【摘要】：數(shù)以百計甚至千計的低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星群時代即將來臨,許多LEO衛(wèi)星將同時具備導航星功能,可自主播發(fā)導航測距信號服務于定位。鑒于LEO衛(wèi)星具有地面接收信號強度高和星座幾何圖形變化快的優(yōu)勢,能夠與已有的GNSS系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補、實現(xiàn)快速精密定位。本文針對LEO星座增強GNSS精密定位所涉及的關鍵技術,從星座設計、軌道模擬、觀測值仿真、LEO衛(wèi)星定軌、廣播星歷設計到LEO星座增強GNSS定位性能評估等方面進行研究。論文主要工作如下:(1)設計了 GNSS星座和多種LEO星座方案。全面分析各類星座星下點軌跡、天空圖、地面覆蓋范圍和全球PDOP值分布特征,初步論證了 LEO星座增強GNSS定位的性能。結(jié)果表明,相比于GNSS星座,LEO星座傾角高,星下點軌跡覆蓋范圍廣,甚至涵蓋極區(qū);LEO衛(wèi)星運行速度快,相同時間會劃過更長的軌跡,僅需31 s即可達到GPS衛(wèi)星20min的幾何圖形變化程度;LEO衛(wèi)星離地面近,單星地面覆蓋范圍小,需要約100顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋;LEO星座PDOP值在低緯度地區(qū)最大,中緯度其次,高緯度最小,有助于改善高緯度地區(qū)的導航定位性能。(2)開發(fā)了精密星歷文件仿真、LEO星載數(shù)據(jù)仿真以及地面站數(shù)據(jù)仿真程序,詳細推導了非差偽距和載波相位觀測值仿真公式,并給出了仿真的具體流程。(3)研究了 LEO衛(wèi)星幾何法定軌和星間鏈路自主定軌方法,完成了 LEO星座軌道確定及精度評估工作。結(jié)果表明,GREC多系統(tǒng)幾何法定軌在徑向、切向和法向上的精度分別為1.3 cm、1.0 cm和0.9cm,顯著優(yōu)于單GPS的3.9 cm、3.5 cm和3.4 cm。對于星間鏈路自主定軌,60和192顆星星座的三維軌道誤差分別為46 cm和18 cm。(4)設計了 LEO衛(wèi)星廣播星歷,確定了星歷的擬合間隔。結(jié)果表明,對于16參數(shù)無奇點軌道根數(shù)型星歷模型,當衛(wèi)星高度為1000km時,要保證10cm的最大用戶測距誤差,建議設置20 min的擬合間隔。提出一種新的廣播電離層MNTCM-BC模型并應用于LEO導航電文,其復雜度與Klobuchar模型相當,但更能描述電離層時空變化特征,預報精度也顯著優(yōu)于后者,提高約30%。(5)提出了高中低軌衛(wèi)星融合處理統(tǒng)一數(shù)學模型,包括時空基準的統(tǒng)一、函數(shù)模型和隨機模型的建立,在現(xiàn)有的GNSS多系統(tǒng)精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)基礎上,拓展建立LEO星座增強GNSS PPP方法。全面評估LEO衛(wèi)星顆數(shù)、測站緯度、軌道高度、軌道類型以及觀測值采樣率對PPP收斂速度增強的影響。結(jié)果表明,通過LEO星座增強后,GRECPPP的收斂速度顯著加快,衛(wèi)星數(shù)越多,收斂時間越短。在中緯度測站上,當引入60、96、192和288顆星的LEO星座,增強后的GREC PPP收斂時間可從8.2 min分別縮短至7.0 min、3.2 min、2.1 min 和 0.8 min。LEO 星座增強單 GPS 或單 BDS PP 收斂效果更為明顯,引入192或288顆星時,收斂時間可縮短90%以上,從20 min縮短至2 min甚至1 min以內(nèi),考慮成本建議衛(wèi)星數(shù)選用192。此外,LEO星座增強GRECPPP性能與測站緯度有關,緯度越高,效果越好,總體提升約70%。在軌道高度方面,1000 km配置優(yōu)于600 km。軌道類型和觀測值采樣率對增強性能影響很小。(6)測試了 LEO單系統(tǒng)獨立定位的性能,包括偽距單點定位和PPP。結(jié)果表明,對于192顆星的星座,低緯度FAA1站、中緯度NNOR站和高緯度KIRU站上可見衛(wèi)星數(shù)分別約為5.7、6.4和19.1顆。LEO偽距單點定位精度均為米級。NNOR站上LEO靜態(tài)PPP收斂時間為2.2 min,遠短于GPS PPP的23.5 min,最終定位精度為水平毫米級、高程厘米級。
【圖文】：

