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2022年 第51卷 第8期    刊出日期：2022-08-20

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协同精密定位

基于钟差解耦的GNSS精密单点定位模糊度固定模型及效果分析

袁运斌, 刘帅, 潭冰峰

2022, 51(8):  1669-1679.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210554

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精密单点定位模糊度固定可以显著提升定位精度,钟差解耦模型作为一种重要的模糊度固定模型,却鲜有文献对其进行研究。本文首先给出了基于钟差解耦模型的用于模糊度固定的产品估计策略,分析了传统的消电离层模型和钟差解耦模型钟差重构形式的差异,导出了提取卫星码偏差的钟差估计模型。然后,深入研究了钟差解耦模型在钟差估计收敛速度等方面的优势。不同于其他模型将宽巷模糊度偏差视为天内常数,钟差解耦模型逐历元估计该偏差项,基于此展开对宽巷模糊度偏差天内时变特性的研究。最后,评价了解耦钟差的精度,并利用解耦钟差产品进行精密单点定位模糊度固定试验。结果表明,相比于提取卫星码偏差的卫星钟差估计模型,钟差解耦模型在钟差估计中的收敛速度更快,钟差产品更加稳定;宽巷模糊度偏差在天内较为稳定;解耦钟差产品具有较高的精度,相比于传统消电离层组合模型,基于该产品的精密单点定位模糊度固定可显著提升定位精度。

北斗三号卫星经验型太阳光压模型分析与精化

李星星, 李婕, 袁勇强, 郑鸿杰, 黄适, 刘城伯, 张柯柯

2022, 51(8):  1680-1689.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210532

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太阳光压摄动作为在轨导航卫星受到的最大的非保守力,是卫星精密定轨的重要误差源。ECOM模型、ECOM2模型,这两种经验型光压模型被广泛应用于导航卫星定轨。然而,ECOM模型和ECOM2模型分别是针对GPS和GLONASS卫星设计的,并不完全适用于我国北斗三号(BDS-3)卫星。针对五参数ECOM模型在BDS-3卫星低太阳高度角时期轨道不连续性增大的问题,本文提出在 D方向引入一阶周期项来吸收未被模型化光压加速度。结果表明,引入一阶余弦周期项 D_c,能将低太阳高度角时期CAST卫星的切向、法向、径向重叠轨道误差分别减小约60%、52%、29%。针对ECOM2模型中 D_2c和 D₀、D_2s和 B_s之间存在的强相关性,本文提出了不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型和不估计 D_2c与 D_2s的七参数ECOM2模型。结果表明,相较九参数ECOM2模型,不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型能够将CAST卫星和SECM卫星径向重叠轨道误差分别减少约18%和27%。在此基础上,继续移除 D_2s后(七参数ECOM2),径向重叠轨道误差可进一步减小5.2%~8.5%。综合考察重叠轨道精度和SLR检核精度,不顾及 D_2c和 D_2s的七参数ECOM2模型表现最佳。CAST卫星和SECM卫星重叠轨道切向、法向、径向精度分别为5.0、3.4、1.4 cm和5.4、3.5、1.5 cm;SLR检核残差标准差分别为3.1~3.2 cm、4.4~4.7 cm。

顾及气象数据的中国区域对流层延迟RBF神经网络优化模型

徐天河, 李耸, 王帅民, 江楠

2022, 51(8):  1690-1707.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210480

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本文基于单层气象数据(ERA5单层数据、实测气象参数)和多层气象数据(ERA5气压层数据、COSMIC掩星数据),分别采取模型法和积分法获取了我国236个陆态网GNSS测站的ZTD值,即ERA5S_ZTD、MET_ZTD、ERA5P_ZTD、RO_ZTD。以GNSS_ZTD为参考,按月评估了上述4种ZTD估计值的精度,结果表明:4种ZTD估计值的月平均RMSE依次为42.8、53.6、16.1和62.3 mm,其中基于积分法估计的ERA5P_ZTD精度最高,采用模型法计算的ERA5S_ZTD和MET_ZTD次之,而利用积分法获取的RO_ZTD值精度较低。为进一步提升利用气象数据估计ZTD值的精度,本文提出了基于RBF神经网络的对流层延迟改进模型。计算结果表明:改进模型获得的4种ZTD值与GNSS_ZTD之间的月RMSE平均值分别为23.5、32.1、14.2和40.8 mm,精度较原有ZTD估计值提升43.4%,36.3%,10.0%和34.4%。整体而言,改进模型估计ZTD值精度提升效果明显,且提升率与测站分布的密集程度有关。

