新闻公告

News Announcement

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中国科学院精密测量科学与技术创新研究院PRIDE研究组面向国家时空基准体系建设、全球变化与灾害监测等方面的重大战略需求,聚焦于精密定位与地学应用基础理论研究、关键技术突破和先进装备研发。研究组牵头创建了国际卫星导航服务组织(IGS)全球两大精密卫星产品综合中心之一的“武汉综合中心(WCC,igs.org/wg/wcc)”和“偏差与模糊度解算(BAR,igs.org/wg/ppp-ar)”常设委员会并担任主席,发布了首款支持非差模糊度固定的PRIDE PPP-AR工程化开源软件(github.com/PrideLab/PRIDE-PPPAR)以及北斗/GNSS全频点相位钟/相位偏差产品(ftps://bdspride.com),提出了支持多源传感器“盲插即用”的组件化PNT框架、理论和方法并研制了原型样机等。近年来承担了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、基金委国际合作项目、湖北省重大科技专项等,在Science、GRL、JGR、JGeod等国际顶尖期刊发表SCI/EI论文100余篇。团队负责人耿江辉研究员担任“精密大地测量与定位”全国重点实验室主任(sklpg.apm.ac.cn)、国际大地测量学会会士暨多系统多频率卫星导航定位委员会主席等,团队有青年教师4人,在读博士研究生11名,硕士研究生15名。研究组主要研究方向包括:(1)GNSS高精度定位及应用GNSS广域高精度非差定位理论方法、精密卫星产品生成与综合技术方法、GNSS地震大地测量学应用、北斗/GNSS地震仪器研制等。(2)全源融合导航面向复杂场景的北斗/多传感器弹性融合定位理论方法、PNT传感器智能语义与场景感知技术、组件化PNT装备/服务平台与用户终端研制等。(3)GNSS先进信号处理及装备现代卫星信号高精度处理理论与方法、复杂干扰环境卫星导航鲁棒信号处理、GNSS软件接收机及嵌入式开发等。(4)大众精密定位应用研究智能手机GNSS高精度定位、AI增强的众包GNSS定位与地学应用、低成本设备多源融合室内外无缝导航、便携式消费级精密定位设备研制等。研究组以纯粹的学术氛围、卓越的科研平台,诚邀对相关研究方向感兴趣,并拟攻读硕士、博士研究生的同学加入共同发展。有意愿的同学请将申请材料包括个人简历发送至联系人邮箱。联系人:栗广才、温强电子邮箱:guangcai.li@apm.ac.cn;wenqiang@apm.ac.cn研究组主页:http://pride.apm.ac.cn/
2025-10-17
2025年10月20日,中国科学院精密测量院PRIDE团队发布了支持AI模型检验非差模糊度固定的PRIDE PPP-AR 3.2版本(https://github.com/PrideLab/PRIDE-PPPAR)。该XGBoost机器学习模型通过R-Ratio、Difference Test、Project Test、W-Ratio、ADOP、惩罚因子λ等多维指标来进行非差模糊度固定的正确性检验,配合LAMBDA方法处理小于6小时时段的数据,支持单系统以及多系统动静态解算。在使用近四年不同于训练集测站的数据集测试中,该机器学习模型相比经典Ratio检验均表现出更好的性能,检验的准确率提高5-10个百分点(如下图所示)。测试结果1. 模块介绍核心升级模块arsig模块:arsig模块是PRIDE PPP-AR v3.2的核心升级模块,负责星间单差模糊度固定,新增AI模型整数检验功能。基础功能:采用星间单差方式消除接收机端硬件延迟,分别处理宽巷与窄巷模糊度。宽巷模糊度统一通过取整法固定;窄巷模糊度则根据数据处理时长选择不同固定策略。时长适配策略:处理时长 > 6小时采用取整法;≤6小时默认通过LAMBDA方法进行整数模糊度备选解搜索,再用XGBoost模型检验固定结果,并决定保留固定解或者维持浮点解。PRIDE PPP-AR 3.2的数据处理流程与之前版本框架一致,主要在LAMBDA搜索后的“模糊度固定环节”新增AI模型检验步骤,具体流程如下图所示:当进入模糊度固定环节时,若用户选择不进行模糊度固定,直接输出浮点解;若进行固定,调用arsig模块按以下流程执行:(1)读取基础数据与配置:读取amb文件neq文件、配置文件等,获取与模糊度相关的配置选项,同时读取非差模糊度实数解。(2)宽巷模糊度处理:计算星间单差宽巷模糊度估值,然后通过取整法固定星间单差宽巷模糊度。(3)窄巷模糊度初始计算:计算星间单差窄巷模糊度估值。(4)窄巷模糊度固定策略选择:取整法:直接通过取整法固定星间单差窄巷模糊度,随后统计宽巷和窄巷均能固定的独立模糊度,输出至“cst_”文件。LAMBDA+AI验证法:映射非差协因数矩阵至星间单差协因数矩阵,再使用LAMBDA方法固定。