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本期专栏：卫星导航增强技术

卫星导航增强中的电离层扰动影响研究

——基于系统可靠性工程的视角

刘钝^1，李锐2

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107；2.北京航空航天大学,北京 100083)

摘 要：电离层扰动对全球卫星导航系统(GNSS)增强系统影响严重且复杂.现有GNSS增强系统电离层扰动分析方法主要基于中纬电离层环境设计，缺乏针对低纬地区扰动环境影响的针对性，为此提出利用可靠性工程方法开展增强系统电离层扰动影响研究.利用系统可靠性工程中的故障模式分析方法对GNSS增强系统中的电离层扰动影响进行分析，明确了不同扰动现象及其相应的影响机制.分析了GNSS增强系统中的电离层扰动检测方法，指出现有技术难以满足中低纬区域电离层扰动对增强系统复杂影响的分析、识别和检测需求，中国区域增强系统应开展针对性研究工作.

关键词：电离层扰动；增强系统；完好性；可靠性；故障

doi：10.12265/j.gnss.2022209

基于不同PPP模型的北斗三号相位小数偏差估计与新特性分析

吴飞扬，李昕

(武汉大学 测绘学院,武汉 430079)

摘 要：相位小数偏差(UPD)的精确估计是实现精密单点定位(PPP)非差模糊度固定的重要前提.常用的PPP模型主要分为无电离层组合(IF)模型与非差非组合模型两类，针对两类模型所采用的UPD估计方法有所不同.首先从理论上推导证明了在采用相同处理策略的前提下，基于IF模型与非差非组合模型UPD估计的一致性；进一步采用全球均匀分布的45个国际GNSS服务(IGS)测站观测数据估计了北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)UPD产品，并分析两种估计模型获得的UPD产品的时间稳定性与一致性.结果表明：BDS-3宽巷(WL)UPD与窄巷(NL)UPD均保持较高的稳定性，10日WL UPD的平均标准差为0.0607，单日NL UPD平均标准差为0.0599.针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)，两种模型估计得到的UPD结果具有较高的一致性；然而，BDS-3卫星的UPD结果出现与卫星轨道类型和生产厂家的相关特性，不同轨道类型、不同生产厂家之间的卫星UPD存在0.5周左右的显著差异，同一轨道类型、同一生产厂家的北斗卫星之间具有一致性，推测BDS-3不同轨道类型、不同生产厂家生产的卫星对应的接收机端硬件延迟存在系统性偏差.通过估计不同轨道类型、不同生产厂家卫星对应的接收机端硬件延迟偏离进一步验证了该结论，同时探讨了该新特性对于PPP与模糊度固定的影响.

关键词：精密单点定位(PPP)；相位小数偏差(UPD)；北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)；无电离层组合(IF)；非差非组合

doi：10.12265/j.gnss.2022053

高度角与信噪比混合的GNSS随机模型精化及其对RTK定位性能的影响

蔡亲青1，朱锋1,2，陈曦1，马立烨1

(1.武汉大学 测绘学院,武汉 430079；2.武汉大学 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室,武汉 430079)

摘 要：全球卫星导航系统(GNSS)观测值精度会受到大气延迟、非视距(NLOS)信号和多径等因素的影响，而高度角或信噪比(SNR)模型对不同误差源的敏感程度不一样，导致传统基于高度角或SNR的单一随机模型不能满足全场景的高精度定位导航，加上多频多系统的出现，不同GNSS甚至同一系统的不同频段观测值精度也会存在差异，这也给传统模型定权带来了一定挑战.在分析高度角随机模型、SNR随机模型存在的优缺点的基础上，提出了一种高度角、SNR混合的随机模型；通过站间单差、历元间三次差分别对GPS、北斗卫星导航系统(BDS)、Galileo的伪距、相位噪声进行提取，精化了高度角、SNR混合随机模型.实验表明，SNR模型、高度角模型、混合模型的模糊度正确固定率分别为92.42%、95.85%、97.69%；SNR模型定位精度低于高度角和混合模型，混合模型相比于高度角模型，水平方向上定位精度提升了50.0%，高程方向精度提升了37.1%.

