摘要
卫星导航系统不仅仅为用户提供基本的位置和时间服务，也深入人类生活的方方面面，成为重要的时空基准设施。但以GPS、BDS、GALILEO、GIONASS为代表的传统导航系统在基本导航定位能力、复杂环境使用效果、精密定位收敛时间等方面仍有不足之处。低轨(LEO)卫星因其轨道低、图形结构变化快、信号落地功率高等特点，基于巨型LEO星座构建的低轨导航增强系统成为解决上述问题并发展为下一代导航系统的首选。 当前国内外各机构都在不断研究建设低轨导航增强系统，充分探索LEO卫星在在增强精密单点定位(PPP)服务、增强GNSS空间信号精度、增强完好性监测等方面的潜力。对于我国的北斗导航系统来说，融合低轨星座构建更加智能、融合、泛在的国家综合定位导航授时(PNT)体系，可为智能化、无人化、全方位、高精度科技发展提供技术支撑，最终建成覆盖面更广、服务效果更加、安全性更高的时空信息服务基础设施。 基于此，本文针对低轨导航增强系统时空基准建立展开一系列研究，具体内容和主要结论如下: 1、本文分析了国产LEO卫星实测星载GPS/BDS/GALILEO数据质量，BDS数据质量己与其他成熟系统持平。利用GPS(L1/L2)、GPS(L1/L5)、BDS(B1C/B2a)、GALILEO(Elmsa)单系统可分别实现三维方向2.42、2.93、2.67、2.87cm的定轨精度。而多系统组合时定轨精度更优，利用GPS(L1/L2)/BDS、GPS(L1/L2)/GALILEO、BDS/GALILEO、GPS(L1/L2)/BDS/GALILEO组合可实现三维方向2.28、2.30、2.36、2.21cm的解算精度。 2、低轨卫星精密轨道预报(POP)一方面为LEO广播星历提供轨道信息，另一方面也可用作轨道碰撞预警、自主导航等方面。在地面信息处理中心计算的条件下，本文使用定轨预报同时处理及动力学拟合等两种算法，利用GRACE.C、HY2A、SWARM-A、SWARM-A、SWARM-B卫星数据预报5、10、15min的轨道精度为5.24～8.88、5.66～9.23、6.24～9.68cm。对于LEO星上轨道预报，本文利用单个坐标点及简化力学模型进行轨道积分外推。该方法实现简单，计算效率高，便于在计算条件有限的星上环境使用。地球重力场阶数对不同弧长的预报精度有重要影低轨导航增强系统精密轨道钟差测定及性能评估响，预报5、10min轨道建议分别选择30、60阶重力场。 3、太阳作为太阳系内重要的能量源和扰动源，其活动深刻影响日.地环境变化。在太阳活动高年，LEO卫星星载数据周跳更易发生，电离层延迟变化率也更高。与卫星预报高度相关的大气阻力、光压阻力和经验力在太阳活动高年量级更大，变化趋势更剧烈。利用GRACE-A、CHAMP、SWARM.A、SWf6瓜M.B卫星近20年数据进行精密轨道预报，在太阳活动低年预报10、20、30min的平均精度为0.09、0.12、0.15m，太阳活动高年则为O.15、O.20、0.26m。 4、对于快速钟差解算，本文提出了批处理及滤波实时解算两种模式，解算精度均优于0.15ns。前者更为稳定，但数据存储量较大。后者实时性较高，数据存储量较小，但存在不稳定现象。针对滤波算法需要长时间收敛问题，本文提出首历元约束算法，可实现快速钟差收敛。受限于性能较差，LEO星钟需要频繁调钟调相以向参考时间溯源，这也导致LEO星钟长稳较差，但短稳尚可。GRACE.C、CSWX、CS01、SWARM-A卫星的10s重叠阿伦方差为1.27E-12、6.08E-12、1.23E-10、2.21E-10ns，10s重叠哈达玛方差为1.09E-12、4.64E-12、1.24E-10、2.25E-10ns。利用一阶多项式可实现LEO精密钟差预报，但建议预报时长不超过40s，且LEO星钟至少满足10s重叠阿伦方差为6.08E.12ns、10s重叠哈达玛方差为4.64E-12ns的性能，才能实现LEO星钟高精度钟差预报。 5、相比传统的18参导航星历算法，20参、22参进一步考虑的地球非球形摄动短周期摄动影响，因此拟合精度更高。本文利用多颗LEO卫星进行星历拟合试验，建议拟合弧长不超过16min。在收集部分实测LEO下行观测数据后，LEO导航信号伪距、相位噪声、多路径误差等评估指标符合预期水平。通过仿真LEO导航星座及下行数据，本文进一步分析了低轨导航增强系统PPP服务性能。LEO星座数量、下行观测数据误差、LEO卫星轨道钟差会对GNSS/LEO联合PPP定位性能产生明显影响，应进一步做好各类误差的建模和修正工作。
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