计算Ratio值、ADOP值等指标并输入XGBoost模型验证,若未通过验证则执行部分模糊度固定策略,验证通过后统计独立模糊度并输出至"cst_"文件,最终结合强约束输出固定解。2.关键参数配置(1)模糊度固定方法参数(-x <num> 或 --fix-method <num>)该参数用于指定模糊度固定的具体方法,提供3个可选项,默认根据处理时长自动适配:1)取整法:直接通过取整方式固定模糊度,适用于数据处理时长较长的场景。2)LAMBDA+Ratio验证法:用LAMBDA方法搜索,通过Ratio值(默认验证值为3)检验固定结果。3)LAMBDA+AI验证法:用LAMBDA方法搜索,通过XGBoost模型验证固定结果。默认规则:处理时长小于6小时时,自动采用3)LAMBDA+AI验证法,2)Ratio检验作为可选项保留到3.2版本,但用户需要指定才能打开这个选项;处理时长≥6小时时,自动采用1)取整法。(2)配置文件AI模糊度验证开关(AI Ambiguity validation)该配置用于控制是否启用AI检验功能,与“--fix-method”参数联动:取值为“YES”:启用XGBoost模型检验模糊度固定结果,对应“--fix-method 3”。取值为“NO”:不启用AI检验,采用Ratio值检验固定结果,对应“--fix-method 2”;Ratio 检验阈值由“Critical search”配置选项决定。参考文献Guo, J., Geng, J. Integer ambiguity validation through machine learning for precise point positioning. Satell Navig 6, 14 (2025). https://doi.org/10.1186/s43020-025-00167-8
2025-10-20
2025年8月31日-9月6日,PRIDE 团队参加了在意大利里米尼举行的IAG-2025 会议。本次大会的主题是“面向变化环境的大地测量”,为国际学术界提供了一个重要契机,以深入交流和研讨大地测量科学在相关领域中所发挥的关键作用。大会主题旨在促进大地测量学界聚焦于环境变化所带来的影响,关注日益严峻的各类极端事件,并推动形成科学合理的策略,以有效识别并应对地球系统中可能出现的突发性变化。耿江辉教授作了题为《High-Precision Broad-Bandwidth Deformation Monitoring Using Mass-Market GNSS/Accelerometers》的报告。该研究通过星间单差融合方案,摆脱了对参考站的依赖,并有效克服了智能手机时钟不稳定的问题,实现了基于消费级智能手机的厘米级宽频带形变监测。研究结果表明,消费级GNSS/加速度计设备在构建低成本、高密度观测网络方面具有显著潜力。耿江辉教授作了题为《GNSS ambiguity validation through maching learning》的报告,该报告主要介绍了使用机器学习来代替传统的ratio值来进行模糊度固定的正确性检验,准确率相比传统ratio检验在各弧段和各卫星系统中均有较大提升,该报告也介绍了在即将发布的新版本PRIDE-PPP-AR开源软件中如何使用机器学习来进行解算数据。硕士研究生赵龙作了题为《Subcarrier observations from wideband signals for high-precision GNSS positioning》的报告,介绍了团队在利用副载波观测值开展精密定位方面的最新研究进展。研究结果表明,相较于传统伪距,副载波观测值具有更低的噪声水平和更强的抗多径能力,展示了其在高精度定位中的广阔应用前景。
2025-09-08
2025年8月20日上午,由中国科学院精密测量科学与技术创新研究院主办的“高精度GNSS及地表形变监测研讨会”在东湖园区3号楼206会议室成功举行。研讨会由耿江辉研究员主持。会议伊始,耿江辉研究员致欢迎辞,对各位专家和学者的到来表示热烈欢迎。为研讨会拉开序幕,营造良好交流氛围。首先,温强博士带来了题为“PRIDE PPP-AR及其高精度地学应用”的报告。温强博士详细介绍了PRIDE PPP-AR技术的原理、特点及其在高精度地学领域的应用案例,展示了该技术在提升地学研究精度方面的显著优势。为地学工作者提供了新思路,引发参会者对高精度定位技术服务地学研究的广泛思考。接着,刘绍卓研究员进行了题为“下地壳增厚驱动东昆仑现今抬升”的报告。刘绍卓研究员深入解析了下地壳增厚的动力学机制,以及这种增厚过程如何驱动东昆仑山脉现今抬升运动。通过对地壳结构、物质运移等多维度分析,结合 GNSS 监测数据验证,清晰呈现构造运动与地表形变的内在关联,为理解造山带演化、区域地质灾害孕育背景提供理论与数据支撑,为理解该地区的地质演化提供了新的视角。随后,郑刚研究员带来了题为“公里级分辨率下块体运动模型的适用性探讨——以青藏高原为例”的报告。