复杂环境下结合EMD的GPS-IR水位反演方法

利用法国布雷斯特(Brest)港BRST测站和英国塞文大桥监测系统GNSS双频观测数据,分别在静态和高动态环境下进行GPS-IR水位反演,探究传统GNSS监测系统进行水位反演的可行性与精度.结果表明:L1波段反演精度高于L2波段;在静态场景下,GPS-IR水位反演结果与验潮站数据相关系数大于0.98,在高动态场景下,桥梁GPS-IR水位反演精度稍低.利用经验模态分解(EMD)方法对算法进行改进,提高了在桥梁复杂环境下GPS-IR水位反演结果的精度,均方根误差(RMSE)相比经典方法降低约50%.本文方法提高了GPS-IR技术在不同水域环境下的适用性,在水位监测中具有很好的应用前景.     

普适型GPS用于黄河盐锅峡水位监测分析

黄河水文变化复杂,现有水位监测方法费时费力且不能很好满足时间分辨率和空间分辨率两个方面的需求.地基GPS-IR技术的出现为水位监测提供了新的手段,但目前大多数地基GPS-IR技术采用的接收机为高精度大地测量型接收机,成本高、时效性差,不适合大范围推广.首先介绍了普适型GPS接收机的组成,并对GPS数据观测质量进行了分析;其次给出了地基GPS-IR技术用于水位监测的基本原理;最后利用黄河盐锅峡GPS实测数据进行GPS-IR水位提取,以兰州水文站水位监测数据为参考分析了普适型GPS接收机反演水位的精度,得到了最佳RMSE为0.21 m的精度.实验结果表明,普适型GPS接收机可用于长时间水位监测.     

GNSS多星定位数据的质量分析

重点对北斗卫星(BDS)、双星(GPS/GLONASS)和多星(BDS/GPS/GLONASS)定位数据的多路径效应、电离层延迟、数据利用率与信噪比、卫星可见数和精度因子PDOP值等几个方面进行比较分析.试验分析表明:多星融合的平均mp1和mp2相比BDS单系统分别减小了18%和8%,多星融合增加的卫星在一定程度上可以相互补偿从而削弱多路径效应对定位结果的影响;当高度截止角大于40°时,单系统无法满足导航定位的需求,而多星融合因其可见卫星数增多,仍然可以得到较低且比较稳定的PDOP值,提供了高精度的定位服务.     

基于GNSS的空间环境参数反演平台及精度评估

基于全球和区域全球导航卫星系统(GNSS)参考站网进行对流层和电离层参数反演实现空间环境变化监测具有成本低、精度高、实时性好等优点,得到了广泛应用.本文基于南京信息工程大学的北斗/GNSS空间环境监测平台Xsensing,以国际GNSS服务组织提供的对流层产品为参考,评估了不同气象条件下对流层参数反演精度,在此基础上采用固定非差模糊度的精密单点定位技术(PPP)实现高精度电离层参数反演.实验结果表明,基于全球参考站的对流层估计误差偏差为0.05 mm,对应的标准差为5.6 mm,在平稳和剧烈的气象条件下均能反映水汽变化趋势特征.基于短基线进行电离层延迟反演精度评估,结果表明浮点解PPP反演电离层延迟误差的平均偏差为-0.09 TECU,精度为0.38 TECU,采用非差模糊度固定技术对电离层延迟提取精度提高达84.2%;静态模拟动态解算模式下电离层估计精度与静态相当.上述结果表明该平台可实现高精度空间环境参数反演,下一步将融合机载、船载等多种平台观测实现中小尺度空间变化监测.     