关键词：多频多系统全球卫星导航系统(GNSS)；噪声提取；随机模型；函数拟合；模糊度固定

doi：10.12265/j.gnss.2022070

北斗三号PPP-B2b服务的卫星定轨精度评估

姜蔚，陈向东，邢云剑，董杰，丛睿昊

(国网思极位置服务有限公司, 北京 102209)

摘 要：随着北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的成功组网，新启用的B2b信号由于承载着精密单点定位(PPP)服务而备受关注，但该信号的应用尚未普及，为探究PPP-B2b信号的服务性能，针对自研板卡接收的B1C和PPP-B2b导航电文数据，以德国地学研究中心(GFZ)提供的精密星历产品及其插值结果为参考基准，计算卫星定轨结果与参考基准的互差序列和均方根误差(RMSE)，评估广播星历和PPP-B2b精密改正轨道的轨道精度.结果表明：广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度均值分别为0.19 m、0.65 m和0.89 m；精密改正轨道在R、T、N的精度均值分别为0.13 m、0.32 m和0.29 m；自研板卡接收的PPP-B2b信号满足PPP的应用要求，为下一步开发基于PPP-B2b信号的相关产品提供数据参考.

关键词：北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)；18参数模型；PPP-B2b；Neville插值；轨道精度评估

doi:10.12265/j.gnss.2022154

电离层闪烁下的PPP-RTK定位性能评估

王波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063)

摘 要：精密单点定位(PPP)-实时动态(RTK)技术借助区域大气改正数可实现快速精密定位，被认为是未来自动驾驶的首选技术.然而，PPP-RTK在电离层闪烁环境下难以维持稳定可靠的定位，闪烁已成为PPP-RTK面临的重大挑战之一. 本文阐述了PPP-RTK模型和电离层闪烁特性，并基于香港卫星定位参考站网(SatRef)的实验数据从观测质量、周跳探测、大气产品和终端定位性能四个层面评估了电离层闪烁对PPP-RTK的影响.结果表明：闪烁会降低观测质量，增大周跳误判的概率；GPS、Galileo、BDS三系统改正数精度分别降低了64.7%、64.0%、247.5%，改正数总数减少了4.5个；PPP-RTK定位误差较平静期增大了11.8倍，固定率下降了55.76%；GPS、Galileo、BDS三系统融合解算可大幅改善定位性能，较单GPS解算定位精度提升了93.06%，固定率提升了51.88%，但仍无法达到平静期的效果.

关键词：电离层闪烁；精密单点定位(PPP)-实时动态(RTK)；观测质量；周跳探测；大气改正数

doi:10.12265/j.gnss.2022142

基于虚拟参考站的GNSS滑坡地质灾害监测分析

蔡华^{1,2，刘邢巍1,2，蒲德祥1,2，王斌1,2}

(1.重庆市地理信息和遥感应用中心, 重庆 401127；2.自然资源部国土空间规划监测评估预警重点实验室, 重庆 401127)

摘 要：针对全球卫星导航系统(GNSS)技术在滑坡监测中参考站架设选址难、建设成本高、基准不稳定等问题，使用基于虚拟参考站(VRS)的滑坡地质灾害监测方法，利用卫星导航定位连续运行参考站(CORS)在监测区生成虚拟参考站数据，代替物理参考站进行滑坡监测.实验分析不同解算策略下的虚拟参考站监测精度，并将粗差剔除后的结果与传统GNSS监测进行对比.结果表明：VRS 2 h监测精度平面可达5 mm，高程可达25 mm，所反映滑坡位移趋势与传统GNSS监测一致.