从模型假设条件到实际地质场景拟合度分析,探讨模型在解释板块碰撞、块体挤压变形等地质过程中的优势与局限,为优化块体运动模型、提升地质过程解析精度提供实践参考。讨论环节,氛围热烈而务实。参会专家学者围绕报告内容,展开跨学科、深层次交流。既有对技术应用瓶颈的坦诚探讨,也有对创新研究方向的积极建言,不同观点相互碰撞,为后续科研合作与技术攻关拓宽思路。本次研讨会的成功举办,不仅促进了高精度GNSS技术在地表形变监测领域的学术交流,也为相关领域的科研人员提供了一个宝贵的学习和交流平台。参会者纷纷表示,通过此次研讨会,对高精度GNSS技术及其在地表形变监测中的应用有了更深入的了解,对未来的研究工作具有重要的指导意义。
2025-08-21
2025年7月18日至20日,以“GNSS/PNT—新机遇与挑战”为主题的“2025 CPGNSS论坛”在江西南昌隆重召开。7月19日下午,依托国家杰出青年基金项目“高精度卫星导航定位”组织的“未来高精度GNSS”专题论坛成功举办。PRIDE课题组耿江辉教授主持了本次专题会议。专家齐聚共探前沿,报告精彩纷呈耿江辉教授首先系统回顾了高精度GNSS技术的发展历程,深度解析了当前面临的技术瓶颈与挑战,并结合行业发展趋势,提出若干前沿性研讨议题,引发与会专家对GNSS发展方向的开放性思考。会上,九位行业专家围绕高精度GNSS不同方向作主题报告,内容涵盖可信定位、重力位测定、变形监测、信号处理、地学应用、机器学习应用、低轨卫星钟差、星间定向导航及大众GNSS创新应用等多元领域,全面展现领域前沿动态。同济大学李博峰教授作《GNSS/多传感器融合可信定位关键技术》报告,系统阐述GNSS与多传感器融合可信定位的理论框架与关键技术,重点探讨了可信定位概念界定、混合整数模型构建、异构数据融合策略及非模型化误差补偿机制等提升定位可信度的核心技术。武汉大学申文斌教授作《时频信号测定重力位发展方向》报告,系统梳理时频信号测定重力位/海拔高的研究进展,深入分析了光纤与光钟等新型测量手段在区域性高程基准统一、星地双向光频重力位测量全球高程基准统一中的应用潜力,为解决大地测量领域难题提供了新路径。中南大学戴吾蛟教授作《GNSS变形监测适用性与完好性评估》报告,针对复杂环境下GNSS变形监测关键问题,提出了GNSS观测环境复杂度评估方法,并精化粗差识别与随机模型,为提升GNSS变形监测适用性与结果可信度判断提供了理论支撑。清华大学姚铮教授作《新一代GNSS信号高精度处理》报告,从卫星信号生成与处理视角重新定义GNSS观测值,重点介绍了宽带复用信号双辅助多分量跟踪技术、副载波调制信号处理及多径抑制等关键技术,并展望其在精密单点定位中的应用前景。中国地震局地质研究所张克亮副研究员作《断裂精细地壳形变的高密度GNSS台阵观测实践与思考》报告,分享了大理密集GNSS台阵在漾濞地震中的震间、同震及震后形变监测成果,深入讨论了震前多时间尺度慢滑移过程,展望高分辨率GNSS观测网在断层浅层蠕滑监测识别等应用中的发展方向。法国国际时间局郭将助理研究员线上作《GNSS中的机器学习:提升高精度定位的模糊度解算性能》报告,分享了基于机器学习的精密单点定位整数模糊度检验方法,量化分析了融合多判别指标的贡献度与相关性,并展示了该方法在模糊度检验和预测PPP-AR收敛时间中的优越性能。中国科学院国家授时中心王侃研究员作《低轨卫星钟差确定相关挑战性问题研究》报告,强调了钟差估计与预报在低轨卫星产品中的关键作用及其面临的挑战,系统分析了低轨卫星钟差预报精度提升、实时解算模型优化等技术挑战,并探讨了低轨实时轨道、钟差和系统差对低轨增强PPP的现实影响。同济大学乔晶助理教授作《打破星座旋转壁垒:星间定向观测对北斗三号自主导航的贡献》报告,揭示了累积轨道误差等因素导致的卫星星座相对惯性参考框架旋转问题,介绍了基于激光链路与定向星座的北斗卫星自主导航方法研究成果及未来规划。武汉大学王牌研究员作《利用众包智能手机GNSS估计城市建筑高度》报告,展示了利用智能手机GNSS数据创新性地反演城市建筑物高度的最新成果,拓宽了GNSS信号创新应用场景,为城市3D低成本、高时效建模提供了新思路。耿江辉教授最后谈到未来高精度GNSS从横向可以朝着与信号处理相融合、与先进装备相结合、与环境感知相交叉的方向发展,从纵向可以朝着GNSS机器学习、可信评估体系、低轨星座增强、地学独特需求等课题深入挖掘。学术交流成果丰硕 青年学者崭露头角本次专题论坛汇聚GNSS定位导航领域多位知名专家学者,围绕高精度GNSS发展前沿展开深度研讨,通过新概念阐释、新方法展示、新数据挖掘及新应用探索等多维度呈现前沿研究成果,重点聚焦未来高精度GNSS的关键科学问题与技术挑战,为领域发展方向与战略机遇的把握提供了重要交流平台。在本次论坛中,PRIDE课题组张亚豪、付丙臣两位同学在导师指导下撰写的论文,经评审荣获优秀论文奖,展现了青年学者在该领域的创新活力与学术潜力。
2025-07-23

