多种导航卫星系统的组合共用技术探讨

随着全球各导航卫星系统的兴建,多种导航卫星系统的组合共用在近年来逐步成为卫星导航领域的研究热点。从导航系统的星座及观测几何、可用性、完备性、精度、可靠性、载波相位模糊度求解能力等方面,分析了多种导航卫星系统组合共用的优越性。阐述了组合共用的使能技术及最新的研究进展,并对发展前景做出了展望。     

BDS+GPS双系统多频RTK算法研究

目前北斗卫星导航系统（BDS）已建成区域导航星座,并具备了覆盖亚太地区的导航定位服务能力。作为全球第一个全星座播发三频卫星导航信号的卫星系统,北斗三频RTK定位性能进入实测验证阶段,而且BDS+GPS双系统多频RTK定位算法也待进行算法验证。本文基于非组合RTK定位模型,采用Kalman滤波算法,并根据在成都实测的BDS三频与GPS双频数据,对各种定位模式下的定位性能进行分析和比较。结果表明,该算法可以兼容不同解算系统和不同频率组合的要求,可以实现多频多系统RTK定位。双系统联合定位精度要高于各个单系统定位。在卫星几何构型较好的情况下,三频定位精度相对于双频短距离RTK定位精度的改善有限,其中BDS单频与GPS单频精度最高。在卫星几何构型较差的情况下,频率的增加可以提高RTK作业的可能性。     

一种使用抗差估计的保护水平重构方法

北斗全球卫星导航系统(简称北斗三号系统,BDS-3)的建设对拓展全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)的应用有重要作用,为多星座融合定位、导航和授时提供了重要支持。多系统融合定位给用户提供了更多的导航信息源,也为导航卫星系统完好性和用户自主完好性指标的实现提供了新的保障。然而多卫星组合的使用显著增加了观测冗余信息,由此提出一种基于抗差估计的保护水平重构方法,利用抗差估计方法及其参数验后信息,重新估计用户保护水平。利用GPS/BDS组合数据进行计算分析,实验结果表明,该方法可在保障特定要求定位精度的前提下,降低告警频率。     

北斗卫星导航系统动态定位精度测试与分析

随着北斗卫星导航系统的建设与发展推动全球卫星导航事业在民航的发展。介绍了卫星导航系统的定位误差通过与作为真值数据的组合导航定位数据进行比较仿真分析了实测数据下精度因子与可见星数目的占比分布北斗卫星导航系统在低海拔平原地区和高海拔山脉地区均可以提供实时导航定位服务且定位结果均符合《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》标准,满足用户的定位要求。      

一种多系统组合导航快速选星方法

采用多卫星导航系统组合导航,定位精度和系统可靠性会大幅提升,但导航定位运算量也会成倍增长。为解决多系统组合导航定位精度与实时性之间的矛盾,提出一种新的选星方法。新方法不追求最小GDOP值,而是以满足导航定位精度的GDOP值为前提,结合模糊理论中隶属函数的思想,按卫星在星座中均匀分布为原则进行选星。推导伪距测量的误差模型,分析了GDOP与测量误差之间的关系。北斗、GPS和GLONASS三系统组合导航选星实验结果表明,在不超过3次求解GDOP值的情况下,新方法能以不小于98%的概率得到GDOP≤4。     

城市峡谷中GPS/BeiDou伪距单点定位性能分析

随着中国BeiDou卫星导航系统的正式投入使用,多卫星系统数据融合是未来定位的发展趋势。本文介绍了GPS/BeiDou组合伪距单点定位数学模型与方法,利用GPS和BeiDou全星座仿真数据,初步研究并分析了城市峡谷中多种典型遮挡环境下单卫星导航系统和组合导航系统的单点定位性能,包括可见星数量、PDOP值、单点定位精度等。结果表明,城市峡谷中建筑物的遮挡使得单卫星导航系统可见星数量不足,导致无法连续定位,几何结构分布不够理想,而GPS/BeiDou组合系统能够显著增加可见卫星数,提高系统可用性,减小PDOP值,有效改善SPP定位精度。     

多频多模导航卫星系统的组合研究

随着中欧伽利略计划的实施，多频多模导航卫星系统的综合应用是未来卫星导航系统的发展方向。在对GPS、GLONASS和GALILEO三个系统各自的特点及其未来发展进行分析的基础上，从其信号频率，卫星可见性，可见稳定性，覆盖范围及数据处理结果等层面研究了三个卫星导航系统的最佳组合方式，并讨论了多系统组合的初步数据处理方法。     

北斗区域卫星导航系统定位性能的纬度效应

与全球定位系统（global positioning system,GPS）不同,北斗区域卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）采用了5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆轨道卫星的混合星座,星座分布不均匀。特殊星座决定了不同纬度地区用户的可见卫星数量和观测几何结构存在明显差异,用户的导航定位性能存在明显的纬度效应。分别从理论模型和实际观测两个方面对不同纬度地区用户的可见卫星数目、观测几何结构和导航定位性能进行较全面分析,使用了多家厂商的接收机,在不同纬度地区进行了GPS、BDS以及两系统融合定位试验。结果表明,BDS定位性能存在明显的纬度效应,即定位精度随纬度升高而降低;GPS导航定位性能没有明显的纬度效应;BDS/GPS数据融合可以减弱纬度效应,提高导航定位服务的精度和可靠性。     