关键词：全球卫星导航系统(GNSS)；基准站；虚拟参考站(VRS)；滑坡监测

doi:10.12265/j.gnss.2022156

基于超高阶地球重力场模型的GNSS高程转化方法

赵保成^{1,2，徐健1,2，徐坚1,2}

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所,武汉 430010；2.武汉市智慧流域工程技术研究中心,武汉 430010)

摘 要：为了将全球卫星导航系统(GNSS)得到的大地高直接应用于工程建设中，需要将大地高转换为正常高，基于5种超高阶地球重力场模型结合改进的“移去-拟合-恢复”法开展了GNSS高程转换方法研究，对实验结果的对比分析表明：在实验测区内，利用SGG-UGM-2地球重力场模型直接计算得出的高程异常值与真实高程异常的符合程度更高，中误差为±0.0093 m.当采用“移去-拟合-恢复法”后，利用XGM2019e_2159地球重力场模型的高程异常拟合效果更优，中误差、极差、偏度值与峰度值最小，分别为±4.786 6 mm、18.875 7 mm、−0.648 8、0.887 8.

关键词：大地高；正常高；重力场模型；拟合；中误差

doi:10.12265/j.gnss.2022141

低轨增强北斗PPP-RTK定位方法与实验分析

邓志旭，付元辰，李昕

(武汉大学 测绘学院,武汉 430079)

摘 要:低轨星座具有卫星数目多、几何构型变化快等优势，有利于精密单点定位(PPP)中模糊度参数的快速收敛，从而提升其收敛速度与定位精度.但由于未能精确消除大气误差的影响，难以实现瞬时厘米级定位.提出一种低轨增强北斗PPP-实时动态(RTK)方法，结合高精度大气增强信息与模糊度固定方法(AR)，进一步改进北斗快速精密定位性能.首先设计了包含192颗低轨卫星的极轨星座，仿真了22个地面测站的观测数据，在估计相位小数偏差与精密大气延迟改正数后，分别测试了低轨增强北斗PPP、PPP-AR与PPP-RTK的定位性能.结果表明：在低轨星座增强下，可视卫星数目增加6~8 颗，22个测站北斗PPP的平均初始化时间由552.1 s缩短至102 s,提升了81.52%.模糊度固定后，初始化时间进一步缩短至1 min以内.通过180 km地面参考网增强后，低轨增强北斗PPP-RTK可以实现瞬时厘米级定位，定位精度相较于PPP提升98.5%.将地面参考网扩大至500 km 后，低轨增强北斗PPP-RTK仍可以实现约10 s的快速收敛.

关键词：低轨增强；精密单点定位(PPP)-实时动态(RTK)；相位小数偏差；模糊度固定；北斗卫星导航系统(BDS)

doi:10.12265/j.gnss.2023008

理论与探讨

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

蔡子睿^{1，方荣新2，胡冰燕1，熊恒1}

(1.武汉大学 测绘学院,武汉 430079；2.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

摘 要：北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成，可为用户提供公开、免费的高精度服务，对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义.BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节. 首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品，并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后，以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考，评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为 6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm，钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后，利用改正后的精密轨道和钟差产品进行 精密单点定位(PPP)验证，结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、 0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度 相当，可满足单站实时高精度定位与导航的应用需求.

关键词：北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)；B2b信号；精密星历；精密单点定位(PPP)

doi：10.12265/j.gnss.2022217

基于改进高斯-牛顿法的NLOS误差消除三维定位模型

刘晨

(江苏省物联网应用技术重点建设实验室(无锡太湖学院),江苏 无锡 214064)

摘 要：针对无线传感网络进行室内定位过程中由于信号非视距(NLOS)传播导致精度低的问题，提出一种基于改进高斯-牛顿法的NLOS误差消除室内三维定位模型.该模型基于欧式距离，利用最小二乘算法得到目标位置的初始解，并根据改进的高斯-牛顿法对非线性最小二乘估计值进行迭代，进一步降低NLOS误差的影响，收敛得到最终的精确位置.实验结果表明：该模型在三维空间的定位误差约在0.64 m，最大定位误差不超过1.29 m，误差小于1.2 m的概率为96.5%，较其他定位方法有更好地定位效果.