学术成果

Academic achievements

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【2025】Comparison of PPP-RTK performance under different regional ionospheric models.

Establishing a regional ionospheric model to provide precise ionospheric products is a prerequisite for rapid real-time kinematic precise point positioning (PPP-RTK). Thus, a stochastic model for these real-time ionospheric products is also crucial. In this study, we use a Wuhan regional network (average inter-station distance of about 30 km) to comparatively analyze four regional ionospheric modeling methods with commonly-used stochastic models: the inverse distance weighting model (IDW), the quasi-four-dimension ionospheric modeling (Q4DIM), the first-order polynomial function model with internal validation (POLY), and the first-order polynomial function model with external validation (POLY-EV). Our results show that, the POLY/POLY-EV model has the smallest ionospheric delay interpolation root mean square (RMS) error, regardless of whether for inside or peripheral stations of the regional network, during both quiet and active ionospheric conditions. For 4024 and 4314 one-hour samples, the PPP-RTK results show that at inside stations, all four models converge to a horizontal precision of 10 cm within two epochs, with the POLY-EV model having the highest horizontal positioning precision (a mean RMS of 0.83 cm). At the peripheral station, PPP-RTK with the POLY/POLY-EV model achieves a horizontal precision of 10 cm within two epochs, while the IDW and Q4DIM models need 4 and 43 epochs, respectively. The horizontal positioning precision of PPP-RTK using the POLY-EV model is the highest, with a mean RMS of 1.59 cm.引用格式如下:Comparison of PPP-RTK performance under different regional ionospheric models

【2025】Aligning the Galileo code biases on the pilot and mixed signal channels to improve precise point positioning.

