考虑潮波特性的GNSS-IR潮位反演方法

潮位监测对于保障沿海安全、海洋监测与分析非常重要。随着GNSS的发展,一种GNSS干涉遥感(GNSS-IR)的技术被证明可以进行潮位监测。该方法通过反演反射表面与天线之间的垂直距离(RH)来估算潮位。在GNSS-IR潮位反演中,有一项重要的误差源需要进行改正——潮位起伏引起的高度变化误差。现有的误差改正方法并不能正确计算RH变化速率,从而不能完全改正该误差。因此,提出了一种顾及潮波特性的GNSS-IR融合方法,基于潮波系数,预测窗口内观测时间的RH变化速率,将该值纳入GNSS-IR融合方程中,实现对高度变化误差更好地改正。本文利用3个国际GNSS站点进行试验,与实测潮位序列对比分析,发现顾及潮波特性后,GNSS-IR融合方法精度提高约1.2 cm;提出的顾及潮波特性的GNSS-IR融合反演算法较传统经典方法,精度提升20%～70%。结果表明,该方法通过潮汐分析,预测不同时刻的RH变化速率,从而实现对窗口内RH变化速率的修正,更好地改正高度变化误差。     

利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮

台风风暴潮每年给沿海城市造成了极大的损失,近年来利用GNSS反射信号的地基遥感方法可以用于潮位监测,称为GNSS-IR（global navigation satellite system-interferometric reflectometry）,对风暴潮期间验潮站资料进行补充。由于风暴潮发生时间短且破坏性强,单系统GPS的时间分辨率难以满足海洋灾害的监测需求。本文基于中国香港站（HKQT）和巴哈马群岛站（BHMA）的多模多频GNSS卫星观测数据反演了3次沿海风暴潮事件。先对多模多频数据的质量进行分析,随后分别对2019年飓风“多里安”、2018年台风“山竹”和2017年台风“天鸽”引起的3次风暴潮,利用基于滑动窗口的最小二乘法对多模多频GNSS-IR反演结果进行改正并与验潮站实测值对比分析。试验结果表明,利用多模多频GNSS-IR反演“多里安”风暴潮的精度优于14 cm,反演“天鸽”和“山竹”风暴潮的精度优于9 cm。相比GPS单系统,多模多频GNSS-IR能够提高监测的精度和时间分辨率,有效提取风暴潮中异常潮位的涨潮、峰值和落潮的全过程,对海洋灾害的研究监测发挥重要作用。     

组合GNSS观测值反演海面高度EI北大核心CSCD

与验潮站技术相比,岸基全球导航卫星定位系统干涉反射技术(GNSS-IR)海面测高成本较低,且其观测量不受地壳沉降的影响,并可利用目前已有的沿海岸GNSS固定站提供的数据反演海面高度。目前常用观测量为大地测量型GNSS接收机给出的信噪比(SNR)值,然而,早期很多GNSS设备的输出文件中都不包含该值,导致无法利用它们研究海面高度长期变化趋势。但经典的码伪距和载波相位观测值中,同样包含着GNSS-IR测高信息。本文分别引入单频码伪距和单频载波相位的组合,以及单频码伪距和双频载波相位的组合GNSS两种观测值的组合实现了岸基海面测高。本文采用模拟数据证明了基于前一组合的GNSS-IR测高精度受到电离层延迟残差的影响,而后一种组合可避免该误差项的影响。为验证两种组合方法的有效性,在山东威海一海上栈桥上开展了试验,采集了全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)的观测数据,并处理得到了海面测高信息。最后,将反演结果与26 GHz雷达高度计的观测值进行了比较分析,发现二者具有较好的一致性,相关系数均优于85%。试验结果表明:两种码伪距和载波相位组合法均可用于GNSS-IR测高。另外,由于当前GNSS-IR测高受多种误差项影响,导致反演精度较低,使得后一种组合在避免电离层延迟残差方面的优越性并没有明显体现。本文组合方法的引入,增加了海面高度反演方法的多样性,提升了GNSS-IR测高技术的应用空间。     

地基GNSS-IR风速反演原理及方法初探

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的发展,曾经被认为是误差源的多路径效应,已经被证实可以用来监测水位、雪深、植被指数、土壤湿度等反射面参数,其中的地基分支逐步发展为GNSS干涉遥感(GNSS-interferometry refl ectometry,GNSS-IR)技术.为了扩展GNSS-IR技术的监测对象和应用范围,本文提出了一套地基GNSS-IR风速反演的原理及方法.首先,本文基于信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)振荡原理、散射模型原理、波浪谱原理,从理论上证明了SNR截止高度角参数与风速之间存在一一对应的数学关系,并仿真得到了具体的数学关系.然后,本文使用小波分析方法从实测SNR序列中获取SNR截止高度角,并将同一GPS卫星、每天同一时间内SNR序列的截止高度角进行基准统一,获得截止高度角变化量;根据该变化量反演风速.算例选取香港HKQT站在"山竹"和"天鸽"台风前后时间的数据进行分析,结果发现:GPS L5信号的截止高度角变化量与实测风速数据对应关系良好,相关性达到70％ ～85％;截止高度角变化量可以刻画风速从低风速逐步抬升至高风速的变化情况;同一站点截止高度角变化量与风速之间存在特定的数学关系;相关结论证实了利用SNR可以估计风速变化.最后,本文讨论了GNSS-IR风速反演技术中下一步的研究方向,以期推进该技术的实际应用进程.     

GNSS多模多频大规模实时高精度定位关键技术研究EI北大核心CSCD

多模GNSS发展及其应用领域的拓展使卫星导航产业迎来巨大发展机遇的同时,也带来了一些亟须解决的问题。各GNSS系统由不同的国家或地区设计、建设和维护,其时空基准、信号频率和编码调制方式都存在差异,多模GNSS组合解算必须顾及系统间和系统内的多种偏差;受大气延迟等误差的影响,中长基线模糊度快速固定困难;大范围参考站网络,大气延迟建模精度低,流动站定位精度差且经常出现无法获取固定解的现象;另外,受限于当前网络RTK系统的服务机制,实时在线用户数量过大易导致服务中断甚至系统崩溃等问题。     

同天线不同接收机的GNSS-IR雪深反演分析

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）干涉遥感技术(GNSS-interferometry reflectometry,GNSS-IR)利用测量型GNSS接收机即可获取反射面信息,具有信号源丰富、采样率高等优势,被广泛应用于雪深、潮位、土壤湿度、海面风场、海冰探测、地表形变监测等领域的研究。然而,GNSS接收机会对接收信号进行多路径抑制,反射信号会被削弱甚至剔除,从而降低GNSS-IR技术的精度。为了探讨GNSS-IR反演中不同接收机、不同频点的影响,基于零基线模式在中国北极黄河站设计了GNSS-IR雪深反演实验,定量研究了接收机性能对雪深反演精度的影响。首先,在站上布设了和芯星通接收机和天宝接收机,并通过功分器共用同一个天线,这样可以获得反射面完全相同的多接收机、多频点观测值;然后,对两台接收机在3个GPS频点下的日均反演结果进行比较以便验证反演策略的有效性,并通过单次反演结果对比分析不同接收机反演效果的差异。结果表明,多个接收机、多个频点都能成功反演雪深值,其偏差基本上在3 cm以内。但是,尽管反射面完全相同,两个接收机之...     

GNSS频间钟偏差时变特征分析及非组合PPP应用

针对卫星频间钟偏差(IFCB)导致传统精密钟差产品无法直接用于多频精密单点定位的问题，该文在顾及不同频率线性组合观测值噪声放大特性的基础上，推导并提出了包括BDS-3 B1C和B2a频点的多系统IFCB数据处理方法和附加IFCB改正的多频非组合PPP平差模型，研究了不同系统IFCB时变特性及其对三频非组合PPP定位影响。实验结果表明：Galileo和BDS-3系统IFCB振幅变化量级较小，平均分别约为0.4 cm和1.0 cm, GPS和BDS-2系统IFCB振幅变化量级较大，分别达20 cm和4 cm,必须加以考虑；相对于无IFCB改正，单GPS和单BDS-2静态和动态PPP解在水平和高程方向定位精度可显著提高，且PPP定位性能改善主要体现在收敛阶段。有效解决了多GNSS系统精密定位过程中多频观测数据有效融合的问题。     

GNSS水汽层析的自适应代数重构算法

代数重构算法在对流层三维水汽反演中具有一定的优势,系统研究了加法代数重构、乘法代数重构、联合代数重构这3种算法,并发展了自适应代数重构算法。该算法针对3种传统算法中误差分配的不足进行了改正,提出了顾及体素块水汽密度变化对全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)斜路径水汽含量影响的动态误差分配原则。此外,将基于GNSS信号的高度角定权模型引入到该算法中,使层析结果更靠近高精度的观测值。利用2016年7月徐州连续运行基准站系统的GNSS实测数据和探空站数据对该算法进行分析,试验结果表明,3种自适应算法反演的水汽密度的均方根误差、标准差、平均绝对偏差都低于传统算法,其中,均方根误差分别降低了25.91%、15.81%和24.64%。在小雨、中雨、大雨3种天气条件下,自适应代数重构算法的水汽廓线分布均优于传统算法的结果,其中,自适应联合代数重构算法反演的水汽廓线与探空廓线最一致。     

估计北斗卫星钟差频间偏差的一种方法

针对北斗频间卫星钟差偏差现有估计方法的不足,提出一种估计方法。该方法不仅顾及频间卫星钟差偏差的变化部分也顾及了其常数部分。采用10个观测站数据,验证了本文提出的算法,分析了北斗频间卫星钟差偏差的特性。在短期内,北斗频间卫星钟差偏差常数部分具有稳定性。对采用新算法计算得到的北斗频间卫星钟差偏差进行了模型化,结果表明,每颗卫星对应的频间钟差偏差可以利用10个参数予以高精度表示,对应精度可以达到厘米级。当采用第1天的模型参数进行第2天频间卫星钟差偏差值计算时,可实现厘米级结果。基于北斗频间卫星钟差偏差的稳定性与可模型化性,提出了高精度北斗卫星钟差服务策略,为我国高精度北斗卫星钟差服务提供参考。     

GNSS多频融合精密单点定位频率间卫星钟偏差研究

全球导航卫星系统(GNSS)提供多频信号,多频融合已经成为一种趋势。在精密钟差估计(PCE)的过程中,卫星钟差参数会吸收卫星端稳定的伪距偏差和时变的相位偏差,这些偏差均与频率相关。因而使用不同的观测值进行PCE时,得到的卫星钟差估值是不同的,它们之间的差值被定义为频率间卫星钟偏差(IFCB)。按组成成分,IFCB可以分成伪距相关的IFCB(CIFCB)和相位相关的IFCB(PIFCB)两部分。国际GNSS服务(IGS)提供的精密卫星钟差产品是基于双频消电离层(IF)组合观测值生成的。由于IFCB的存在,导致IGS卫星钟差产品不能直接应用于多频精密单点定位(PPP)。IFCB的精确考虑已经成为多频PPP的一个关键问题。本研究旨在对IFCB特性和估计方法开展系统深入的研究,并评估其对多频PPP解的影响。     

小波变换与滑动窗口相结合的GNSS-IR雪深估测模型

GNSS干涉反射技术（GNSS interferometric reflectometry）是一种新型的地表雪深监测方式。针对当前信号分离不佳和随机估测偏差的问题,提出联合小波变换和滑动窗口构建一种多卫星融合的GNSS-IR雪深估测精化模型。该模型采用离散小波变换代替常用的多项式方法,获取高质量的信噪比序列。通过利用阈值约束下的滑动窗口筛选多卫星有效反射高度,并进行等权平均。以PBO H₂O和SNOTEL的雪深数据为参考值,利用2016—2017年雪季的GNSS观测数据建立模型并验证精度。结果表明：①GNSS-IR精化模型估测结果与实测数据在整体趋势上保持高一致性;②与单颗卫星结果相比,多卫星融合估测结果在精度和稳定性方面明显改善,其均方根误差（RMSE）为10 cm,相较于PBO H₂O减少了近50%。此外,考虑到地表粗糙度作为一种误差影响因素,采用新的反射高度基准修正的雪深估测相对RMSE误差约4 cm,同时估测值与实际值的相关系数达到0.98。     

基于深度置信网络的GNSS-IR土壤湿度反演

基于大地测量型GNSS接收机获取的反射信号反演土壤湿度是GNSS领域的研究热点。为克服常规线性回归和BP神经网络算法等的缺陷,本文提出了一种基于深度置信网络的GNSS-IR土壤湿度反演方法。试验结果表明,基于该方法得到的决定系数、土壤湿度平均绝对误差和均方根误差分别为0.909 8、0.017、0.021,与线性回归和BP神经网络算法相比,与实测数据吻合度更高,可有效提高土壤湿度反演精度,证明了方法的有效性和可靠性。     

GNSS-R水位反演的技术精度研究

针对地表物体反射信号引起的多路径效应是影响GNSS定位精度的重要误差源的问题,该文采用GNSS静态观测数据中的信噪比反演水面高度的方法,对水面高度进行反演,从而实现对水面高度变化的实时监测。为了验证水位反演的精度,利用平静湖面及海面上的GNSS静态观测数据,提取卫星高度角0～30°区间的卫星信噪比。采用二阶多项式拟合的方法去除趋势项,并利用Lomb-Scargle方法进行频谱分析,获取反射信号频率,从而反演天线相位中心到水面的垂直距离,进而确定GNSS-R技术反演水面高的能力。实验结果表明:GNSS-R技术在平静水面上的反演精度为厘米级,在海面上为分米级。因此,利用GNSS反射信号中的信噪比可以实现对水面高度的实时监测。     

GPS/BDS接收机端系统偏差稳定性对整周模糊度固定的影响

GNSS接收机端的UPD与接收到的信号频率有关,这导致GPS和BDS系统间的双差模糊度不具有整数特性,为了恢复其整数特性,两系统间的系统偏差需要进行估计或改正。在顾及GPS和BDS之间的时间系统、坐标系统和频率间偏差的基础上,推导出GPS/BDS系统偏差计算模型,并利用不同实验对系统偏差的稳定性进行验证。实验结果表明,不同品牌接收机在GPS/BDS系统偏差方面在一定条件下均具有稳定性;天线类型和天线连接线长度没有对GPS/BDS系统偏差产生显著影响。加入系统偏差改正的GPS/BDS紧组合定位在恶劣环境下表现良好,可将模糊度固定平均所需时间缩短33%,模糊度固定成功率提高31%。     

一种融合相位、振幅与频率的GNSS-IR土壤湿度反演方法

GNSS干涉测量（GNSS interferometric reflectometry,GNSS-IR）技术已经成为探测地表环境特性的一种新兴被动遥感技术,综合利用从土壤反射的GNSS信号中提取的相位、振幅、频率特征,提出了一种多类型特征数据融合的GNSS-IR土壤湿度反演方法,采用最小二乘支持向量机（least square support vector machine,LSSVM）、随机森林（random forest,RF）、BP神经网络（back propagation neural network,BPNN）三种机器学习模型,对比和验证了所提方法的可行性与效果。结果表明,多特征融合的LSSVM、RF和BPNN模型反演得到的土壤湿度与参考值的相关系数分别为0.830、0.953和0.980,对应的均方根误差分别为0.045、0.035和0.032 cm3/cm3。相比于单一特征反演法,土壤湿度反演精度和可靠性有显著提升。     

顾及有色噪声的卡尔曼滤波在多路径误差削弱中的应用

多路径误差为一时空环境效应,难以构建准确数学模型消除其影响,且该误差在基线两端不具有空间相关性,运用现有差分技术也无法很好消除,是高精度短基线测量中主要误差之一.为进一步削弱多路径误差,本文以监测站坐标时间序列中多路径误差为研究对象,根据多路径误差在历元间的时变特性,建立多路径误差状态空间模型,采用标准卡尔曼滤波和顾及有色噪声的卡尔曼滤波从监测站第一天双差固定解坐标残差序列中估计多路径误差改正序列,并根据多路径误差的周日重复特性,利用第一天得到的多路径误差改正序列对之后各天坐标序列进行改正.最后通过实验分析,得出顾及有色噪声的卡尔曼滤波估计方法优于标准卡尔曼滤波的结论.研究方法对提高GNSS定位精度具有重要实用价值.     

基于GLONASS频间偏差的GNSS时差监测方法研究

为实现各导航系统的兼容与互操作,需要对各导航系统间的时间偏差进行实时监测.目前,全球卫星导航系统（GNSS）时差监测的主要方法是利用空间信号法进行GNSS时差监测.由于GLONASS系统频分多址的信号体制,导致GLONASS接收机频间偏差（IFB）的存在,GLONASS IFB会影响到GNSS GLONASS的系统时差监测.为消除这一影响,本文提出了基于GLONASS IFB估计的GNSS时差监测方法,由仿真结果可知,利用该方法可以将GPS GLONASS时差监测精度平均提高90％以上.      

GPS/BDS/GALILEO多模单频单历元RTK定位算法

单一卫星系统单频RTK定位可靠性较低,难以满足实时定位需求。由于GPS,BDS及GALILEO均采用CDMA技术体制,GPS/BDS/GALILEO多模系统耦合度较高,可有效应用于RTK动态定位。采用实测数据进行GNSS单频单历元RTK计算,实验结果表明:多模GNSS系统其模糊度ADOP值较小,模糊度固定成功率较高更适用于RTK定位领域。截止高度角较高时多模系统优势更加明显。     

多频多模GNSS接收机差分相位偏差的短期时变特性

随着中国北斗三号全球导航卫星系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)的建成、欧盟伽利略系统(Galileo)及日本准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system,QZSS)的发展,越来越多的卫星可用于反演大气电离层.通常,接收机差分码偏差(differential code biases,DCB)的短时变化被认为是利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反演电离层的重要误差来源,然而,有研究表明,接收机差分相位偏差(differential phase biases,DPB)的短时变化也有可能影响电离层反演的精度和可靠性.为此,本文提出了基于站间单差模型并采用不变换参考星策略来估计接收机DPB的方法,可实现接收机DPB的连续估计.基于几台可跟踪BDS-3信号的多频多模接收机采集的数据,对BDS-3、Galileo、GPS和QZSS重叠频率组合的DPB进行了分析.结果表明,四系统的接收机DPB日变化都是很明显的,并且和温度有很强的相关性;基于不同系统重叠频率组合的DPB之间存在强相关;基于相同类型接收机的DPB的变化也存在明显的相关性.     

GLONASS偏差校正补偿算法模型的构建与应用

针对GNSS多模接收机的应用,分析了GLONASS卫星信号接入GNSS系统中会产生群时延变化等相关问题。通过对GLONASS系统可能产生的半周模糊度、0.25周模糊度、硬件偏差等相关问题的分析研究,探讨了RTK应用中的GLONASS伪距与载波相位偏差的6种有效解决方法。此方法包括了有效实时伪距与载波相位偏差校正补偿等。这些算法能够改进GPS+GLONASS+多模复用系统流动站接收机,使其在第三方基准站或网络系统的所有RTK应用中获得经过偏差改正的高精度的多星系统流动站接收机的性能。同时还提出了在站(或网络)接收机与流动站设备分属不同厂商产品的情况下,多模接收机系统伪距或载波相位测量过程中的差分偏差修正方法,进而提高GNSS系统的导航定位性能、作业效率和提高定位精度。