关键词：三维定位；非视距(NLOS)；非线性；最小二乘估计；高斯-牛顿法

doi：10.12265/j.gnss.2022153

基于GNSS极化掩星信号的降水观测数据周跳处理算法分析

安豪，卞双双，杜晓勇

(西安测绘研究所, 西安 710054)

摘 要：利用全球卫星导航系统(GNSS)极化掩星信号提取降水信息是国际上新兴起的研究领域.针对在前期理论研究、仿真分析和地基试验的基础上，重点解决地基试验数据中的周跳处理问题.结合地基试验双极化载波相位数据的特点，系统对比分析了高次差法、多普勒观测值法等6种常用周跳处理算法的可行性和适用范围，进而研究对高次差法进行改进以解决人为确定求差次数问题，最后通过仿真分析及实测数据验证了该方法的可靠性和有效性.结果表明：该方法能够准确探测出无雨和有雨时水平极化载波相位和垂直极化载波相位的各类大小周跳，可有效应用于GNSS极化掩星信号的降水观测数据处理.

关键词：全球卫星导航系统(GNSS)；极化掩星信号；降水；周跳探测；高次差法

doi：10.12265/j.gnss.2022205

高阶电离层在GNSS对流层参数估计的影响

魏僮，阎卫东，马健

(沈阳建筑大学 交通与测绘工程学院,沈阳 110168)

摘 要：为了研究高阶电离层在全球卫星导航系统(GNSS)对流层参数估计中的影响.在太阳活动平静期和活跃期，分别选择亚太地区的8个MGEX(Multi-GNSS Experiment)跟踪站.通过GAMIT10.71分析了高阶电离层延迟在北斗二号(BDS-2)、北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS和Galileo对流层参数估计的影响.实验结果表明：太阳活动平静期，高阶电离层延迟对于Galileo 的对流层天顶总延迟(ZTD)、可降水量(PW)和南北梯度(NS_{grad)影响最大分别达到7.70 mm、1.26 mm和6.77 mm；高阶电离层延迟对于GLONASS的对流层东西梯度(EWgrad)影响最大达到9.30 mm.太阳活动活跃期，高阶电离层在GNSS对流层参数估计中产生了更大影响.其中，高阶电离层延迟对于BDS-2的ZTD和PW影响最大分别达到21.30 mm和3.49 mm；高阶电离层延迟对于Galileo的对流层NSgrad影响最大达到19.87 mm；高阶电离层延迟对于GLONASS的对流层影响最大达到了EWgrad21.21 mm.实验结果进一步表明：高阶电离层在GNSS对流层PW估计的影响较小；ZTDNSgrad和EWgrad影响则较大.高阶电离层延迟对于BDS-3和GPS对流层参数估计影响较小；Galileo、BDS-2和GLONASS影响则较大.}

关键词：高阶电离层延迟；全球卫星导航系统(GNSS)；太阳活动平静期；太阳活动活跃期；对流层参数估计

doi：10.12265/j.gnss.2022157

技术报告与应用

基于优化残差组合的北斗卫星短期钟差预报研究

周仕琦，蔡成林

(湘潭大学 自动化与电子信息学院,湖南 湘潭 411105)

摘 要：为解决传统模型因使用卫星钟差一次差分序列而导致预报精度差的问题，进一步提升预报精度，提出一种优化残差组合对卫星钟差一次差分序列进行预报的方法.该方法首先根据北斗卫星钟差序列的特点，利用四分位法(IQR)代替中位数法对一次差分序列进行预处理，然后利用自回归滑动平均模型(ARMA)将经过预处理后的卫星钟差一次差分序列分成趋势项和残差随机项，接着利用极限学习机(ELM)模型对残差部分进行建模预测，最后将ARMA模型的预测结果和ELM神经网络的残差预测结果求和后进行差分还原.结果表明：当卫星钟差呈非线性时，组合模型的预报精度比传统模型提升了38.2%，在北斗卫星钟差短期预报中具有一定的可行性.