Galileo satellites modulate pseudorandom code series for both the pilot (Q) and mixed (X) channels, which however undergo separate demodulation processes by different GNSS receivers (e.g., Septentrio receivers accept the pilot channel only whereas Javad the mixed channel only). It is usually assumed that the Galileo code biases on both channels are close to each other, and then all Galileo stations can be safely used to estimate satellite clock offsets and code/phase biases, regardless of their demodulation channels. In this study, we aligned the code biases on the pilot and mixed channels by estimating intra-frequency differential code biases (DCB), and examined whether this alignment could improve the performance of precise point positioning (PPP). We performed a series of satellite clock offset estimations, phase bias estimations and PPP assessments for Galileo using data from 230 stations from days 300 to 365 in 2023. Our analysis uncovered that the ignored DCBs could introduce systematic biases of up to 0.1 m in satellite clock offsets and up to 0.49 cycles in satellite phase biases. Using the aligned code bias products, the unified satellite clock offsets and phase biases across pilot and mixed channels can be estimated. The differences of pilot and mixed satellite clock offsets were reduced to within 0.03 m, while the UPD differences were reduced to an average of 0.02 cycles. With these modified precise products, the static PPP-AR wide-lane ambiguity fixing rates increased from 79.28% to 96.81%, and the maximum code residuals decreased from up to 7.5 to 2.3 cm. The convergence time of the kinematic PPP-AR decreased by an average of 23%. Therefore, aligning the Galileo code biases on the pilot and mixed channel signals to generate unified precision products can improve the performance of PPP-AR.引用格式如下:Zhang, Q., Geng, J., Li, G. et al. Aligning the Galileo code biases on the pilot and mixed signal channels to improve precise point positioning. GPS Solut 29, 75 (2025). https://doi.org/10.1007/s10291-025-01838-4

【2025】GSeisRT: A Continental BDS/GNSS Point Positioning Engine for Wide-Area Seismic Monitoring in Real Time.

Precise coseismic displacements in earthquake/tsunamic early warning are necessary to characterize earthquakes in real time in order to enable decision-makers to issue alerts for public safety. Real-time global navigation satellite systems (GNSSs) have been a valuable tool in monitoring seismic motions, allowing permanent displacement computation to be unambiguously achieved. As a valuable tool presented to the seismic community, the GSeisRT software developed by Wuhan University (China) can realize multi-GNSS precise point positioning with ambiguity resolution (PPP-AR) and achieve centimeter-level to sub-centimeter-level precision in real time. While the stable maintenance of a global precise point positioning (PPP) service is challenging, this software is capable of estimating satellite clocks and phase biases in real time using a regional GNSS network. This capability makes GSeisRT especially suitable for proprietary GNSS networks and, more importantly, the highest possible positioning precision and reliability can be obtained. According to real-time results from the Network of the Americas, the mean root mean square (RMS) errors of kinematic PPP-AR over a 24 h span are as low as 1.2, 1.3, and 3.0 cm in the east, north, and up components, respectively. Within the few minutes that span a typical seismic event, a horizontal displacement precision of 4 mm can be achieved. The positioning precision of the GSeisRT regional PPP/PPP-AR is 30%–40% higher than that of the global PPP/PPP-AR. Since 2019, GSeisRT has successfully recorded the static, dynamic, and peak ground displacements for the 2020 Oaxaca, Mexico moment magnitude (Mw) 7.4 event; the 2020 Lone Pine, California Mw 5.8 event; and the 2021 Qinghai, China Mw 7.3 event in real time. The resulting immediate magnitude estimates have an error of around 0.1 only. The GSeisRT software is open to the scientific community and has been applied by the China Earthquake Networks Center, the EarthScope Consortium of the United States, the National Seismological Center of Chile, Institute of Geological and Nuclear Sciences Limited (GNS Science Te P Ao) of New Zealand, and the Geospatial Information Agency of Indonesia.引用格式如下:Jianghui Geng, Kunlun Zhang, Shaoming Xin, Jiang Guo, David Mencin, Tan Wang, Sebastian Riquelme, Elisabetta D'Anastasio, Muhammad Al Kautsar, GSeisRT: A Continental BDS/GNSS Point Positioning Engine for Wide-Area Seismic Monitoring in Real Time, Engineering, Volume 47, 2025, Pages 57-69, ISSN 2095-8099, https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.012.

【2025】Factor Graph-Based Tightly Coupled RTK/INS/LiDAR System With De-Drifting LiDAR Data Association in Urban Areas.

