【摘 要】
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我国北斗导航系统已全面建成,与GPS、GLONASS和Galileo一起并列四大全球卫星导航系统（GNSS）,进入新的发展阶段。GNSS目前已成为时空基准,但其提供的基本定位精度一般在米级,甚至可以达到十米,无法满足传统产业升级和新兴技术发展对分米级、厘米级的实时精准定位需求。目前市场上多采用RTK、网络RTK技术方案提供高精度定位服务,包括地面基站或高轨卫星增强,但在实时性、广域性、便捷性、用户
【基金项目】
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空间智能控制技术重点实验室开放基金（KGJZDSYS-2018-07）; 《基于iGMAS的北斗精密单点定位和低轨实时高精度定轨技术研究》,上海航天科技创新基金（SAST2018-047）
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我国北斗导航系统已全面建成,与GPS、GLONASS和Galileo一起并列四大全球卫星导航系统（GNSS）,进入新的发展阶段。GNSS目前已成为时空基准,但其提供的基本定位精度一般在米级,甚至可以达到十米,无法满足传统产业升级和新兴技术发展对分米级、厘米级的实时精准定位需求。目前市场上多采用RTK、网络RTK技术方案提供高精度定位服务,包括地面基站或高轨卫星增强,但在实时性、广域性、便捷性、用户容量等方面具有一定的局限。精密单点定位（PPP）技术依靠精密信息和误差改正模型可以实现单点绝对高精度定位,作业灵活,但其初始化收敛缓慢,且卫星信号失锁后再次收敛与首次初始化时间几乎一样长,应用受限。本文结合低轨卫星增强GNSS技术,从全球实时精准定位需求出发,利用低轨星座的高强度信号、全球覆盖性和快速几何构型变化等优势,结合低轨卫星转发精密信息和播发导航信号两种模式以及我国主导建设的国际GNSS监测评估系统（iGMAS）精密数据,开展低轨卫星增强北斗辅助下的联合定位和特殊场景独立定位的技术研究。本文主要内容包括:（1）设计了基于iGMAS的实时PPP算法和验证系统。面向我国主导建设的iGMAS产品推广应用,本文以IGS精度最高产品为参考标准,评估iGMAS超快速产品的精度和稳定性。考虑到iGMAS产品目前暂未提供北斗三号精密数据,重点围绕iGMAS产品中精度较高的GPS卫星做进一步质量分析和应用。基于分析结果选择合适的iGMAS产品,设计了“Nov Atel双频接收机+Windows平台”的实时PPP验证系统,实测验证了iGMAS产品在实时PPP的应用效果。实测结果表明,可以在23分钟左右实现优于20cm的定位服务,与IGS超快速产品应用性能相当,较接收机原始定位提高了一个量级,可以基本满足高精度定位的需求。（2）提出了面向低轨导航增强星座的实时精准定位最优选星策略。本文面向低轨导航增强星座全球覆盖的服务需求,综合考虑覆盖性能、人口密度分布和低轨空间环境等因素,对比分析设计了复合构型的低轨导航增强星座,实现了对北斗导航系统的覆盖优化,组合导航系统的全球PDOP得到明显改善。结合低轨星座增强北斗导航定位过程中可视卫星充分冗余,以及低轨卫星在可视范围内的快速交替情况,本文设计了高度角与PDOP组合最优选星策略,设计可视卫星的PDOP阈值,在此基础上从全部可视卫星中选取满足阈值的最优组合的部分卫星进行仿真实验,结果显示组合选星策略可以有效改善可视卫星PDOP的连续性,从而实时精准定位。（3）提出了低轨星座增强北斗的实时精准定位算法。本文在前面提出的复合构型低轨导航增强星座基础上,基于iGMAS精密数据、北斗导航系统官方参数和各类误差模型仿真生成低轨卫星和北斗卫星的观测数据,应用高度角与PDOP组合最优选星策略进行快速PPP算法研究,试验结果验证了低轨卫星增强的北斗导航系统实时PPP可以在1分钟内收敛到厘米级,且经过组合选星后PPP收敛效果更加稳定。考虑到低轨卫星多载荷应用的发展趋势,本文面向潜艇等水下目标的定位需求,考虑低轨导航增强卫星搭载蓝绿激光角反射器这样的特殊载荷。利用低轨可视卫星蓝绿激光水下通信测距,联合潜艇高程测量信息实现水下定位。仿真试验结果表明,只要少量可视低轨卫星就可实现高精度独立定位,满足潜艇等水下目标的定位需求,为低轨导航增强星座的拓展应用提供了一种思路。在我国北斗导航系统全面建成之际,本文将北斗导航与低轨卫星增强系统相结合,依托我国自主建设的iGMAS精密数据,开展实时精密单点定位技术研究,验证了iGMAS超快速产品在实时PPP应用的可行性和可靠性;完成最优选星策略研究,实现了低轨卫星增强北斗的快速精准定位算法,为全球实时精准定位系统的建设提供了技术支持。
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