基于组合载波相位的飞行器姿态确定

为解决全球导航卫星系统(GNSS)姿态测量中整周模糊度的快速求解问题,提出一种基于组合载波相位的短基线整周模糊度解算方法,利用单个历元的观测数据解算整周模糊度.根据多颗卫星的单频载波相位整周模糊度解算结果,应用最小二乘原理对基线向量进行精确求解,进而由基线向量确定出飞行器的姿态角.仿真结果表明,该模糊度解算方法在单个历元内至少能够解算出8颗卫星的载波相位整周模糊度,解决了GNSS动态测姿领域的一个关键性问题.测姿结果显示,偏航角和俯仰角的测量误差均小于0.2°.该研究成果可以为GNSS姿态测量系统在航空、航天等对实时性要求较高的领域中的应用创造条件.     

北斗高精度相对定位选星方法研究

针对北斗系统中高轨卫星会带来较全球定位系统（global positioning system ,GPS）更为严重的法方程病态性这一问题,分析了双差载波相位观测方程系数矩阵对整周模糊度浮点解解算的影响,结合北斗系统三轨道星座混合的特点,研究了区域北斗高精度相对定位选星方法,以仰角最高的地球同步轨道（geostationary earth orbit, GEO）卫星作为参考星,优先选取仰角高于10°的中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,然后按照均匀分布的原则选取倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星。通过对实测数据进行试验和分析,证明了该方法的正确性和合理性,在进行区域北斗高精度相对定位时,能在一定程度上改善法方程的病态性,使模糊度浮点解较快收敛至真值附近,有利于模糊度的快速正确固定。     

北斗二号系统非核心区域定位精度影响因素分析

北斗二号系统作为一种区域定位系统在其服务核心区域内发挥了越来越重要的作用,对于北斗二号系统非核心区域定位精度影响因素的研究也变得越来越重要.本研究使用GAMIT/GLOBK软件解算由多GNSS实验项目(MGEX)提供的位于北斗二号系统非核心区的17个IGS站数据,研究了不同精密星历以及基线解算策略中的干湿映射函数、观测...     

GPS双差基线模型的有偏估计解法研究

当GPS定位中设置历元间隔较小时,双差基线平差模型是严重病态的.此时,用最小二乘估计解算整周模糊度得不到正确解.为此,通常采用搜索法确定整周模糊度.但是搜索法一般要经过迭代求解过程,效率较低.尝试用有偏估计法直接解算GPS病态模型来获得较准确整周模糊度浮点解,从而为进一步固定整周未知数做必要准备.     

相位实时差分技术应用于飞行器交会对接研究

空间飞行器交会对接需要实时高精度地确定两飞行器的相对位置.应用GNSS引导两飞行器交会对接,是GNSS差分原理的一种特殊应用.星载接收机提供的载波相位观测值是高精度定位的基础,但是如何实时可靠地固定相位模糊度仍然是关键技术,提出了一种有效的模糊度实时解算算法,即在宽巷组合的基础上附加选权约束来固定两种不同波长的宽巷模糊度,然后依据组合法直接求解L1和L2相位模糊度整数解.实验结果显示,应用该算法进行模糊度单历元实时解算时,15km以内的短基线,解算成功率大于99%,能满足实时交会对接定位精度的要求.为了验证该算法在空间飞行器对接中的应用,采用仿真的方法模拟了两飞行器逼近和离开的过程,模拟并实时输出星载GNSS观测量.进而应用新算法实时估计两飞行器间相对位置,精度达到厘米级水平.我们的研究不但能进一步完善GNSS相位模糊度解算理论与方法,也可促进GNSS在航空飞行器编队飞行和交会对接等相关领域的应用.     

基于SVD-RLS的动对动整周模糊度解算方法

针对动对动相对定位时基线参量实时变化而难以准确求解模糊度浮点解的问题,提出了一种基于奇异值分解-递推最小二乘(SVD-RLS)的动对动整周模糊度解算方法:该方法首先对基线矢量系数矩阵进行奇异值分解(SVD)并变换双差方程以消除基线参量,然后采用递推最小二乘(RLS)实时推算双差整周模糊度的浮点解及其协方差矩阵,最后利用最小二乘模糊度降相关平差(LAMBDA)算法搜索和固定模糊度;试验结果表明,采用基于SVD-RLS的动对动模糊度解算方法,在100s左右即可正确解算出单频整周模糊度,基线误差在1cm以内,能够较好地适用于动对动高精度相对定位的实时解算。     

基于改进型最小二乘搜索的 GNSS 姿态测量方法

结合全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)用于姿态测量具有基线已知的特点,提出了一种改进型最小二乘搜索算法:将整周模糊度分为基本组和剩余组,在伪距精度和基线长度约束条件下确定出基本模糊度组的搜索空间;然后根据模糊度与基线俯仰角、航向角的关系,并以俯仰、航向角度组合作为联系基本组和剩余组的中间变量,通过搜索基本模糊度组来确定出剩余模糊度组合;最后利用最小二乘解算基线矢量,在二次残差比值检验条件下,完成整周模糊度的固定及姿态解算.实验结果表明,改进算法不仅有效减小了模糊度的搜索空间,而且缩短了模糊度初始化时间,具有较高的测姿精度,适用于GNSS姿态测量.     