GNSS/INS组合车辆协同精密定位方法

李博峰, 陈广鄂

2022, 51(8):  1708-1716.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210471

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自动驾驶和智能交通要求载体的高精度定位,更要求载体之间的高精度协同控制。当前依靠增加传感器来提升载体定位精度的研究思路依然无法有效解决卫星信号长时间失锁的复杂情况。本文提出了基于GNSS/INS组合的载体协同高精度定位方法,通过建立载体之间的相对位置关系来实现载体间观测值的共享,从而提升载体的定位精度和可信度。试验结果表明,GNSS/INS组合的协同定位模式相比于单独定位模式能显著改善载体恶劣环境下的定位精度。

高精度实时位置服务的格网化VRS技术

黄丁发, 冯威, 李剑锋, 龚晓颖, 栗帅帅

2022, 51(8):  1717-1724.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210435

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为确保基于VRS的网络RTK定位性能,提高VRS的服务质量,本文系统地构建了面向海量并发用户服务的格网化VRS方法,建立了VRS格网的两种划分方法。顾及电离层延迟的空间相关特性,选定中纬度和低纬度两个区域的CORS网络进行试验测试,分析并确定不同区域条件下,格网化VRS的有效服务间距。结果表明:在中纬度地区和低纬度地区,格网VRS有效服务间距限值分别为12 km和7 km。与非格网化VRS(以标准定位服务结果建立)相比,可大幅度降低VRS产生和计算负荷,有效提升服务器对海量用户的服务能力。

非差非组合PPP-RTK:模型算法、终端样机与实测结果

张宝成, 柯成, 查九平, 侯鹏宇, 刘腾, 袁运斌, 李子申

2022, 51(8):  1725-1735.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210465

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智能驾驶、精密农业和无人机等新兴行业要求全球导航卫星系统(GNSS)提供更加快速、准确的导航定位服务。非差非组合PPP-RTK融合了精密单点定位(PPP)和实时动态定位(RTK)两者的优势,能灵活处理多频多模数据并实现区域广覆盖的快速高精度定位。然而,PPP-RTK仍处于技术研发阶段,产业化应用尚未完全成型。本文从理论到实践,构建了码分多址和频分多址非差非组合PPP-RTK模型,开发了相应的实时解算软件,并研制了一款终端样机。基于平均站间距为154 km的京津冀参考网估计的精密改正产品,将终端样机分别搭载在无人机、农机和跑车上,开展了实时动态定位试验。试验结果表明,PPP-RTK终端样机在3个场景下的模糊度首次固定时间分别为5、2和7 s,模糊度固定成功率分别为99.79%、99.14%和98.96%,水平和高程定位精度分别在1 cm和4 cm左右。试验结果证明了自研PPP-RTK终端样机能提供连续、可靠、高精度的定位服务。

基于GNSS精密单点定位的高精度云平台授时

刘根友, 高铭, 尹翔飞, 肖恭伟, 吕栋, 王生亮, 王润

2022, 51(8):  1736-1743.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210441

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采用GNSS精密单点定位(PPP)技术和时钟驯服技术,构建了基于PPP的云平台高精度授时方案,研制了搭载多系统GNSS接收机板卡、恒温晶振(OCXO)和数字信号处理器(DSP)的授时原理样机。利用协同精密定位平台分析中心(武汉)提供的5 s间隔卫星轨道和钟差产品,采用PPP技术实时解算授时终端坐标和钟差,通过驯服恒温晶振输出亚纳秒精度的1 PPS,实现了长时间高精度的授时能力。本文通过短基线比较和与UTC绝对时间基准比较,验证了精密单点授时精度(RMS)优于1 ns。

基于图优化的紧耦合双目视觉/惯性/激光雷达SLAM方法

王铉彬, 李星星, 廖健驰, 冯绍权, 李圣雨, 周宇轩

2022, 51(8):  1744-1756.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210503

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基于单一传感器的同时定位与地图构建技术已经逐渐不能满足移动机器人、无人机及自动驾驶车辆等智能移动载体日益复杂的应用场景。为了进一步提升移动载体在复杂环境下的定位与建图性能,基于多传感器融合的SLAM技术成为目前研究的热点内容。本文提出了一种基于图优化的紧耦合双目视觉/惯性/激光雷达SLAM方法(S-VIL SLAM),该方法在视觉惯性系统中引入激光雷达原始观测,基于滑动窗口实现了IMU量测、视觉特征及激光点云特征的多源数据联合非线性优化。利用视觉与激光雷达的互补特性设计了视觉增强的激光雷达闭环优化算法,进一步提升了多源融合SLAM系统的全局定位与建图精度。为了验证本文算法的性能,利用自主搭建的集成多传感器的硬件采集平台在室外场景下进行了车载试验。试验结果表明,本文提出的紧耦合双目视觉/惯性/激光雷达里程计相比于紧耦合双目视觉惯性里程计和激光雷达里程计定位定姿性能显著提升,视觉增强的激光雷达闭环优化算法能够在大尺度场景下有效探测出轨迹中的闭环信息,并实现高精度的全局位姿图优化,经过闭环优化的点云地图具有良好的分辨率和全局一致性。

