基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述

在我国北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设的背景下,世界卫星导航步入新时代。各卫星导航大国均瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务,正在着手开展新一代系统建设和技术迭代。随着各国对于大型低轨通信星座的积极开发与广泛部署,应用低轨卫星技术实现导航增强与PNT系统备份能力,因其易与GNSS协同,具有提高全球自主导航精度、拓展全球卫星导航应用市场的巨大潜力而成为研究热点。面向低轨导航增强技术,首先总结了低轨卫星的最新态势,梳理了卫星导航增强服务模式,并详细分析了低轨通信星座导航精度增强及导航信号增强两方面的技术动向。在此基础上,重点针对导航增强频率的兼容互操作、通信/导航信号一体化设计、高动态导航增强信号捕获与跟踪等方面,对低轨卫星导航增强体系未来的发展机遇以及面临的技术挑战进行了展望。此外,还基于美国铱星系统实收采集信号开展了定位服务性能试验分析,结果表明600个历元内收敛定位精度优于100m,相关分析成果可为我国低轨导航增强建设提供参考和借鉴。     

利用改正数信息的北斗三号实时精密单点定位及性能分析

北斗三号全球卫星导航系统已正式建成并开通服务。为了利用实时改正数信息系统地揭示北斗三号精密单点定位性能，并为用户提供理论依据和应用参考，首先解算了卫星实时精密轨道、钟差及其改正数，分析了其精度。然后基于实时改正数信息，利用监测站广播星历和观测数据，分别进行了双频静态、双频仿动态、单频静态和单频仿动态仿实时精密单点定位，以评估其性能。结果表明：北斗三号MEO卫星实时轨道和钟差精度均值分别约为12cm和0.2ns，满足实时精密单点定位需求。静态实时精密单点定位精度优于动态，双频优于单频，均可达到分米级。对于定位收敛时间，双频静态最短，约为40min；双频动态和单频静态均约为85min；单频动态最长，约为120min。     

低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统（GNSS）精密单点定位（PPP）收敛时间过长的问题，提出了利用低轨卫星（LEO）几何结构变化快的优势，增强GNSS非差非组合PPP（UPPP）的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据，比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时，各测站收敛时间减少60%~80%，70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时，CL和GCL组合系统的收敛时间相当，ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10~20 min 下降至3 min以内，原因是混合LEO增强BDS定位时，大大改善了卫星的空间结构。     

面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究

由于高轨空间超出北斗卫星导航系统的正常服务区域,导航信号微弱、可见性差,难以实现高轨飞行器全程稳定可靠的导航定位服务。提出了以空间卫星为时空基准传递平台,向高轨空间区域发射导航信号,从而提高高轨飞行器导航性能的方法,并展开面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究。基于卫星可见性、精度衰减因子（DOP）、信号接收门限和所需增强卫星数目等评估指标,仿真分析了基于LEO星座、MEO星座和HEO星座的北斗导航增强性能。     

面向Android智能终端的多模GNSS实时非差精密定位

Android操作系统中全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的开放为大众高精度位置服务的应用带来了重要机遇。在对Android系统GNSS原始数据特性分析的基础上,利用智能终端GNSS原始数据实现了实时非差精密定位,研制了面向Android平台的实时精密单点定位(PPP)软件PPPAnd,并开展了实际环境下的定位测试。测试结果表明:基于Android终端GNSS原始数据的实时静态伪距单点定位精度(RMS)为1.16m(水平方向)和1.51m(垂直方向),较其自身位置速度和时间(PVT)解算结果分别提高了70%和76%;实时静态精密单点定位解算结果的精度(RMS)为0.62m(水平方向)和0.66m(垂直方向),较PVT结果分别提高了87%和82%,精度收敛至1m以内所需时间约8min,并且收敛后的精度可达亚米级;城市环境中车载实时动态精密单点定位的水平和垂直精度(RMS)分别约为1.32m和0.81m,较PVT结果分别提高了39%和65%。     

全球精密单点定位性能评估

随着中国北斗三号卫星导航系统（BDS-3）全面建成与开通，北斗卫星导航系统已步入了新发展阶段，基于BDS-3实现全方位、多层次、高精度应用已成为地学研究中一项基本任务。利用全球最新均匀分布的10个MGEX跟踪站，分别从24 h内接收到的卫星数、卫星位置精度因子（PDOP）、卫星数据解算完整率和双频非组合精密单点定位（PPP）静态/动态定位精度等方面系统深入地评估了BDS-3在全球范围内的可用性。结果表明，测站对卫星跟踪能力与配备的接收机类型和区域位置有强相关性，单BDS-3卫星在全球范围内具有较强的连续定位能力，当使用SEPT POLARX5和JAVAD TRE_3接收机的情况下，数据解算完整率可达100%。此外，水平方向和高程方向定位精度分别优于2 cm和3 cm，并且在联合使用BDS-2和BDS-3定位的条件下，可使得静态定位精度在东、北和高程方向进一步提升37.6%,25.3%和38.9%。     

卫星授时与时间传递技术进展

近年来,卫星导航技术发展迅速.卫星导航系统以精密时间测量技术为基础,实现了伪距测量,进而实现定位.同时,卫星导航系统还提供了高精度授时功能.综述了卫星导航系统的授时和时间频率传递技术、基于通信卫星的授时技术以及双向卫星时间频率传递(TWSTFT)技术等.随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的建成和提供服务,BDS授时应用研究正在快速发展.基于BDS/GNSS多系统的精密单点定位(PPP)时间传递技术已成为重点研究方向,未来将会应用于国际时间比对.同时,随着卫星通信技术尤其是低轨通信卫星技术的快速发展,低轨通信卫星授时会成为一个有潜力的研究方向.     

