天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)研究與在軌試驗(yàn)驗(yàn)證

蔚保國(guó)，武子謙，伍蔡倫，謝 松，盛傳貞

(1. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ驘o(wú)縫覆蓋的高精度瞬時(shí)定位提出了明確的需求。然而，當(dāng)前包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、GLONASS、 Galileo在內(nèi)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)，以及準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)等區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本導(dǎo)航服務(wù)定位精度均為米級(jí)，遠(yuǎn)不能達(dá)到高精度應(yīng)用的要求。精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning, PPP)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度定位，但其收斂時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足瞬時(shí)高精度定位的需求。各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地基增強(qiáng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)能夠在一定程度上提高快速定位的精度，但需要大量布設(shè)地面監(jiān)測(cè)站，且只能為一定區(qū)域范圍內(nèi)的用戶提供高精度定位服務(wù)，不能滿足全球范圍內(nèi)的瞬時(shí)高精度服務(wù)的應(yīng)用需求。

為滿足全球用戶日益增長(zhǎng)的瞬時(shí)高精度導(dǎo)航定位需求，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)是近年來(lái)提出的一個(gè)新概念技術(shù)，即利用低軌衛(wèi)星的一系列特點(diǎn)，基于低軌衛(wèi)星組網(wǎng)方式提供全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)，增強(qiáng)傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了基于低軌星座的導(dǎo)航性能和PPP收斂時(shí)間的仿真試驗(yàn)分析。

考慮到導(dǎo)航增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)需要低軌星座具備一重甚至多重覆蓋的星座建設(shè)要求，大型低軌通信星座成為低軌導(dǎo)航增強(qiáng)的首選星座。近年來(lái)興起的低軌衛(wèi)星星座建設(shè)為輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球瞬時(shí)高精度定位服務(wù)提供了良好契機(jī)。銥星作為全球首個(gè)建設(shè)完成的低軌通信星座，已于2019年初完成了整個(gè)星座的升級(jí)，可對(duì)地面用戶提供衛(wèi)星時(shí)間和位置(Satellite Time and Location, STL)服務(wù)。SpaceX、三星、波音等企業(yè)也都在組建其大型低軌星座。我國(guó)前期幾個(gè)主要的低軌通信星座，包括天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、虹云、鴻雁、微厘空間以及箭旅鏡像均將低軌導(dǎo)航增強(qiáng)納入其試驗(yàn)范圍。鴻雁全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)采用地面中心站集中處理后上注衛(wèi)星播發(fā)的技術(shù)體制完成信號(hào)增強(qiáng)和信息增強(qiáng)。武漢大學(xué)研制的珞珈一號(hào)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，基于星上實(shí)時(shí)處理的技術(shù)體制，首次開展了低軌導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。

為了適應(yīng)國(guó)家發(fā)展形勢(shì)，國(guó)家統(tǒng)籌規(guī)劃成立了中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，大力發(fā)展和建設(shè)低軌通信與導(dǎo)航融合的巨型星座網(wǎng)絡(luò)。該衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是支撐國(guó)家安全、引領(lǐng)科技創(chuàng)新、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程，以通信與導(dǎo)航深度融合為手段，提供更加泛在、更加融合以及更加智能的定位、導(dǎo)航與授時(shí)(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)服務(wù)，重點(diǎn)在定位精度、完好性、天基監(jiān)測(cè)以及備份導(dǎo)航等方面提高性能，以滿足國(guó)家綜合PNT體系建設(shè)的需要。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星星座建設(shè)信息如表1所示。

表1 低軌衛(wèi)星星座信息一覽表

目前，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)體制尚未收斂，在很多技術(shù)細(xì)節(jié)上還未形成業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文闡述了天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)體制，主要包括系統(tǒng)工作模式、兼容互操作與通導(dǎo)一體化信號(hào)體制，以及實(shí)時(shí)自主定軌、快速高精度定位、完好性監(jiān)測(cè)服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，基于實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)開展了在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)的結(jié)論或可為未來(lái)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)提供支持。

1 天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的組成

天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星于2019年6月5日在我國(guó)黃海海域搭載長(zhǎng)征十一號(hào)運(yùn)載火箭，成功進(jìn)入預(yù)定軌道。作為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的先導(dǎo)試驗(yàn)衛(wèi)星工程，天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星工程開展了低軌衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和遙感等一系列新技術(shù)的應(yīng)用探索，其主要任務(wù)之一是開展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)體制探索試驗(yàn)。天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)主要由空間段和地面段組成，其組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)組成架構(gòu)Fig.1 Architecture of Tianxiang-1 LEO navigation augmentation system