大地测量学与导航

国际高程参考系统在珠峰地区的实现

蒋涛, 党亚民, 郭春喜, 陈斌, 章传银

2022, 51(8):  1757-1767.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210468

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2020珠峰高程测量,首次确定并发布了基于国际高程参考系统(IHRS)的珠峰正高。在珠峰地区实现国际高程参考系统,采用的方案是建立珠峰区域高精度重力大地水准面。利用地球重力场谱组合理论和基于数据驱动的谱权确定方法,测试优选参考重力场模型及其截断阶数和球冠积分半径等关键参数,联合航空和地面重力等数据建立了珠峰区域重力似大地水准面模型,61点高精度GNSS水准高程异常检核表明,模型精度达3.8 cm,加入航空重力数据后模型精度提升幅度达51.3%。提出顾及高差改正的峰顶高程异常内插方法,采用顾及地形质量影响的高程异常——大地水准面差距转换改正严密公式,使用峰顶实测地面重力数据,基于国际高程参考系统定义的重力位值W₀和GRS80参考椭球,最终确定了国际高程参考系统中的高精度珠峰峰顶大地水准面差距。

联合时变重力数据与测高数据反演全球海平面变化及其分量贡献

李杨, 郭金运, 孙玉, 袁佳佳, 常晓涛, 张红日

2022, 51(8):  1768-1778.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210169

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理解全球海平面变化具有十分重要的意义,它间接反映了地球系统中气候性相关因素的变化。本文基于一组海平面指纹和比容经验正交函数,联合时变重力数据和卫星测高数据反演了2002年4月至2020年2月的全球海平面变化,将全球海平面变化分解成南极冰盖融化、格陵兰冰盖融化、陆地冰川融化、陆地水储量变化、冰川均衡调整和海水比容效应这6个分量的贡献。联合反演结果显示,全球平均比容海平面变化为1.08±0.05 mm/a,与相关文献的结果相吻合。研究发现,联合测高数据和时变重力数据的反演方法能够一定程度上减弱GRACE Follow-On卫星时期海水质量变化被低估的现象。本文利用联合反演的结果研究了区域海平面变化,在大部分近海区域反演效果较好,这表明该方法可用于区域海平面变化的研究。

GNSS载波相位整数等变估计及其PPP性能提升算法

周锋, 杨宇泽, 王磊, 徐天河

2022, 51(8):  1779-1786.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210371

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精密单点定位技术能够提供全球高精度定位结果,其主要技术瓶颈在于定位收敛时间长,载波相位模糊度固定技术是加快PPP收敛速度、改善定位精度的主要手段之一。模糊度固定的可靠性问题在PPP定位中尤为突出,因为模糊度浮点解质量取决于服务端产品质量、接收机噪声特性和观测环境等多种因素,所以高可靠PPP模糊度固定技术仍然充满巨大挑战。为了保障PPP定位的可靠性,本文将最优整数等变估计(best integer equivariant,BIE)引入PPP模糊度估计过程中。BIE法利用GNSS模糊度整数解加权融合以获得最优的浮点模糊度估计值,可有效降低模糊度错误固定风险,同时又利用了模糊度整数解信息来提升模糊度估值精度,从而提升PPP定位精度,缩短模糊度收敛时间。本文选取了105个全球分布的MGEX测站对BIE估计PPP模糊度的性能进行验证,试验结果表明,与模糊度固定解相比,采用BIE估计PPP模糊度能够进一步改善坐标三分量(东、北、垂向)定位性能,收敛时间分别减少了37%、28%与31%,收敛后定位精度分别提高了9%、8%和3%。此外,BIE估计PPP模糊度定位结果的毛刺和阶跃现象更少。

利用TSVD参数估值变化特性确定算法截断参数

林东方, 姚宜斌, 郑敦勇, 李朝奎

2022, 51(8):  1787-1796.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210377