北斗三号系统PPP-B2b信号定位服务模型及性能分析

给出了PPP-B2b信号定位的观测模型和随机模型，详细阐述了PPP-B2b增强改正模型和参数估计模型，并进行了静态和动态定位实验。结果表明：对于单系统，在30min的收敛时间内，北斗三号定位精度可以达到水平0.118m（静态）、0.176m（动态），高程0.208m（静态）、0.423m（动态）以内，GPS定位精度可以达到水平0.113m（静态）、0.163m（动态），高程0.206m（静态）、0.377m（动态）以内；对于北斗三号/GPS双系统，在20min的收敛时间内，定位精度可以达到水平0.092m（静态）、0.122m（动态），高程0.158m（静态）、0.312m（动态）以内。无论是收敛性还是定位精度，均能满足北斗三号精密单点定位服务指标的要求。     

GPS/BDS精密单点定位技术在滑坡变形监测中的应用研究

分别探讨了GPS精密单点定位技术、GPS/BDS精密单点定位技术及BDS精密单点定位技术在地形较为陡峭、有部分卫星被遮挡的滑坡体特殊环境中的应用能力。选用四川西山村8个监测站,总时长跨度16个月的观测数据进行试验及分析,结果表明:西山村滑坡体整体正以平均9.2mm/月的速度向南滑动,并伴随着垂向上的整体下沉。精度区间统计结果显示,平均5.93h时长的GPS精密单点定位的解算精度基本能达到较高水平且相对稳定,可以有效监测变形较缓慢的滑坡体。GPS/BDS的解算结果的精度接近于单GPS的水平,但由于BDS的数据可利用率整体上不稳定,拉低了GPS/BDS的解算结果的整体精度,表明了当前的单BDS精密单点定位的精度受地形等外界环境变化的影响更大。利用观测时长及数据的可利用率指标加权处理解算结果,降低了观测质量不高的结果对整体结果的贡献比,提高了定位结果的精度和容错率。     

基于RTS滤波的GPS+BDS非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

BDS-3 PPP模糊度固定实现及精度评估

精密单点定位(PPP)模糊度固定(AR)能够显著提升精密定位的收敛速度和精度。通过在BDS-2和BDS-3之间添加系统间偏差的方法实现BDS-3的模糊度固定,并基于全球MGEX测站静态、仿动态数据和车载实验数据全面评估了BDS-3模糊度固定的效果。结果表明,相对于浮点解,BDS-3 PPP模糊度固定能够显著提升PPP的精度,在东北天3个方向上静态解算精度提升依次为37.4%、26.2%和20.1%;仿动态解算精度提升依次为38.3%、27.2%和11.1%;车载动态实验BDS-3模糊度固定精度在三维方向上综合提升为40.4%。此外,模糊度固定后,以浮点解稳定后的两倍定位精度为基准,在东北天方向上,静态定位时间提升程度依次为63.5%、64.0%和40.3%;仿动态定位时间提升程度依次为58.7%、56.8%和25.4%;车载实验在三维方向的收敛时间为30.0 min。以上结果证明了所提方法的有效性及BDS-3模糊度固定的性能提升。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移，为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息，利用全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）高频观测数据，基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析，并将其应用于精密单点定位（precise point positioning, PPP）实时计算2021年漾濞Mw6.4地震和玛多Mw 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差（standard deviation, STD）均值为0.142 ns，其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm，高程方向达到1.0 cm，计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定，而且能够获得较为准确的同震形变。     

低成本U-blox模块的单频GPS/BDS增强PPP定位性能分析

以U-blox单频接收机采集数据,在GPS与GPS/BDS两种解算模式下进行局域增强精密单点定位(PPP)解算,并进行模糊度固定,对其在不同环境下的定位性能进行实验研究和分析。实验结果表明:在静态环境下,GPS/BDS浮点解收敛至cm级需3min左右,较GPS缩短64%,GPS/BDS定位精度RMS在平面与高程方向分别为(3.2cm,2.7cm),较GPS提升(47%,59%);GPS/BDS在30s左右可固定模糊度,固定后定位精度为(0.4cm,1.0cm),较GPS/BDS浮点解提升(88%,63%)。在动态环境下,GPS/BDS浮点解收敛至cm级需4min左右,较GPS提升59%,定位精度为(3.1cm,5.9cm),较GPS提升(34%,43%);GPS/BDS获得固定解需2min左右,固定后定位精度为(0.7cm,1.0cm),较GPS/BDS浮点解提升(77%,83%)。