利用GNSS反射信号监测海面高度变化——基于法国BRST站2019～2021年数据

GNSS反射测量(GNSS-R)技术凭借其数据来源广泛、低成本、高时空分辨率等优势,在地表与海洋环境监测等方面展现巨大潜力,已成为海面高度(SSH)反演的重要技术途径。现有研究大多聚焦于3～6个月内的短期GPS潮位反演,难以反映海面高度的季节性变化及年际特征,且在动态海面改正时仅考虑了垂向速度的影响,忽视了海面波动的垂向加速度,导致低潮位与高潮位的反演精度较差。基于此,以法国某一岸基跟踪站——BRST站为例,利用其连续3年的BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统反射信号,通过Lomb-Scargle谱分析和二阶动态潮位改正模型,采取稳健回归策略反演海面高度,并将最终结果与验潮站观测值进行对比,分析潮位变化趋势。结果表明:GNSS-R技术反演结果与验潮站观测值具有较好的一致性,反演精度有逐年提升的趋势,均方根误差(RMSE)为7.57 cm,相关系数为0.935; 海面高度的季节性变化特征明显,秋、冬季平均海面高度偏高,夏季平均海面高度偏低,且海面高度的季节性变化与温度的季节性变化存在着相反的趋势; M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4等9个分潮的振幅差为0.06～6.76 cm,其平均绝对误差(MAE)为1.60 cm,迟角差为0.03°～6.96°,其平均绝对误差为2.45°,在频域上进一步验证了GNSS-R技术监测海面高度变化的可靠性。     

单历元GPS变形监测数据处理与系统研制

GPS以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在变形监测中有着广泛的应用.随着GPS软硬件技术的成熟,实时自动化的高精度变形系统将是今后的发展趋势.在这样的系统中,数据的实时处理是系统建设中的关键问题之一.在分析利用GPS进行变形监测常规数据处理方法的基础上,着重于对GPS数据的单历元解算变形信息方法进行研究,不通过基线解算直接提取变形信息,从而避免了周跳的探测与修复;并且采用VC++.net作为开发平台,完成了变形监测数据处理系统的实现过程.     

单历元GPS变形监测数据处理与系统研制

GPS以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在变形监测中有着广泛的应用.随着GPS软硬件技术的成熟,实时自动化的高精度变形系统将是今后的发展趋势.在这样的系统中,数据的实时处理是系统建设中的关键问题之一.在分析利用GPS进行变形监测常规数据处理方法的基础上,着重于对GPS数据的单历元解算变形信息方法进行研究,不通过基线解算直接提取变形信息,从而避免了周跳的探测与修复;并且采用VC .net作为开发平台,完成了变形监测数据处理系统的实现过程.     

多模GNSS卫星轨道插值方法研究

利用MGEX提供的精密星历对GPS、GLONASS和BDS卫星轨道进行插值方法研究,分别使用Lagrange插值法、Neville插值法与Chebyshev多项式拟合法进行插值计算及精度分析。结果表明:在相同阶数的计算下,3种方法计算出的卫星位置精度均能达到毫米级,而且用Lagrange插值法、Chebyshev多项式拟合法计算GPS和BDS卫星位置效果较好,用Neville插值法计算GPS和GLONASS卫星位置效果较好。     

BDS/GPS/Galileo多频观测值精度评估及随机模型精化

随机模型的优劣直接影响GNSS精密定位的精度以及可靠性.通过MEGX观测网CUT0、CUT2和CUTA测站连续10d观测数据,基于短基线单差模型方法求解各系统单差残差的时间序列,并推导出BDS/GPS/Galileo卫星观测值噪声.统计观测值噪声随高度角变化的情况,通过最小二乘拟合方法确定精化的随机模型.结果表明:Galileo的4个频点的伪距观测值精度约20~50cm,E5频点的精度最高,E1最低,E5a和E5b基本相当;载波相位观测值精度约1~3mm,E5频点的精度明显高于E1、E5a和E5b.BDS载波观测值精度约1~3mm,B1、B2、B3精度基本相当,其伪距观测值精度约30~50cm,B1精度最低,B2和B3相差不多.GPS L1伪距观测值精度约63cm,L2伪距观测值精度约42cm,载波相位精度约3mm.基于单差模型对各系统观测值进行精度估计,在短基线情况下,BDS/GPS/Galileo载波相位观测值精度基本相当,而Galileo E5伪距观测值精度明显优于其他卫星系统伪距观测值精度.各类型卫星观测值的残差分析可为定位中随机模型的建立提供依据.     