基于基线约束及递推多历元的改进GNSS定姿技术

在GNSS单频姿态测量技术中,利用单差载波相位和码相位结合模型以及CLAMBDA算法(带有基线约束的最小二乘降相关平差算法)解算整周模糊度可以达到较好的定姿结果,但解算成功率不高。针对这一问题,提出了一种多基线三角形约束的递推多历元方法。三角形基线约束主要针对副基线,利用它可以使CLAMBDA算法得出的整周模糊度更准确。而递推多历元则保证了在此时刻没有解出整周模糊度时仍然可以计算出姿态角,主、副基线都适用。2种方法结合,进一步提高了姿态解算的成功率。对副基线的解算进行了验证,实验证明,这种方法将副基线的成功率提高到99.7%以上。     

基于CGO软件的GNSS基线解算分析

阐述了CGO软件特点、安装方法、数据传输功能,详细说明了CGO软件解算GNSS基线的基本步骤。以T8型GNSS接收机观测的校实习基地数据为例,介绍了错误数据、质量不好数据的剔除方法及基线处理过程。结合实际经验提出了影响GNSS基线解算质量的主要因素,总结出基线的解算时,一定要设置好准确的起点坐标;选择周跳少、残差小的卫星数据;尝试改变卫星高度截止角,剔除低仰角的卫星数据等一些利于推广应用的基线解算的经验方法。     

多约束条件的全球定位系统单频单历元短基线定向技术与实现

通过研究全球定位系统(GPS)伪距测量精度对GPS载波相位差分技术在短基线定向问题中的影响,提出利用基线长度、基线俯仰、卫星之间几何关系的多约束最小二乘整周模糊度实时搜索算法,给出单频单历元进行短基线定向的具体过程和需要注意的关键问题.算法采用单历元解算,规避载波相位周跳问题,极大地减小初始化时间.静态和动态实验结果均表明:该方法快速有效,解算成功率高,具有较高的定向精度.     

改进LAMBDA算法实现GPS整周模糊度快速解算

针对LAMBDA算法在实时解算GPS整周模糊度过程中存在模糊度浮点解偏差大、搜索范围大的缺点,采用Tikhonov正则化改进LAMBDA算法,对宽巷双差观测方程和L1双差观测方程中未知参数的系数矩阵进行奇异值(USV)分解,用分解后的协方差矩阵替换经典LAMBDA算法的协方差矩阵进行整周模糊度的搜索,该算法提高了模糊度浮点解的精度,缩小了模糊度的搜索范围.为了验证本文算法的正确性,对实测GPS基线观测数据进行了实验分析.结果表明:改进后的LAMBDA算法模糊度浮点解精度显著提高,改进后的LAMBDA算法模糊度固定成功率可以达到100%,可以无需初始化时间即可固定模糊度整数解,快速实现厘米级定位.     

基于 MEMS 辅助的单基线北斗融合测姿算法

载体的姿态信息是导航的重要参数,随着北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system,BDS）和微机电系统（micro-electro-mechanical systems,MEMS）惯性传感器的发展与完善,高精度、低成本、自主化的融合测姿技术具有广阔的应用前景,因此,提出MEMS辅助单基线北斗融合测姿算法。根据MEMS惯性传感器解算出的姿态信息确定基线向量的搜索范围,从而辅助模糊度函数法（ambiguity function method,AFM）减小整周模糊度搜索空间,提高整周模糊度快速求解的成功率和计算效率。将BDS输出的姿态角信息作为观测信息,对MEMS陀螺仪解算出的姿态信息进行实时校正,实现BDS和MEMS传感器二者的数据融合算法。通过实测数据仿真验证,该算法能够解决信号失锁带来的整周模糊度求解困难的问题,并且测姿系统能在遮挡和动态等复杂环境下提供高质量姿态测量结果。     

“北斗卫星导航系统数据分析与应用”专题·前言

<正>北斗卫星导航系统(BDS)是我国自主建立的全球卫星导航系统(GNSS),它是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第3个成熟的卫星导航系统,与GPS,GLONASS以及欧洲正在建设的Galileo系统一起形成了未来一段时间内4个主要的全球卫星导航系统,已被联合国卫星导航委员会认定为供应商.BDS自2012年12月26日开始向我国及周边地区提供服务,定位精度为10 m,测速精度为0.2 m/s,     