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TSVD是大地测量病态问题解算的常用有效方法。影响TSVD解算效果的关键因素是截断参数,现有截断参数确定方法可提供有效的截断参数,但仍难以给出最优截断参数。以均方误差最小为准则确定截断参数是一种理论依据较充分的截断参数确定方法,但均方误差计算所需的模型参数真值在实际应用中无法获得,导致该方法难以给出理论最优截断参数。鉴于此,本文研究了基于均方误差影响下(方差与偏差联合影响)参数估值变化特性的TSVD截断参数确定方法。通过TSVD依次截掉小奇异值,获得奇异值截掉前后的方差与参数估值变化,利用两者变化分析确定偏差影响,避免依赖参数真值计算偏差,从而确定出均方误差最小理论下的截断参数。数值与应用试验结果表明,本文方法确定的截断参数可有效改善TSVD解算效果,是一种行之有效的截断参数确定方法。

地图学与地理信息

城市街区和签到数据结合的个性化城市兴趣区域推荐方法

刘纪平, 张志然, 杨超伟, 徐胜华, 陈才, 仇阿根, 张福浩

2022, 51(8):  1797-1806.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210094

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利用社交媒体用户的历史签到数据分析用户空间活动偏好实现用户兴趣区域推荐,在城市商业规划中起着重要作用,也为了解人们的城市生活和需求提供帮助。已有方法获得的ROI具有模糊性和多样性,无法给ROI赋予准确的地理描述信息,对用户来说可解释性不强。因此,本文提出了一种结合城市街区和签到数据的个性化兴趣区域推荐方法(CBCD),引入城市街区概念解决ROI边界模糊问题。首先,通过城市道路网生成城市街区,并将大规模签到数据映射到城市街区转换为区域签到;然后,基于区域签到对用户空间活动偏好和类别偏好分别进行个性化建模;最后,融合空间和类别活动偏好,向用户推荐其可能感兴趣的区域。在真实的数据集上进行试验,结果表明该方法具有较高的推荐精度,对用户感兴趣城市街区的挖掘和推荐具有一定的价值。

顾及时空"点-线"关联特征的出行轨迹描述模型

林艳, 贺日兴, 陈军, 李佳田, 张文宇

2022, 51(8):  1807-1816.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210365

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关联出行研究是城市规划、交通出行、传染病防控、犯罪侦查等领域的研究热点,尤其当出行个体带有接头、等待等主观意图的前提下,如何有效识别其关联行为,是当前时空认知领域的难点。本文以犯罪时空轨迹为研究对象,首先分析了现有出行轨迹描述方法的不足,兼顾了出行轨迹的细节点特征和完整线特征,提出了顾及"点-线"特征的出行轨迹描述模型。然后,在此基础上,基于时空拓扑关系提出关联出行的轨迹判别方法,能描述"接头、等待、共处、同行"4种基本的关联出行轨迹模式,并可进一步区分19种不同的关联出行子类型。最后,通过试验对比,验证了该方法的有效性。

海岸线变化的单链曼延编号快速匹配方法

成思远, 张英, 翟亮

2022, 51(8):  1817-1825.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210291

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受海岸带区域自然环境变迁与人类开发活动的综合影响,海岸线不断发生剧烈变化。发现海岸线变化并将变化前后的岸段进行匹配,对分析海岸线变化至关重要。针对传统空间分析工具难以直接确定不同时相变化岸段的对应关系的问题,本文引入单链曼延编号的思想对海岸线变化进行快速匹配,并按照"一对一"和"多对多"两种变化岸段匹配关系提出了位置变迁、类型转移、消失及新增等海岸线变化类型的判断公式,设计并实现了结合单链曼延编号的海岸线变化匹配与信息存储方法。试验证明,该方法能快速准确地实现海岸线变化匹配,并能很好地解决多对多变化岸段匹配的问题。

博士论文摘要

基于多源遥感数据的物种多样性及陆表植被恢复力监测研究

武锦辉

2022, 51(8):  1826-1826.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200539

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生物多样性和生态系统恢复力是生态系统健康的关键因素和重要指标。物种多样性指一定区域内物种数量的总和,物种多样性监测是生物多样性监测与保护的核心部分。作为生态系统恢复力的重要组成部分,植被恢复力是陆表生态系统服务和生态系统功能的重要指标,直接决定了陆表植被变化、陆表生态系统稳定性等关键生态过程和生态参量。目前,受到观测手段的限制,物种多样性与陆表植被恢复力监测普遍空间范围小,时间范围不连续,其中热带地区植物物种多样性变化对植被影响效果争议较大。论文基于长时间序列高精度遥感数据,从动物物种多样性遥感监测、植物物种多样性变化对热带雨林影响的遥感评估、遥感植被恢复力监测三方面出发开展相关工作。主要工作和成果包括: