【摘 要】
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目前全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）仍然存在精密单点定位收敛较慢,导航电文传输速率低,信号较弱易被干扰等问题。而低轨卫星轨道高度低,卫星运行速度快,星座几何构型变化快,可以极大的缩短整周模糊度的收敛时间,且数据传输速率高,信号抗干扰能力强,利用低轨卫星增强GNSS恰好可以解决GNSS定位中存在的问题,北斗下一代发展规划已明确提出建设
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目前全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）仍然存在精密单点定位收敛较慢,导航电文传输速率低,信号较弱易被干扰等问题。而低轨卫星轨道高度低,卫星运行速度快,星座几何构型变化快,可以极大的缩短整周模糊度的收敛时间,且数据传输速率高,信号抗干扰能力强,利用低轨卫星增强GNSS恰好可以解决GNSS定位中存在的问题,北斗下一代发展规划已明确提出建设低轨导航增强星座。计算并播发低轨卫星实时精密钟差和轨道参数是低轨导航增强的核心问题。由于轨道参数可预报性较强,轨道参数可以由分析中心计算并预报,而实时钟差参数预报精度随星载钟稳定性衰减显著,因此可以考虑在星上平台实时估计与短期预报并向下播发,在这一过程中,就涉及到了低轨卫星实时钟差的估计、预报和电文参数的设计等问题,每一项的精度都决定了用户接收到的钟差精度从而影响低轨卫星增强GNSS定位的结果。因此研究低轨卫星实时钟差估计、预报和系统参数设计具有重要意义。针对以上关键问题,本文研究了低轨卫星星上实时钟差解算的理论与方法,针对钟差收敛慢的问题提出了一种星地同步钟差估计的快速收敛算法;针对低轨增强用户对低轨卫星实时钟差的需求,本文讨论了几种钟差预报方法和钟差预报精度对时钟稳定性的要求;最后对低轨增强GNSS星上钟差处理系统进行了实验验证。本文的主要工作及相关结论如下:1.研究了星上实时钟差解算的基本原理,提出了星地同步钟差估计的快速收敛算法,解决了实时钟差参数解算初始化和重收敛的问题。采用未来导航实验卫星（SF1B）在轨实测数据实验验证表明,实时星载GNSS接收机钟差估计精度达到0.1ns,首历元约束方法无需初始化。2.研究了不同钟差预报模型,以在轨卫星SF1B和GRACE-C卫星为例,分析了多项式模型、灰色模型在低轨卫星钟差预报中的精度和优劣势。研究表明:灰色模型相较于二次多项式模型而言虽然短期预报精度稍高而且随着预报时长的增加预报精度不会有明显的下降,但是对于实时钟差的播发和地面用户获取实时钟差而言,不如二次多项式系数方便,因此确定了二次多项式模型用于低轨卫星钟差超短期预报。3.分析了星上钟差预报精度与钟频稳定性的关系,SF1B、GRACE-C、HY2B和FY3D四颗卫星的在轨数据分析表明,当要求10s和20s预报时长的预报精度均达到0.2ns时,此时需要星钟的10s稳定度至少优于3.9E-12,20s稳定度至少优于1.5E-12。4.设计了低轨导航增强实时轨道钟差播发参数和编排协议。研究表明低轨卫星钟差按照二次多项式进行拟合,拟合时长为60s,预报时长为10s,此时钟差精度即可满足增强用户对5cm低轨卫星轨道参数播发精度,和0.2ns低轨卫星钟差播发精度需求。5.设计了星上钟差估计预报子系统,介绍该系统的构成,通过半物理模拟源试验验证了星上钟差处理精度,在此基础上开展了低轨增强定位性能验证,为后续低轨星群增强GNSS提供了参考。
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