Accurate, reliable, and continuous positioning is crucial for applications like autonomous driving and mobile robots. Integrating multiple sensors, such as the global navigation satellite system (GNSS), inertial navigation system (INS), and light detection and ranging (LiDAR), in a tightly coupled manner has become a promising solution to leverage their complementary advantages. However, LiDAR pose constraints may face significant inconsistencies with GNSS absolute measurements when using the frame-to-map data association method. Alternatively, frame-to-frame LiDAR data association suffers from limited accuracy due to sparse feature point matching. This article presents a tightly coupled GNSS real-time kinematic (RTK)/INS/LiDAR positioning system based on a de-drifting LiDAR data association method. The LiDAR keyframe selection strategy is designed by accounting for the availability and reliability of both GNSS and LiDAR data. A frame-to-last-GNSS-available-frame data association method is developed, utilizing both plane and edge features to construct LiDAR relative constraints. These measurements, alongside INS data and GNSS pseudorange and carrier phase measurements, are integrated within a factor graph optimization framework for pose estimation. Experimental results from an autonomous vehicle in urban environments demonstrate that the proposed tightly coupled system significantly outperforms other integration approaches using various sensor combinations, integration types, and LiDAR data association methods, improving 3-D positioning accuracy in root mean square (rms) from 12.40 m (using GNSS RTK) to 0.20 m. Moreover, the proposed method maintains high-accuracy absolute positioning with a 3-D position error of 0.28 m and a 3-D maximum error of 0.44 m during a 20-s GNSS outage.引用格式如下:C. Wang, P. Wang, F. Wang, W. Tang and J. Geng, "Factor Graph-Based Tightly Coupled RTK/INS/LiDAR System With De-Drifting LiDAR Data Association in Urban Areas," in IEEE Sensors Journal, vol. 25, no. 9, pp. 15442-15455, 1 May1, 2025, doi: 10.1109/JSEN.2025.3546627.

研究方向

Research direction

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全源融合导航

         随着智慧交通、自动驾驶、移动测量等领域的发展,汽车、无人机、智能手机等设备对定位导航的需求越来越大,导航应用场景越来越复杂,定位精度和可靠性的要求越来越高。卫星导航系统(GNSS)能在大部分场景下能为用户提供高精度高可靠的位置信息,但是在隧道、林荫、城市峡谷、室内以及强电磁干扰等场景中,GNSS性能急剧下降,甚至无法提供或提供错误的定位信息,难以适应目前复杂多变的位置服务场景。为了获取稳健的导航性能,GNSS通常与惯性测量单元(IMU)融合形成GNSS/INS组合导航系统,应用于导航定位中。在GNSS观测较差的环境中,GNSS/INS组合导航系统的性能与IMU的级别密切相关,IMU等级越高,定位精度就越高,同时意味着系统的成本也越高;而面向大众市场的MEMS IMU,虽能在一定程度上改善GNSS的定位性能,但是依然无法稳定的提供可靠的导航定位信息。        除了GNSS与IMU以外,仍有许多可用于导航定位的传感器,如激光雷达、相机、磁力计、气压计等等,因此,为了解决GNSS固有弱点的制约,在卫星拒止环境中提供可靠的导航信息,美国国防高级研究计划局(DARPA)于2010年提出并开展全源定位与导航(All Source Position and Navigation, ASPN)的研究,即基于多源传感器,根据不断的变化的任务需求,实现快速系统重构、在线配置和即插即用的组合导航系统。2017年5月,美国空军研究实验所成功开发出ASPN系统,该系统包含GPS、IMU、相机、磁力计和气压计,目前已在海陆空等平台上完成了多次现场实验。        国内关于全源融合导航的研究起步较晚,目前仍在探索阶段。本团队正致力于全源导航的研究,我们搭建了包含GNSS、IMU、单目/双目/鱼眼相机、激光雷达等传感器的无人车实验平台,自主设计并开发了GNSS/INS/Vision紧组合定位算法软件平台,并在真实的城市街区环境中进行了硬件和软件平台的测试。在随后的研究中,我们将融合更多的传感器,并进一步优化软件平台,推动国内全源融合导航的发展。