关键词：北斗卫星钟差预报；自回归滑动平均模型(ARMA)；极限学习机(ELM)；组合模型

doi：10.12265/j.gnss.2022136

基于静地特性的GEO带目标混合函数型星历表征设计

刘隆迪，杜兰，刘泽军，张中凯，周佩元，黄俊迦

(信息工程大学 地理空间信息学院,郑州 450001)

摘 要：地球同步轨道(GEO)卫星带是一类独具高空战略地位的轨道资源.长期以来GEO带编目目标采用双行轨道根数(TLE)和简化常规/深空摄动4模型(SGP4/SDP4)进行通用轨道计算，但该解析算法存在外推精度受限、使用过程复杂、用户难以理解等缺点.本文针对GEO的静地特性，结合经典开普勒根数和多项式-傅里叶级数设计了混合函数型参数星历模型，可用于高精度数值积分轨道的 12~24 h轨位拟合和多组星历参数的同步发布，用户计算模型简 单.对三颗代表性GEO目标为期一年的星历参数拟合实验表明，1 d拟合均方根(RMS)均值优于20 m；当缩短拟合时长至12 h，拟合精度可优于0.15 m.可为我国空间目标编目库的分级管理提供参考.

关键词：地球同步轨道(GEO)卫星带；趋势项；周期项；傅里叶级数；星历

doi：10.12265/j.gnss.2022188

卫星导航多干扰源测向定位技术及应用

殷赞^{1,2，甄卫民1，靳睿敏1,2，林子扬1，王润梓1，车磊1}

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107；2.西安电子科技大学,西安 717071)

摘 要：针对导航对抗环境下干扰源等难以检测和排查的问题，给出了卫星导航干扰源空地协同测向定位系统设计方案和干扰源查找流程，对该系统采用的空间谱估计和相关干涉仪结合的多干扰源测向技术进行了仿真分析，对该系统进行了实际的测试验证.测试结果表明：车载干扰测向定位系统可同时测向的同频多干扰源数量为4 个，测向均方根误差(RMSE)精度为1.4°，系统定位精度为5%，在 R以内(R为干扰源与检测点之间的距离)，可以满足实际使用需求.

关键词：卫星导航干扰源；空地协同；干扰检测；干扰测向；干扰定位

doi：10.12265/j.gnss.2023006

基于GMM-DBC的CSI室内定位算法

李新春^1，李莹2

(1.辽宁工程技术大学 电子信息工程学院, 辽宁 葫芦岛 125105；2.辽宁工程技术大学 研究生院, 辽宁 葫芦岛 125105)

摘 要：针对贝叶斯室内定位技术存在定位精度低及时间复杂度较高的问题，提出了一种基于高斯混合模型和密度聚类(GMM-DBC)的信道状态信息(CSI)定位算法.通过对分模型参数的初次估计构建GMM概率分布模型并进行误差计算；引入确定分模型个数(DSM)策略，结合误差计算结果更新GMM模型参数，减小由模型精度引起的定位误差；基于不同参考点的分布特征，判断参考点间紧密程度，将紧密相连的参考点划为一类，减小搜索范围，降低时间复杂度；根据分簇结果，利用改进的贝叶斯概率算法进行权值计算，得到最终定位结果.实验结果表明：所提算法能较好地提高定位精度，降低时间复杂度.

关键词：室内定位；信道状态信息(CSI)；贝叶斯概率算法；高斯混合模型；密度聚类(DBC)

doi：10.12265/j.gnss.2022184