基于RTKLIB的低成本高精度GNSS静态测量系统

随着科学技术的发展,测量工具和测量手段也发生了变化,其中测量型GNSS呈现价格降低、体积缩小的趋势。目前市场上一整套商用GNSS测量系统的价格从几万到几十万不等,且由于地面基站和移动站体积大、携带不方便等原因,使得商用GNSS测量系统的使用人群仅限于部分专业测量人员,难以在大众市场普及。当今众多领域如无人机、机器制导、精密农业等对高精度定位需求的增加,又促使GNSS测量系统向低成本、高精度、小型化、轻型化发展。本文对U-BLOX的NEO-M8P低成本OEM型GNSS接收机进行50 km基线下的静态观测,基于RTKLIB的测试结果和精度分析表明,低成本GNSS测量系统能够达到厘米级定位精度,能够满足测量工作和GIS应用的需求。试验证明,使用此低成本测量系统能降低测量任务的经济成本,是测量级GNSS接收机中经济适用的选择。     

超高层建筑精密施工测量关键技术

针对传统的测量技术无法满足超高复杂结构建设的要求,根据超高层建筑工程的特点和难点,通过对我国范围内的超高层建筑施工测量技术的总结,本文研发了新仪器设备并提出了超高层标高高精度自动传递工艺方法,探索了一套我国“千米”超高层建筑精密施工测量的关键技术。结合GNSS 定位技术与智能化全站仪等多项新技术,获得高质量高精度测量基准、精确施工控制点及快速高精度的监测点位,将GNSS技术应用于超高层建筑施工监测是精密工程测量的突破,应用前景广阔。     

GNSS转发式欺骗干扰方法的改进

针对GNSS多天线转发式欺骗干扰在实际应用中,当干扰机与目标机距离大于一定范围时,将引起目标机钟差突跳,从而易被目标机检测和识别的缺陷,提出了基于干扰机阵列的转发式欺骗干扰新方法。干扰机阵列按照正六边形网型布设,可实现目标区域的无缝覆盖,并且灵活易拓展。不论目标机位于区域的任何位置,均有一个最优干扰机能够对其实施有效干扰。为了确定相邻干扰机的最优间距,本文在干扰机阵列不同间距下对具有钟差突跳自适应检测能力的目标机的干扰有效性进行了仿真研究。结论表明,综合考虑各种约束因素,相邻干扰机最优间距为17 km,满足该条件的干扰机阵列在实施欺骗干扰过程中,不会造成目标机钟差突跳,有效解决了该干扰方式易被目标机识别的问题。     

利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统（GNSS）掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C （FY-3C）获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.     

CNS+GNSS+INS船载高精度实时定位定姿算法改进研究

天文导航(CNS)、卫星导航(GNSS)和惯性导航(INS) 3种系统组合可提供高精度的定位定姿结果。实际工程中因INS长时间误差累积,以及系统硬件传输存在不可忽略的时间延迟,导致INS提供给CNS的预报粗姿态误差较大,恶劣海况下难以保障快速搜星,造成天文导航可靠性下降、姿态测量精度较低的问题。为此,本文提出了一种CNS+GNSS+INS高精度信息融合实时定位定姿框架,引入了等角速度外推措施,有效地解决了惯导信息延迟问题。通过高精度转台模拟恶劣海况下载体大角速度摇摆,验证了本文提出的改进算法的有效性。试验结果表明,该算法架构简单,性能可靠,显著提高了恶劣环境下星敏感器的快速、准确搜星能力,保障了三组合姿态测量的精度和可用性。     

基于Emardson模型的GNSS-PWV转换系数精化

转换系数(K值)是GNSS气象学中影响GNSS可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)反演精度的关键参数之一.针对中国地区缺乏统一的高精度K值模型, 本文选取2018—2019年均匀分布的42个探空站资料, 分析K值与测站经纬度和高程之间的相关性, 利用2018年K值和多元线性拟合法, 分别建立基于测站纬度和年积日的Emardson-I模型和基于测站纬度、高程和年积日的Emardson-H模型, 并用2019年K值作为真值验证以上两模型的K值预报精度.研究结果表明: (1)K值与测站纬度和高程之间呈负相关, 相关系数分别为0.735和0.941, 而与测站经度的相关性较小; (2)Emardson-H模型预报的K值平均绝对误差(MAE)和均方根(RMS)均值分别为0.00150和0.00182, 均优于Emardson-I模型的0.00221和0.00255, 特别在高海拔地区表现更好; (3)基于Emardson-H模型的GNSS-PWV的MAE和RMS均值分别为0.226 mm和0.283 mm, 均优于Emardson-I模型(0.288 mm和0.360 mm), 在低海拔地区精度提高更为显著.因此, Emardson-H模型的精度优于Emardson-I模型, 在中国西部高海拔地区能取得更好的K值预报效果, 但就PWV反演精度而言, 在低海拔地区效果更好.Emardson模型以其无需实测气象参数的特点使其在地基GNSS气象学中具有更好的实时应用前景.