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)空間段主要由2顆天象一號(hào)小衛(wèi)星及其星上載荷組成。天象一號(hào)雙星均搭載了低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，用于開展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷可接收北斗B1/B2頻點(diǎn)和GPS L1/L2頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，自主完成星上實(shí)時(shí)定軌和廣播電文生成與播發(fā)，并具備發(fā)射Z1/Z2頻點(diǎn)的低軌下行導(dǎo)航信號(hào)的功能。天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星及其導(dǎo)航增強(qiáng)載荷外觀如圖2所示。

圖2 天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星及其導(dǎo)航增強(qiáng)載荷Fig.2 Tianxiang-1 experimental satellite and its navigation augmentation payload

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)地面段主要由監(jiān)測(cè)站、關(guān)口站和運(yùn)控中心組成。監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)采集天象一號(hào)Z1、Z2頻點(diǎn)的下行導(dǎo)航信號(hào)及其導(dǎo)航電文；關(guān)口站負(fù)責(zé)接收低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷采集的星載北斗/GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)；地面運(yùn)控中心(如圖3所示)的主要功能包括衛(wèi)星管理控制、綜合信息處理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。衛(wèi)星管理控制主要包括各類試驗(yàn)調(diào)度和管理、星上載荷的開關(guān)控制；綜合信息處理主要負(fù)責(zé)各類觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理，以及各類高精度產(chǎn)品的生成；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估主要開展對(duì)衛(wèi)星、地面設(shè)備工況和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及各類產(chǎn)品和用戶服務(wù)性能的監(jiān)測(cè)評(píng)估；在軌試驗(yàn)驗(yàn)證主要負(fù)責(zé)技術(shù)體制的在軌驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)的探索試驗(yàn)。

圖3 天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)地面運(yùn)控中心Fig.3 Ground operation and control center of Tianxiang-1 experimental system

2 天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)體制

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)采用與現(xiàn)有GNSS和通信信號(hào)兼容互操作的信號(hào)體制，完成信號(hào)測(cè)距和信息的播發(fā)。時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持采用星上實(shí)時(shí)自主定軌和地面中心處理相結(jié)合的設(shè)計(jì)原則，生成高可靠、高可用性的低軌衛(wèi)星廣播星歷和GNSS增強(qiáng)及完好性信息，為地面用戶提供瞬時(shí)高精度定位服務(wù)。天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)估子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)工況、星座狀態(tài)以及服務(wù)性能開展監(jiān)測(cè)評(píng)估。天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Operating principle flow chart of Tianxiang-1 navigation augmentation system

2.1 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)工作模式

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)具備信號(hào)增強(qiáng)和信息增強(qiáng)兩種增強(qiáng)服務(wù)模式。信號(hào)增強(qiáng)是指將低軌衛(wèi)星作為導(dǎo)航源。天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星可對(duì)地發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，一方面可增加地面用戶的可見星個(gè)數(shù)，增強(qiáng)GNSS的可用性；另一方面低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度快，具有更快的空間幾何變化，能夠加快地面用戶高精度定位的收斂時(shí)間。信息增強(qiáng)是指天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星可轉(zhuǎn)發(fā)地面信息處理中心生成的GNSS精密產(chǎn)品信息，從而提高用戶的定位精度。

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷具備三種工作模式，分別是高精度觀測(cè)模式、導(dǎo)航增強(qiáng)模式和低功耗工作模式。當(dāng)載荷處于高精度觀測(cè)模式時(shí)，星載雙模四頻接收機(jī)開機(jī)工作，可以采集指定時(shí)段的星載北斗/GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)管理單元，待衛(wèi)星過境時(shí)經(jīng)星地鏈路下傳至關(guān)口站，用于后續(xù)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作原理如圖5所示；當(dāng)載荷處于導(dǎo)航增強(qiáng)模式時(shí)，增強(qiáng)信號(hào)發(fā)射分機(jī)在衛(wèi)星經(jīng)過試驗(yàn)地點(diǎn)上空前開機(jī)完成定位和授時(shí)，啟動(dòng)增強(qiáng)信號(hào)發(fā)射，對(duì)地發(fā)射Z1/Z2導(dǎo)航信號(hào)，其工作原理如圖6所示；在不開展試驗(yàn)任務(wù)時(shí)，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷開啟低功耗模式，該模式采用低功耗接收機(jī)工作，便于儲(chǔ)存電能，為后續(xù)的增強(qiáng)信號(hào)發(fā)射做好準(zhǔn)備。

圖5 高精度觀測(cè)模式工作原理圖Fig.5 Schematic diagram of high-precision observation mode

圖6 導(dǎo)航增強(qiáng)模式工作原理圖Fig.6 Schematic diagram of navigation augmentation mode

2.2 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)體制

天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的設(shè)計(jì)原則首先考慮了與現(xiàn)有GNSS兼容，即作為北斗星座的重要補(bǔ)充，增加可見星數(shù)量，并支持單星定位；另一方面，為了滿足信息增強(qiáng)的任務(wù)需求，增強(qiáng)信號(hào)需要支持播發(fā)增強(qiáng)信息和完好性信息，以提升導(dǎo)航定位服務(wù)的精度和可用性。

基于上述信號(hào)設(shè)計(jì)原則，天象一號(hào)的下行導(dǎo)航信號(hào)采用2個(gè)異構(gòu)的L頻段信號(hào)Z1和Z2頻點(diǎn)信號(hào)。其中，Z1頻點(diǎn)信號(hào)主要播發(fā)天象一號(hào)衛(wèi)星的電文信息，以及GNSS衛(wèi)星的增強(qiáng)信息和慢變完好性信息；Z2頻點(diǎn)信號(hào)主要播發(fā)快變完好性信息。兩種信號(hào)均可重構(gòu)，可根據(jù)任務(wù)規(guī)劃更改播發(fā)內(nèi)容。天象一號(hào)增強(qiáng)信號(hào)設(shè)計(jì)充分考慮了與現(xiàn)有GNSS信號(hào)的兼容與互操作性，并在此基礎(chǔ)上，為低軌衛(wèi)星各類多元化信息提供了可靠的物理層承載。

2.3 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)體制

2.3.1 低軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)自主定軌

天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星的低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷具備星上實(shí)時(shí)自主定軌功能，利用星載GNSS數(shù)據(jù)以及GNSS的廣播星歷完成實(shí)時(shí)軌道確定。天象一號(hào)自主實(shí)時(shí)定軌采用約化動(dòng)力學(xué)法和幾何法結(jié)合的方法確定衛(wèi)星的位置與速度信息。該方法在動(dòng)力學(xué)模型和幾何觀測(cè)信息間進(jìn)行最優(yōu)加權(quán)，并利用過程噪聲參數(shù)吸收衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型誤差，獲得衛(wèi)星軌道的最優(yōu)估計(jì)，具體算法如下：

1)引入經(jīng)驗(yàn)加速度矢量；

2)假定經(jīng)驗(yàn)加速度為一階高斯-馬爾可夫過程，利用過程噪聲吸收動(dòng)力學(xué)模型誤差。

引入經(jīng)驗(yàn)加速度矢量。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

其中，(,,)為可用確定數(shù)學(xué)模型描述的加速度；()表示全體沒有模型或錯(cuò)誤模型的加速度。定軌系統(tǒng)假定()為一階高斯-馬爾可夫過程，即其由時(shí)間相關(guān)分量和純隨機(jī)分量組成

(2)

其中，為相關(guān)時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)常量；()為高斯白噪聲。

針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Proces-sor, DSP)的字長(zhǎng)限制等因素帶來(lái)的計(jì)算誤差，實(shí)時(shí)自主定軌采取以下措施：

1)對(duì)狀態(tài)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣進(jìn)行UD分解，采用UD分解濾波，在時(shí)間更新和量測(cè)更新中利用對(duì)和矩陣的更新代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)算法中對(duì)矩陣的更新；

2)為避免傳統(tǒng)EKF算法中求濾波增益運(yùn)算中大型矩陣求逆的過程，采用觀測(cè)矢量序貫處理的方法。

以上措施可以有效地吸收動(dòng)力學(xué)模型誤差，保證濾波計(jì)算過程中矩陣的正定性，維持濾波器的持續(xù)收斂。

GNSS信號(hào)中斷后，無(wú)新的測(cè)量值參與星上的實(shí)時(shí)濾波，濾波器將使用預(yù)報(bào)的狀態(tài)量繼續(xù)進(jìn)行濾波處理，并給出外推的軌道位置信息。

2.3.2 基于地面處理低軌導(dǎo)航增強(qiáng)時(shí)空基準(zhǔn)建立

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)可基于衛(wèi)星的星載GNSS觀測(cè)和地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)采集的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)開展星地一體化的聯(lián)合精密定軌及時(shí)間同步處理，獲取與GNSS時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一的低軌衛(wèi)星精密軌道和鐘差信息。同時(shí)，計(jì)算GNSS的增強(qiáng)信息和完好性信息，為低軌導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)用服務(wù)及試驗(yàn)驗(yàn)證提供精準(zhǔn)的空間段位置信息。

地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的臺(tái)站坐標(biāo)是空間基準(zhǔn)的重要組成部分。利用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)地面站、IGS臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合網(wǎng)解，強(qiáng)加約束，生成地面站坐標(biāo)和速度信息，將低軌導(dǎo)航增強(qiáng)地面臺(tái)站坐標(biāo)整體對(duì)齊到國(guó)際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame，ITRF)，實(shí)現(xiàn)其坐標(biāo)框架的維持與更新，為低軌導(dǎo)航增強(qiáng)地面部分的空間基準(zhǔn)提供保障。

目前，天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)基于星地一體化聯(lián)合精密定軌和時(shí)間同步處理獲取的衛(wèi)星鐘差，以及地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)臺(tái)站數(shù)據(jù)網(wǎng)解獲取的測(cè)站鐘差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間與GNSS時(shí)間基準(zhǔn)的同步。

2.4 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)瞬時(shí)高精度定位

基于低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的全球高精度精密定位技術(shù)主要是充分發(fā)揮低軌衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)變化以改善星座的幾何構(gòu)型，從而達(dá)到快速收斂的高精度定位效果。目前，基于GNSS衛(wèi)星的精密定位技術(shù)，衛(wèi)星的軌道、鐘差等產(chǎn)品精度已經(jīng)能夠滿足分米級(jí)、厘米級(jí)的定位精度需求，但GNSS衛(wèi)星都是中高軌衛(wèi)星，對(duì)地面用戶而言，GNSS衛(wèi)星的幾何構(gòu)型變化緩慢，致使高精度定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速收斂。完成全球高精度精密定位技術(shù)主要包含兩部分內(nèi)容：服務(wù)端高精度低軌衛(wèi)星精密軌道與鐘差產(chǎn)品的解算以及用戶端低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的PPP算法研究。用戶端低軌衛(wèi)星增強(qiáng)PPP算法研究的關(guān)鍵在于對(duì)低軌衛(wèi)星的誤差模型進(jìn)行合理建模，有效地消除低軌衛(wèi)星的誤差，并對(duì)其進(jìn)行恰當(dāng)約束，考慮電離層延遲、低軌衛(wèi)星和北斗/GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)間的偏差、星座間觀測(cè)量融合等因素，具體的計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)快速高精度定位算法Fig.7 LEO navigation augmentation fast and high-precision positioning algorithm

2.5 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)估

低軌星導(dǎo)航增強(qiáng)的核心能力是提供全球瞬時(shí)高精度服務(wù)。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)主要對(duì)系統(tǒng)核心能力進(jìn)行評(píng)估，將評(píng)估指標(biāo)分解為星座狀態(tài)、導(dǎo)航信號(hào)性能、導(dǎo)航信息性能和服務(wù)性能四大類，其中星座狀態(tài)、導(dǎo)航信號(hào)性能、導(dǎo)航信息性能直接影響低軌星導(dǎo)航增強(qiáng)的服務(wù)性能，因此其服務(wù)性能的評(píng)估是低軌星導(dǎo)航增強(qiáng)性能評(píng)估的核心指標(biāo)。在天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證階段，通過對(duì)特定時(shí)段特定區(qū)域的指標(biāo)體系的監(jiān)測(cè)評(píng)估，完成技術(shù)體制的驗(yàn)證和服務(wù)能力的初步評(píng)估，為低軌導(dǎo)航增強(qiáng)完好性監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有力支撐。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系如圖8所示。

圖8 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.8 The indicator system of LEO navigation augmentation monitoring and evaluation system