精密单点定位模糊度固定与区域增强

   精密单点定位技术(PPP)是一种经典的采用全球导航定位系统(GNSS)伪距以及载波相位观测值来进行定位的技术。由于其不需要依赖任何参考站,只需精密卫星轨道及钟差产品即可实现厘米级定位,目前被广泛应用在了实时导航服务和地学研究中。然而,受卫星几何构型以及伪距精度的影响,在初始化以及信号中断后,PPP通常需要数十分钟来收敛至可靠的厘米级结果;这一缺陷极大地限制了PPP的应用场景。另一方面,地学研究者也对目前PPP的定位精度提出了更高的要求以期发现更加微弱的地学信号。本课题组自2009年以来一直致力于PPP快速收敛以及高精度定位的研究,研究方向主要分为两个方面:   1. 精密单点定位模糊度固定(PPP-AR)  众所周知,GNSS载波相位观测值具有比伪距更高的精度,通常为毫米级,然而,未知模糊度的存在使得载波相位无法直接用于定位解算。如果我们可以获得整周模糊度的具体数值,就可以通过载波相位构建出毫米级的距离观测值,从而瞬间实现优于厘米级的可靠定位。模糊度固定方法(AR)因此成为了PPP收敛时间缓慢的突破口,众多国内外学者对其进行了深入研究。自葛茂荣教授2008年首次提出PPP-AR方法以来,本课题组已经做了大量围绕PPP-AR的具有创新性的工作:我们在2010年论证了目前主流的两种模糊度固定方法——小数偏差法(FCB)以及整数钟法(IRC)的等价性;在2012年我们进一步提出了基于GPS模糊度固网解计算小数偏差的方法,相比经典的基于浮点解计算方法具有更高的精度;提出了一种三频PPP-AR方法进一步提高传统双频方法的收敛效率;在2016年实现了不同种接收机间GLONASS小数偏差的计算;紧接着首次提出了PPP系统间模糊度固定方法并用GPS和BeiDou进行了验证;在2019年我们提出了一种全球无缝的瞬时分米级单点定位方法,主要用于解决自动驾驶等高时效性以及高精度要求的导航应用。我们将继续研究多星座多频率信号背景下PPP快速模糊度固定的方法并拓展其应用。  2. 区域参考网增强精密单点定位(PPP-RTK)  通过引入相位偏差产品我们可以实现模糊度的单站固定,然而即使使用目前所有可用的卫星,我们仍需要花费十几分钟的时间来获得正确的模糊度固定解。通过施加区域参考网电离层对流层等约束,PPP最快可以在几秒钟之内实现模糊度的可靠固定,这就是PPP-RTK技术。因此PPP-RTK可以很好的克服传统PPP收敛缓慢的问题,同时又不需要过分依赖参考站,成为了当下GNSS导航领域的研究热点。课题组早在2010年就提出了利用区域参考网电离层延迟改正信息实现PPP-AR快速重收敛的方法,并在之后一年针对实时PPP服务提出了一种PPP-RTK模型。在2017年,我们通过引入精密电离层产品约束实现了GPS和GLONASS模糊度同时固定并将实时PPP的收敛时间缩短至5分钟以内。课题组将继续研究区域增强PPP的理论与方法来满足实时GNSS导航定位的需求。相关工作1. Integer ambiguity resolution in precise point positioning: Method comparison. J. Geod (2010)2. Rapid re-convergences to ambiguity-fixed solutions in precise point positioning. J. Geod (2010)3. Improving the estimation of fractional-cycle biases for ambiguity resolution in precise point positioning. J. Geod (2012)4. Triple-frequency GPS precise point positioning with rapid ambiguity resolution. J. Geod (2013)5. GLONASS fractional-cycle bias estimation across inhomogeneous receivers for PPP ambiguity resolution. J. Geod (2016)6. Rapid initialization of real-time PPP by resolving undifferenced GPS and GLONASS ambiguities simultaneously. J. Geod (2017)7. Inter-system PPP ambiguity resolution between GPS and BeiDou for rapid initialization. J. Geod (2018)8. Toward global instantaneous decimeter-level positioning using tightly coupled multi-constellation and multi-frequency GNSS. J. Geod (2019)