     

限量灌溉对冬小麦抗旱增产和水分利用的影响

小麦体积含水量是表征小麦生理状态、影响小麦产量的重要参数,传统的测量手段如人工采样烘干、卫星遥感等,难以实现小麦体积含水量的连续、动态、高精度监测,由此提出了一种利用全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）折射测量技术反演小麦体积含水量的方法。首先,使用两组GNSS天线同时接收直射信号和穿透小麦植株层的折射信号,利用两信号的振幅比表示折射信号的衰减程度;然后,基于电磁波传播理论,建立了GNSS直射、折射信号的物理模型,并在此基础上导出小麦体积含水量、振幅比、小麦高度、气温的函数关系,进而构建了反演小麦体积含水量的数学模型。利用导航型GNSS设备采集的数据对所提方法进行了验证,结果表明,在小麦拔节期、抽穗期和成熟期,该方法反演的小麦含水量与人工实测数据符合较好;当小麦含水量在1~7 kg/m³范围内时,反演结果的平均误差、标准差和均方根误差分别为0.058 kg/m³、0.396 kg/m³、0.399 kg/m³。研究结果证明了利用导航型GNSS接收机准确获取植被含水量动态变化信息的可行性,为低成本、低功耗、小型化GNSS植被含水量监测设备的研制奠定了基础。

     

移动测量技术及其应用

讨论了全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）/里程计（odometer,ODO）/惯性导航系统（inertial navigation system,INS）组合定位定姿中误差校正与ODO/INS组合导航两个方面的问题。针对里程计刻度因子和安装误差角的校正,在不改变原GNSS/INS滤波器的基础上,设计了GNSS/INS与INS/ODO两级卡尔曼滤波器级联结构,将INS导航误差与里程计刻度因子误差、安装误差角分别列入两个滤波器的系统状态中,在GNSS连续观测和固定模糊度条件下,利用里程计和惯导里程增量之差作为INS/ODO卡尔曼滤波器的外部观测,对误差进行校正。另一方面,使用校正过的里程计和安装误差角,在GNSS失锁条件下对INS进行观测和修正。跑车实验结果表明,本文算法可以有效校正里程计刻度因子和定位定姿（positioning and orientaton system,POS）安装误差角,同时大幅提高GNSS失锁条件下的定位精度,配合平滑卡尔曼滤波器,可将城市移动测量两分钟GNSS失锁条件下的定位误差控制在0.5 m以内。     

对GPS模糊度解相关方法的一种改进

针对Lenstra-Lenstra-Lovász（LLL）规约算法在高维情况下规约耗时较大的特点,采用贪心算法和部分列向量规约,减少LLL算法规约过程中的基向量交换和尺度规约次数,以降低LLL算法的计算复杂度。通过模拟和实测的数据验证,该改进方法可以降低LLL算法的规约耗时,因而对高维模糊度的快速解算具有一定的参考应用价值。     

非差非组合电离层加权PPP-RTK/INS紧组合模型

PPP-RTK是一种可实现快速模糊度固定的精密单点定位（PPP）技术,它的组成包括由多个接收机构成的网端用于生成各类精密改正产品,以及单站构成的用户端以实现快速高精度定位.当网端是中等尺度参考网,即参考站之间的站间距在百余公里,有必要引入电离层加权模型,其优势在于能够增强PPP-RTK函数模型.此外,从非差非组合观测值层面出发,其能够兼容单/双频用户.然而,单凭卫星导航定位技术很难在复杂环境下提供连续导航定位服务.本文从理论到应用,基于非差非组合电离层加权PPP-RTK模型,构建了单/双频PPP-RTK/INS紧组合模型.在距离最近参考站约70 km的区域进行了两次车载实验,并分别利用单/双频PPP-RTK以及PPP-RTK/INS紧组合模型的实时处理结果进行分析.结果表明,双频PPP-RTK/INS紧组合在半城市环境能从分米级定位提升至厘米级定位,重收敛时间从11 s提升至3.6 s.以水平偏差小于0.2 m评估定位可用率,双频PPP-RTK/INS紧组合模型在半城市环境和复杂城市环境中分别可实现100%和96.97%.考虑车道级定位,单频PPP-RTK/INS紧组合模型在半城市和复杂城市环境内分别可实现分米以及亚米级定位,其在水平偏差在0.5 m内的可用率分别为98.97%和76.1%.