GNSS基准站环境质量分析系统设计与实现

在利用全球导航卫星系统GNSS（GPS,GLONASS,Galileo等）进行精密定位时,多路径效应是影响其精度和准确度的主要误差源之一,但不能通过差分方法消除,故对GNSS基准站环境质量监测至关重要。在阐述GNSS基准站环境分析原理的基础上,对GNSS基准站环境质量分析软件进行了系统设计,利用VB编程实现了该分析软件。该软件界面良好,人机交互能力强,功能全面,能从多方面对基准站的环境进行分析,因此在进行数据质量分析方面有较好的实用价值。     

基于北斗B3频点的低轨卫星实时定轨性能评估

基于自主研制的搭载于浙江大学皮星三号（ZDPS-3）任务的星载GPS/北斗双模接收机,在北斗B3频点上开展低轨卫星实时定轨仿真试验,对基于北斗（特别是B3频点）的实时定轨性能进行评估. 结果表明：B3频点的测距伪码码速率高,其抗噪声性能优于B1频点,有利于提升北斗导航系统下的低轨卫星定轨精度. 在建立观测模型和定轨算法模型并检验接收机实测数据质量的基础上,利用导航信号模拟器建立半物理仿真实验平台. 实验结果表明,在仅使用北斗二号14颗导航卫星的条件下,利用B3频点能获得明显优于B1频点的实时定轨精度,并且与基于处于完全运行状态的GPS的定轨精度相当.     

BDS3／GPS PPP-B2b定位收敛性能分析

基于BDS3提供的PPP-B2b服务,测试分析了不同伪距精度的接收机在PPP-B2b定位收敛时间和收敛精度等方面的差异.结果表明:BDS3单系统定位精度静态30min可收敛至水平方向优于0.15m,高程方向优于0.17m;BDS3／GPS双系统定位精度静态20min可收敛至水平方向优于0.11m,高程方向优于0.13m;相比于BDS3单系统,双系统定位精度水平和高程方向分别提升26.7％和23.5％.此外,平均伪距精度为1.681m的A接收机,其BDS3单系统PPP-B2b定位收敛30min后精度为0.331m,BDS3／GPS双系统收敛20min后精度为0.250m;平均伪距精度为0.873m的B接收机,单系统和双系统对应的收敛精度分别为0.221m和0.167m;两者相比,B接收机的平均伪距精度提高0.808m后,使用其进行PPP-B2b测试BDS3单系统和BDS3／GPS双系统的收敛精度分别提升33.4％和33.2％.     

Design on a Multi-Sensor Integrated Attitude Determination System for Small UAVs

This paper discusses the design and implementation of a low cost multi-sensor integrated attitude determination system for small unmanned aerial vehicles（ UAVs）,which uses strapdown inertial navigation system（ SINS） based on micro electromechanical system（ MEMS） inertial sensors,commercial GPS receiver,and 3-axis magnetometer.MEMS-SINS initial attitude determination cannot be well performed for the reason that the MEMS inertial sensors biases are time-varying and poor repeatability,therefore in this paper the magnetometer and inclinometer are used to assist the MEMS-SINS initial attitude determination and MEMS inertial sensors field calibration.Furthermore,the attitude determination algorithms are presented to estimate the full attitude during GPS signal outage and non-accelerating situation.Additionally,the attitude information estimation results are compared with the reference of the non-magnetic marble platform and 3-axis turntable.Then the attitude estimation precision satisfies the requirement of attitude measurement for small UAVs during GPS signal outage and availability.Finally,the small UAV autonomous flight test results show that the low cost and real-time attitude determination system can yield continuous,reliable and effective attitude information for small UAVs.     