卫星导航定位技术在C4ISR中的应用

介绍了世界上的几种全球卫星导航定位系统的特点和C4ISR系统对导航定位技术的需求,以及组合导航系统在C4ISR系统中的应用。分析了卫星导航定位作为C4ISR系统关键技术发挥的重要作用,指出了卫星导航定位是C4ISR系统综合一体化的关键技术。     

GNSS多星座导航定位算法研究与实现

针对不同导航系统坐标时间系统的不一致,详细论述了多星座导航定位坐标时间系统的统一方法和定位的数学模型。通过MATLAB语言实现相关算法,并对实测数据进行分析研究,结果表明:多星座导航定位相比于单一系统导航定位而言具有更好的几何图形强度,能够提高定位精度,并显著增强定位解算的完好性与可靠性。     

摄影/惯导组合定位技术在GNSS动态定位性能测试中的应用

在分析现有GNSS动态定位精度评估方法不足的基础上,提出区别于传统组合导航滤波算法的摄影/惯导组合定位技术。将多个摄影节点的位置观测量作为基准,利用最小二乘最优估计法统一解算捷联惯导误差参数。摄影/惯导组合定位方法的基本观测量、工作模式与卫星导航定位方法有本质区别;同时又具备高精度定位、高动态定位、高数据刷新率和差异数据观测量4个条件,十分适合作为GNSS动态定位性能测试的评估技术。通过在标志场内进行的摄影测量试验和摄影/惯导组合定位性能仿真试验,验证了摄影/惯导组合定位方法的可行性。该方法为首次提出,具有一定的科学价值。     

多模 GNS 统一定位关键技术研究及精度分析

在卫星定位中,观测环境的优劣对最终定位结果精度有着显著性影响,单GPS系统因为其可观测卫星颗数少和自身星座分布的共同影响,载波相位周跳频繁,定位解的误差大、可靠性低、稳定性差。本文对多模GNSS （ Global Navigation Satellite System ）解算中时空系统的统一,组合单点定位模型和差分定位模型等关键技术进行了研究,实现了多模GNSS组合定位,改善了卫星相对于测站的几何分布,环境适应性加强,使得定位精度、系统冗余度和可靠性大幅提高,最后使用车载数据进行实验验证。验证结果表明,多模GNSS观测卫星数相比单GPS系统而言,观测卫星数增加了2倍,PDOP值降低了42％,极大地提高了差分定位解的成功率,固定解比例提高了18．3％。这充分说明了多模GNSS统一定位的可行性和优越性。     

GNSS/INS组合导航系统定位精度分析

GNSS/INS组合导航系统近年来得到了快速发展,应用领域越来越广泛。组合导航的定位精度是一个重要的研究方向,本文将应用于航空遥感领域的高精度GNSS/INS组合导航系统放置在地面平台上,采集试验数据,通过与NRTK定位结果比较,对组合导航系统定位精度进行分析,得出GNSS/INS组合导航系统的定位精度可达到厘米级的试验结论。     

Using Allan variance to analyze the error characteristics of GNSS positioning

Currently, we evaluate the positioning accuracy of GNSS mainly by providing statistical values that can represent the overall error level, such as CEP, RMS, 2DRMS, and maximum error. These are solid indicators of the general performance of the GNSS positioning. But some applications like GNSS/INS integrated system require a detailed analysis of the error characteristics and knowledge of the precise error model. This requirement necessitates the modeling of the error components of the GNSS positioning solutions. In our research, the Allan variance method is proposed to analyze the GNSS positioning errors, describe the error characteristics, and build the corresponding error models. Based on our research, four dominant noise terms are identified in the GNSS positioning solutions, that is, 1st order Gauss-Markov process, Gaussian white noise, random walk noise, and flicker noise, which indicates that white noise is not always enough and appropriate to model GNSS positioning errors for some applications. The results show that the Allan variance is a feasible and effective way to analyze the error characteristics of the GNSS positioning solutions.     

一种GNSS/视觉观测紧组合导航定位算法研究

全球卫星导航系统(GNSS)在弱信号环境下,GNSS信号易受到遮挡或者电磁干扰,严重影响导航定位的可靠性、连续性和精度. 针对此问题,本文作者研究了一种GNSS和视觉观测紧组合导航定位方法. 首先基于相机采集图像数据,利用ORB-SLAM2开源平台求解得到视觉位置结果增量,再联合GNSS伪距观测数据采用卡尔曼滤波(KF)进行组合定位解算. 采用实测的GNSS伪距观测数据和图像数据进行测试,试验结果表明:该算法不仅能有效地提升GNSS弱信号环境下导航定位的连续性和精度,还能在卫星数少于4颗时保持持续导航定位.      

