伪距单点定位方法,能够显著改善伪距单点定位的定位性能。算法采用精密轨道钟差产品削弱卫星轨道钟差误差,使用区域大气参数削弱对流层电离层误差,采用双频非组合模型降低观测模型噪声。实测数据的验证结果表明,区域大气增强伪距单点定位方法的定位精度均方根(RMS)在水平方向优于0.2 m,高程方向优于0.25 m,定位精度的提升非常显著,同时亚米级的伪距单点定位精度在实际工程应用中也具备重要的参考价值。

基于RRT改进算法的伪卫星导航轨迹纠偏策略研究

针对现有基于伪卫星的室内小车导航实际轨迹偏离的问题,提出了一种基于快速搜索随机树法(RRT)改进算法的导航轨迹纠偏方案。在轨迹纠偏方案中,利用软件无线电(SDR)软件对小车原有的遥控信号进行采集并进行调制,得到可以操控小车的信号;并在纠偏程序中添加改进的RRT算法在小车轨迹偏离时进行轨迹规划,从而达到小车轨迹纠偏。结果表明,此方案在进行伪卫星室导航时减小了小车的轨迹偏差,纠偏效果明显。

北斗卫星导航系统B1信号伪距偏差问题研究

目前各大卫星导航系统均存在伪距偏差问题,该现象不但不能通过差分的方式进行抵消,在进行双频电离层误差修正时还会被进一步放大,对卫星导航系统服务精度的提高已构成严重危害。然而目前国内对北斗系统伪距偏差产生机理研究甚少,为了最大程度降低伪距偏差对我国北斗卫星导航系统影响,该文首先深入并详细研究了伪距偏差产生机理及特点,在此基础上设计了试验验证方案,利用国内昊平观测站40 m大口径天线,准确测试并评估了所有北斗卫星导航系统(BDS)在轨可视卫星伪距偏差结果。最后根据试验测试结果,提出针对北斗卫星导航系统的接收机主要参数设置建议,从而能够最大程度上减小伪距偏差问题带来的测距误差和定位误差。该文的研究成果可为GNSS信号设计及实现、GNSS监测评估及用户终端参数设置提供有价值的参考依据。

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。

自适应Kalman滤波在光纤陀螺SINS/GNSS紧组合导航中的应用

为了提高光纤陀螺捷联惯性导航系统(SINS)和全球卫星导航系统(GNSS)的组合导航精度和系统稳定性,设计了基于伪距、伪距率的紧组合导航系统模型。针对光纤陀螺的白噪声特点,以及误差不稳定性导致无法精确建模,将残差引入误差方差阵的估计中,提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波方法。采用改进的自适应卡尔曼滤波方法滤波得到导航参数的最优估计,然后对系统进行反馈补偿校正,抑制了滤波发散问题,提高了系统的稳定性。稳态测试试验结果表明:设计的光纤陀螺SINS/GNSS紧组合导航系统具有较好的鲁棒性;在三颗卫星的条件下,系统能够在短期内保持较高的导航精度,验证紧组合导航的优越性。

基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合导航系统

由于北斗卫星所处轨道远离地球,无源北斗接收机输出伪距的误差较大,影响了与惯导进行伪距组合时的滤波定位效果。考虑到无源北斗伪距误差建模复杂,且Kalman滤波要求误差模型准确,作者研究了采用单机伪距差分的方法减少滤波量测值误差,通过理论分析建立了基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合模型。跑车试验表明,该组合导航算法可有效提高系统的定位精度,并具有滤波参数调整简单的优点。

基于非相干积累的微小伪距偏差RAIM方法研究

针对传统RAIM算法难以检测连续微小伪距偏差的问题,提出一种基于非相干积累的微小伪距偏差RAIM方法。该方法通过对多个历元时刻奇偶矢量的非相干积累,使得检测统计量的非中心参数增大,从而提高算法对于微小伪距偏差的故障检测概率。理论分析和仿真结果表明,该方法在历元累加数为10时,可以显著提高对微小伪距偏差的检测性能,其可检测最小伪距偏差值约为传统奇偶矢量法的1/3。同时,该方法无需判断伪距偏差符号,在伪距偏差快速变化条件下,也能有效检测出微小伪距偏差。