低信噪比下的高精度复正弦频率估计算法

MAP/ML频率估计算法由于同时利用了幅度和相位信息,在信噪比较高时可得到极高的估计精度,但在低信噪比下估计性能不佳．对此分析了形成原因,并提出了结合FFT确定相干积分长度及无卷绕序列的最大似然(ML)估计方法．利用FFT的粗估计值对信号进行频移,从而将信号的频率和序列的相位变化限制到了一定范围内,据此推导了不同相干积分长度下的克拉美罗界(CRLB),确定了相干积分数据分段的最佳长度,通过相干积分提高信噪比保持高估计精度．依据相移后相位方差选择估计序列的方法,避免了解卷绕过程,从而消除了解卷绕对低信噪比下算法性能的影响．Monte Carl仿真实验结果表明本频率估计可达到非常接近CRLB界的估计性能．     

Channel Estimation and Compensation for Underwater Acoustic Pipeline Communication

An estimation and compensation algorithm for underwater acoustic pipeline channel is investigated. A joint time-frequency adaptive signal-to-noise ratio (SNR) estimation based on the maximum likelihood method is introduced firstly, and the Cramer-Rao lower bound (CRLB) is proposed so as to evaluate the performance of the SNR estimation algorithm. For frequency-selective fading channel part, estimation and compensation are made to improve the robustness of the system on the basis of the LMS algorithm. Furthermore,real-time update iteration algorithm in the frequency domain is investigated to realize synchronous receiving and estimation. For verification, simulations and actual data tests were made, and the results show that the algorithm possesses great robustness, efficiency and accuracy inrealization of SNR estimation, signal detection and frequency impulse compensation for the channel.     

自适应跳频通信系统信道质量评估方法研究

信道质量评估是自适应跳频通信的关键技术,其实时评估结果为自适应频率控制和自适应功率控制提供依据.快速自适应跳频是跳频系统发展的主要方向之一,针对其特点,提出了基于接收信号信噪比预测算法的信道质量评估方法.主要由信噪比预测、信噪比估计和门限比较3个部分构成,分别采用卡尔曼滤波器、信号子空间法和误码率性能分析法进行了实现,在FFH/BFSK系统中做了仿真验证.结果表明,在0～25dB的信噪比变化范围内,估计和预测误差较小,能够对信道质量做出实时评估.可以应用于快速自适应跳频通信系统.     

一种混合网台跳频参数盲估计算法

针对低信噪比（SNR）和复杂电磁环境条件下跳频参数估计精度低及算法复杂度高的问题,提出了一种短时傅里叶变换（STFT）和平滑伪魏格纳分布（SPWVD）的组合时频分析方法.该算法首先利用STFT将天线接收信号变换到时频域,并对时频信号进行自适应降噪处理;通过自适应聚类算法进行频率的精估计;提取时频信息并剔除各类干扰,再通过网台分选后得到各类网台跳时粗估计;最后采用SPWVD及修正后的截断门限进行跳变时刻的精估计.仿真结果表明,该算法在混合网台和低SNR条件下,跳频参数估计精度较高,算法复杂度较低,有效解决了实际跳频通信系统存在频率转换时间条件下的参数估计问题.     

实时准确正弦波频率估计综合算法

为了对正弦波信号频率进行快速、准确估计,以便同时满足实时性和精度的要求,文中补充Rife算法采用了最大谱线及其两边相邻谱线的一种细化估计,在相同的条件下,改善了Rife算法的信噪比要求,提高了在频率真值接近离散频率值时的估计精度,但在频率真值偏离离散频率值时的估计误差较大;进一步提出的综合算法是在最大谱线检测的基础上,对其两边谱线进行提高一倍分辨的频谱细化,根据两边细化分析的谱线比值T决定采用修正Rife算法进行频率估计(T＞1.5)或细化补充Rife算法进行频率估计(T＜1.5)．文中对多种算法进行了500次统计模拟,结果表明,综合算法不仅具有良好的估计精度,而且具有良好的频域稳定性．     

基于FFT的数字多波束测向算法研究

低信噪比下的高精度DOA估计是信号处理中的一个难点,传统的DOA测量方法和现代空间谱估计算法只适用于高信噪比环境。该文将传统的振幅测向法、数字多波束形成和FFT相结合,提出了一种基于频域处理的振幅测向算法,仿真实验表明该算法在信噪比为0~-25 dB的噪声环境中可以进行高精度DOA估计。