地震大地测量学

   传统的地震台网和大地测量台网是相互独立的区域范围内的地震观测台网。由于最初学者们对多传感器融合应用去地震学研究缺乏相关的概念,所以两种台网一般独立使用。但是地球科学家逐渐认识到,地震运动的范围很广,没有任何一种单一的传感器能够捕捉到地震学研究所感兴趣的所有信号。  强震仪和地震仪对记录高频地震信号有足够的精度,而对低频部分则精度较低。惯性传感器宽频带位移的计算存在许多已知问题,却没有公认的方法。例如,未解决的旋转运动是计算精确位移的主要障碍,因为加速度时间序列中的微小偏移会在积分过程中产生线性和二次误差。因此,随着时间的推移,位移波形将无限增长。传统的抑制发散的方法是在加速度时间序列上使用高通滤波器,但要以损失永久位移为代价。  GNSS技术能够以位移形式直接捕捉地面运动,一个新兴的领域——GNSS地震学已经引起了地球科学家的关注。GNSS技术的优点是可以恢复永久性同震位移,在大地震中不存在限幅的影响。然而,它在全频带内的噪声比惯性传感器大,这会导致高频段和小地震中的信号不准确。  因此,一些学者主张将地震仪和大地测量数据相结合,以获得最佳的宽频带位移,因为二者可以优势互补。根据这个理论,我们也做出了一些的先进的有影响力的成果。2013年,我们提出了一种紧耦合的卡尔曼滤波方法,通过GPS相位和伪距观测值及地震仪观测值在PPP-AR过程中估算同震位移和速度,并可用于预警系统;同年,我们还提出了一种如何从并置的高频GPS和加速度计数据中恢复同震地面点倾斜的方法。2017年和2018年,我们分别提出将高频GPS与GLONASS结合用于地震大地测量,将高频多系统GNSS结合用于日常的地壳变形监测,这也为我们展示了多系统GNSS在地震大地测量中的作用。2019年,我们进一步发展了多传感器融合的方法,利用并置的高频GNSS、加速度计和陀螺仪数据来获取同震位移及旋转信息。相关工作1. Six‐Degree‐of‐Freedom Broadband Seismogeodesy by Combining Collocated High‐Rate GNSS, Accelerometers, and Gyroscopes. Geophysical Research Letters  (2019)2. Noise characteristics of high-rate multi-GNSS for subdaily crustal deformation monitoring. Journal of Geophysical Research (2018)3. Integrating GPS with GLONASS for highrate seismogeodesy. Geophysical Research Letters (2017)4. Recovering coseismic point ground tilts from collocated high-rate GPS and accelerometers. Geophysical Research Letters (2013)5. A new seismogeodetic approach applied to GPS and accelerometer observations of the 2012 Brawley seismic swarms: Implications for earthquake early warning. Geochemistry, Geophysics, Geosystems (2013)

基于Android原始GNSS数据的高精度定位

  全球导航卫星系统(GNSS)芯片组的尺寸不断减小,成本不断降低,这使得它们能够嵌入智能手机、可穿戴设备、共享自行车和车辆等设备中。然而,大众市场芯片组只能提供2-3米的定位精度,在不利的多径条件下,定位精度会降低到10米或更差。随着2016年Android7的发布,用户可以通过应用程序级的API(应用程序编程接口)导出和使用Android智能设备中的原始GNSS测量值。这推动了使用大众化低成本Android智能设备的高精度定位的创新。尤其是在如智能物流和移动健康诊断等移动和安全相关的应用,可能会从亚米或更好的定位精度中受益。而智能手机上提供的亚分米或厘米精度将会有助于完成半专业化的测量任务,如个人或众包测图。   以此契机,我们于2018年对Nexus 9、华为Honor V8和Samsung S8等主流便携式智能设备的原始多系统GNSS信号特征和定位性能进行了综合评价,并实现了智能设备外接天线的研制。2019年,我们研究了这些智能设备的原始GNSS测量的误差特性,发现了它们载波相位观测值含有特殊的相位偏差,并提供了它们的码跟踪环路(DLL)和相位跟踪环路(PLL)热噪声模型参数。同年,我们提出了一种仅使用Android原始GNSS数据而无需外部增强校正即可实现分米级定位的Hatch滤波方法。随后,我们开发了一款具有记录Android 原始GNSS观测值、用户精密定位及地图显示、超快速星历产品内插导出等功能的应用程序“Pride-Location App”。在随后的研究中,我们将进一步讨论和研究Android原始GNSS载波相位模糊度固定等内容。相关工作1. Characteristics of raw multi-GNSS measurement error from Google Android smart devices. GPS Solutions (2019)2. An Improved Hatch Filter Algorithm towards Sub-Meter Positioning Using only Android Raw GNSS Measurements without External Augmentation Corrections. Remote Sensing (2019)3. A Comprehensive Assessment of Raw Multi-GNSS Measurements from Mainstream Portable Smart Devices. ION GNSS+ (2018)