分００．０００秒（ＧＰＳ時），結(jié)束時刻為２０１７年１月１日２３時５９分３０．０００秒（ＧＰＳ逡逑時），仿真時長為２４邋ｈ，軌道預報模型考慮Ｊ４攝動力模型。逡逑圖２．２顯示了各仿真星座的三維空間構(gòu)型，從左向右、從上而下依次是：（ａ）逡逑ＧＰＳ；邋（ｂ）邋ＧＬＯＮＡＳＳ；邋（ｃ）邋Ｇａｌｉｌｅｏ；邋（ｄ）邋ＢＤＳ；邋（ｅ）邋６０邋ＬＥＯ，１０００邋ｋｍ，極軌；逡逑（ｆ）邋９６邋ＬＥＯ，１０００邋ｋｍ，極軌；（ｇ）邋１９２邋ＬＥＯ，邋１０００邋ｋｍ，，極軌；（ｈ）邋２８８邋ＬＥＯ，逡逑１０００ｋｍ，極軌；（ｉ）邋１９２ＬＥＯ，６００ｋｍ，極軌；（ｊ）邋１９２ＬＥＯ，邋１０００ｋｍ，太陽同逡逑步軌道。從圖中“地球”所顯示的尺度差異可以發(fā)現(xiàn)，ＭＥＯ、ＧＥＯ和ＩＧＳＯ衛(wèi)逡逑星比ＬＥＯ衛(wèi)星離地球距離更遠，因而會對衛(wèi)星地面覆蓋范圍產(chǎn)生重要影響，要逡逑保證全球的衛(wèi)星覆蓋，ＬＥＯ星座需要更多的衛(wèi)星。此外，由于ＬＥＯ星座采用極逡逑軌或近極軌道，高煒地區(qū)比低緯地區(qū)具有更多的可視衛(wèi)星。在軌道類型方面，極逡逑軌星座比太陽同步軌道星座衛(wèi)星分布更均勻。逡逑圖２．２邋ＧＮＳＳ及ＬＥＯ設計星座三維空間構(gòu)型逡逑２．１．２星下點軌跡圖逡逑１０逡逑

邐Ｓ逡逑圖２．５邋ＧＮＳＳ邋（左）與ＬＥＯ增強ＧＮＳＳ邋（右）ｌｈ衛(wèi)星天空圖對比逡逑圖２．５中顯示了邋ＮＮ０Ｒ站（３１．０５°Ｓ，邋１１６．１９°Ｅ）上，］ｈ的ＧＮＳＳ衛(wèi)星天空圖逡逑與加入ＬＥＯ衛(wèi)星增強后的天空圖對比�？梢园l(fā)現(xiàn)，相同時段內(nèi)，由于ＬＥＯ衛(wèi)星逡逑運行速度快，會劃過更長的軌跡，幾何圖形結(jié)構(gòu)變化大，有助于精密定位的快速逡逑收斂。逡逑衛(wèi)星在空中劃過的軌跡長度間接反映了星座的幾何圖形變化程度，而幾何圖逡逑形的變化是影響ＰＰＰ收斂性能的重要因素。對于中高軌ＧＮＳＳ衛(wèi)星，運行速度逡逑相對較慢，短時間內(nèi)空間幾何變化不明顯，導致觀測方程線性化前面的方向余弦逡逑變化非常小，歷元間觀測方程相關性很大，進而導致模糊度和坐標位置參數(shù)的可逡逑估性降低，難以分離，短期內(nèi)坐標估計結(jié)果會有偏，要實現(xiàn)水平位置精度１０ｃｍ逡逑的無偏估計結(jié)果
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P228.4

【參考文獻】

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1 陳艷玲;胡小工;周善石;宋小勇;黃勇;毛悅;黃s

本文編號：2675017