3 天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

天象一號(hào)衛(wèi)星低軌導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包括星載GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)和低軌星下行導(dǎo)航信號(hào)兩大類。為了驗(yàn)證天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，本節(jié)分別基于2019年6月8日采集的星載GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)和2019年7月12日采集的下行導(dǎo)航觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)其偽距多徑誤差。此外，對(duì)天象一號(hào)星上自主定軌的精度開展了在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星的星載GPS和BDS平均偽距多徑分別為0.66m和0.63m，各頻點(diǎn)的偽距多徑如圖9所示；天象一號(hào)衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號(hào)Z1和Z2的平均多徑誤差分別為0.77m和0.76m，GPS L1、L2和BDS B1、B2觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均多徑誤差分別為0.60m、0.30m和0.51m、0.46m，如圖10所示。分析結(jié)果表明，天象一號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)的多徑誤差略大于GNSS，但在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。在測(cè)量噪聲方面，天象一號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)滿足提供導(dǎo)航服務(wù)的基礎(chǔ)要求。

圖9 天象一號(hào)星載GPS/BDS數(shù)據(jù)偽距多徑統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Pseudorange multipath error statistics of Tianxiang-1 onboard GPS/BDS observation

圖10 天象一號(hào)/GPS/BDS下行導(dǎo)航信號(hào)偽距多徑統(tǒng)計(jì)圖Fig.10 Pseudorange multipath error statistics of Tianxiang-1/GPS/BDS down-link navigation signals

基于天象一號(hào)衛(wèi)星星載GPS L1/L2雙頻偽距和多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)開展星上實(shí)時(shí)定軌處理，以PPP事后處理結(jié)果為參考，統(tǒng)計(jì)星上實(shí)時(shí)定軌精度，結(jié)果表明，天象一號(hào)星上實(shí)時(shí)定軌三維位置精度為0.84 m，速度精度為0.0009 m/s(如圖11所示)。

(a)天象一號(hào)衛(wèi)星自主實(shí)時(shí)雙頻定軌(位置)

3.2 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

由于天象一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星僅包含2顆衛(wèi)星，地面監(jiān)測(cè)站可視時(shí)段有限，因此基于仿真數(shù)據(jù)開展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)快速高精度定位試驗(yàn)驗(yàn)證。本文基于144顆低軌衛(wèi)星星座開展數(shù)據(jù)仿真，獲取了2h時(shí)長(zhǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，具體仿真策略如表2所示。

表2 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真策略表

基于以上仿真數(shù)據(jù)，分別開展了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)精密定位試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，低軌衛(wèi)星下行觀測(cè)數(shù)據(jù)的加入能夠有效縮短PPP的收斂時(shí)間，在一定程

度上提高了定位精度?；贕PS、BDS和低軌衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)定位收斂時(shí)間為1.33min，收斂后的位置精度分別為1.95cm和1.12cm，具體收斂統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。以僅使用GPS數(shù)據(jù)為例，對(duì)比了加入低軌衛(wèi)星后的收斂性能提升情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)PPP的收斂時(shí)間可由7.5min縮短至1min，靜態(tài)PPP的收斂時(shí)間可由4.5min縮短至1.33min，其定位精度及收斂情況如圖12和圖13所示。

表3 動(dòng)態(tài)定位收斂統(tǒng)計(jì)表

表4 靜態(tài)定位收斂統(tǒng)計(jì)表

(a) GPS PPP

(a) GPS PPP

4 結(jié)論

本文針對(duì)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)全球瞬時(shí)高精度服務(wù)的需求，闡述了天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)體制和關(guān)鍵技術(shù)，并開展了在軌試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)天象一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)采用星上+地面處理的技術(shù)體制，兼具導(dǎo)航信息增強(qiáng)和信號(hào)增強(qiáng)的功能，為用戶提供瞬時(shí)高精度定位所需的精密產(chǎn)品和改正信息。

2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，天象一號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)的多徑誤差略大于GNSS，但在同一個(gè)數(shù)量級(jí);在測(cè)量噪聲方面，天象一號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)滿足提供導(dǎo)航服務(wù)的基本要求。

3)天象一號(hào)衛(wèi)星基于雙頻星載GNSS數(shù)據(jù)的星上實(shí)時(shí)定軌處理，可實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)的定軌精度，為星上空間基準(zhǔn)的快速建立提供了有效的技術(shù)支持。

4)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，低軌衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號(hào)可有效縮短高精度定位的收斂時(shí)間，并在一定程度上提高定位精度，可實(shí)現(xiàn)在1min左右收斂至厘米級(jí)的高精度定位性能。