近年来我国GNSS电离层延迟精确建模及修正研究进展

空间电离层是影响全球卫星导航系统(GNSS)应用服务性能最棘手的误差源之一。近几十年来,随着地基/空基GNSS数据的日益丰富,国内外学者发展并提出了多种重要技术措施修正、削弱电离层延迟对各类GNSS用户导航定位的影响,取得了重要进展和成果。本文在系统总结GNSS空间电离层延迟影响修正研究成果的基础上,从电离层延迟信息精确提取、建模及误差分析、实时改正方法等几个方面,重点介绍了近年来我国在这一领域的主要研究进展情况。     

Estimation and exclusion of multipath range error for robust positioning

In integrated systems for accurate positioning, which consist of GNSS, INS, and other sensors, the GNSS positioning accuracy has a decisive influence on the performance of the entire system and thus is very important. However, GNSS usually exhibits poor positioning results in urban canyon environments due to pseudorange measurement errors caused by multipath creation, which leads to performance degradation of the entire positioning system. For this reason, in order to maintain the accuracy of an integrated positioning system, it is necessary to determine when the GNSS positioning is accurate and which satellites can have their pseudorange measured accurately without multipath errors. Thus, the objective of our work is to detect the multipath errors in the satellite signals and exclude these signals to improve the positioning accuracy of GNSS, especially in an urban canyon environment. One of the previous technologies for tackling this problem is RAIM, which checks the residual of the least square and identifies the suspicious satellites. However, it presumes a Gaussian measurement error that is more common in an open-sky environment than in the urban canyon environment. On the other hand, our proposed method can estimate the size of the pseudorange error directly from the information of altitude positioning error, which is available with an altitude map. This method can estimate even the size of non-Gaussian error due to multipath in the urban canyon environment. Then, the estimated pseudorange error is utilized to weight satellite signals and improve the positioning accuracy. The proposed method was tested with a low-cost GNSS receiver mounted on a test vehicle in a test drive in Nagoya, Japan, which is a typical urban canyon environment. The experimental result shows that the estimated pseudorange error is accurate enough to exclude erroneous satellites and improve the GNSS positioning accuracy.     

城市场景智能手机GNSS/MEMS融合车载高精度定位

智能手机凭借其普遍性、便携性和低成本等优势,已成为大众用户导航与位置服务的主流终端载体,其多频多系统GNSS（global navigation satellite system）观测值的开放进一步激发了手机高精度定位的研究。然而,受限于消费级GNSS器件性能,手机卫星观测值呈现出信号衰减严重、伪距噪声大、粗差周跳多等问题;并且受城市复杂环境影响,手机GNSS定位的连续性、可靠性也难以保证。提出一种城市场景手机GNSS/ MEMS（micro-electro mechanical system）融合的车载高精度定位方案。首先,构建了速度约束的GNSS差分定位模型;然后,通过手机内置MEMS与车辆运动约束,在挑战环境下进行GNSS/MEMS融合精密定位。实验结果表明,在开阔和树荫场景下,速度约束方法可达到分米至米级定位精度,相比于常规方法分别提升了35.2%和78.9%;在高架场景下,GNSS/MEMS融合定位的精度和连续性均提升显著;在隧道场景下,MEMS推算位置累积误差约为2.5%。实验结果初步表明,手机GNSS具备开阔环境下的车道级定位能力,手机GNSS/MEMS融合可提升城市复杂环境下车载定位的精度和连续可用性。     

全球导航卫星系统反射测量(GNSS+R)最新进展与应用前景

全球导航卫星系统(GNSS)具有全天候、近实时、高精度的特点,可持续发射L波段信号,广泛应用于定位、导航和授时(PNT)。随着GNSS技术的发展,最近GNSS反射信号可探测地球表面特征,即GNSS反射测量(GNSS+R)。结合GNSS接收机天线位置和介质信息,利用延迟测量值可以确定表面粗糙度和表面特性。GNSS+R作为当前GNSS和遥感领域的研究热点,取得了一些研究进展和成果。本文详细介绍了GNSS+R原理和方法及其最新应用进展,包括各种GNSS+R技术手段和方法,以及海洋、陆地、水文、植被和冰雪等遥感应用,特别是最新BeiDou-R和TDS-1研究进展。最后给出了GNSS+R应用前景和展望,包括多GNSS系统、GNSS+R接收机、GNSS+R卫星计划和新兴应用等。     

INS/GNSS/ODO嵌入式系统的容错技术研究

车载低成本嵌入式组合导航系统的可靠性容易受到多种传感器故障和环境的影响,基于全球卫星导航系统(GNSS)状态的惯性导航系统(INS)/GNSS/里程计(ODO)抗差组合导航算法,提出了一种两级故障检测处理方法. 其中,第一级检测使用了基于解析冗余的残差卡方检验法,第二级检测使用了改进的双状态传播卡方检验算法. 利用自主研制的GN310低成本嵌入式系统采集路测数据. 结果表明:相对于传统算法,水平定位精度提升了39.7%;另外在半实物仿真下,水平定位误差保持在3 m以内,表明该容错方法能够有效地处理ODO、INS故障和GNSS软硬故障.