GPS基线解算结果的某些精化处理方法

ＧＰＳ基线解算的精化处理，是解决基线解算中求解不出整周模糊度的重要方法．论述了采用删除一些岩质观测卫星数据、修复周跳、波技术等处理方法来提高基线解算质量的问题．     

初始种群范围及运行参数对遗传算法解算GPS病态方程的影响

通过实验研究了GPS快速定位病态方程中参数的搜索范围对基线及双差模糊度解算精度的影响,通过GPS基线解算实例研究了种群大小、交叉概率、变异概率及最大进化代数等参数设置对GPS基线及双差模糊度解算精度的影响。计算结果表明,如果测站近似坐标精度达到±0.5m以内,仅利用2个历元的单频载波相位观测数据,利用遗传算法可得到较准确的模糊度浮点解,有利于模糊度的快速固定。种群大小、交叉概率、变异概率及最大进化代数对遗传算法解算精度有一定的影响,通过实验将其分别设置为80,0.75,0.02,400,计算结果表明这些参数的设置是合适的。     

非线性基线长度约束在北斗测姿中的应用

针对传统无约束LAMBDA(least-squares ambiguity decorrelation adjustment)算法中整周模糊度求解成功率不高的问题,提出一种利用基线约束的整数最小二乘快速求解整周模糊度的方法,并将其应用到北斗姿态测量系统中.该方法利用基线长度作为先验信息,将无约束的整数最小二乘扩展为非线性约束的最小二乘,并采用正交映射方法求解其约束解;同时在模糊度求解过程中,根据搜索空间的特性,先确定其上下界范围,再对模糊度残差范围限定,减少模糊度搜索过程中的候选解,最后采用迭代增加模糊度空间法和约束最小二乘求解对模糊度候选解筛选.实验采用单频北斗接收机实时数据对该算法的有效性进行验证,结果表明,在单频单历元条件下,该算法有效降低计算量,将姿态角求解成功率提高30%左右.     

改进的GPS整周模糊度动态快速解算

针对全球定位系统动态快速定位中整周模糊度解算存在的多历元解算和高阶矩求逆造成的计算量大、实时性不强等问题,提出了一种动态快速求解整周模糊度的算法.该算法首先基于奇异值分解变换构造左零空间矩阵以消除基线分量改正数向量,有效分离模糊度参数和位置参数,利用卡尔曼滤波仅对模糊度参数进行估计,获得整周模糊度的实时浮点解;然后采用排序和多次(逆)双乔里斯基分解对其进行降相关处理;最后应用LAMBDA算法搜索固定整周模糊度.为验证算法的正确性和有效性,分别进行了静态和动态试验.结果表明:所提算法能够有效提高模糊度浮点解解算速度和精度,具有良好的去相关效果,静态基线误差小于1cm,动态基线误差小于2cm,可应用于高精度载体的快速动态定位.     

基于分步无电离层组合的北斗三频长距离参考站间宽巷模糊度解算方法

针对北斗三频长距离参考站间宽巷(含超宽巷)模糊度解算中存在的问题,分析了影响宽巷组合(WLC)法、载波伪距组合的无几何无电离层(GIF)法及分步无几何(TCAR)法的主要因素及各自的局限性.在此基础上,基于参考站间基线已知的特性,提出了一种分步解算的无电离层(SIF)方法.首先采用载波伪距组合求解(0,-1,1)超宽巷模糊度,利用模糊度已固定的(0,-1,1)载波观测值与第2个宽巷/超宽巷观测值组成载波无电离层组合,同时分析了残余几何项误差对模糊度解算的影响.最后采用了一组长度为265 km的实测北斗三频基线数据进行了实验验证.实验结果表明,所提SIF方法能够有效消除长基线情况下电离层延迟的影响,同时受观测值噪声的影响较小.     

基于北斗三频组合观测值的精密定位算法研究

北斗卫星导航系统可通过观测3个频率组合信号的相位值来获得定位信息。利用三频组合产生的频率具有组合噪声小和电离层延迟小的优点,可以有效地减少单频测量过程中产生的误差。在介绍三频导航观测模型和定位原理的基础上,利用三频载波相位观测值进行周跳探测,分析了导致模糊度产生的原因以及解算模糊度的3种算法,通过仿真,验证了利用无几何无电离层模型可以有效地实现对多频组合模糊度的解算。     

基于提升小波变换的矿区地表形变监测数据处理研究

利用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）对矿区地表形变进行监测时,获取的形变信号常含有较多的无效信息,严重影响了有效形变信息的提取.为了解决该问题,在现有研究成果的基础上,以河南某矿区的GNSS监测数据为研究对象,将提升小波变换方法引入到GNSS监测数据处理中,对多个监测点的监测数据进行了提升小波降噪及分解解算处理,并通过对比试验验证了提升小波降噪解算方法的有效性.结果表明,矿区复杂环境下的GNSS监测数据中包含大量的噪声信息,若直接进行解算容易导致获取的形变量失真,而利用提升小波变换对GNSS监测数据进行降噪处理之后再进行解算,有助于减少干扰噪声的影响、分离出有效形变信息、提高GNSS监测数据的解算精度和稳定性.本研究可为GNSS监测数据的处理及矿区地表形变监测提供参考.