低轨卫星编队联合GNSS精密定轨与定位的理论与方法

The space-based information service system with the capability of Positioning, Navigation, Timing, Remote sensing, and Communication (PNTRC) is a trend for establishing earth observation system in future. The key of PNRTC is the Low Earth Orbit (LEO) satellite formation with different capabilities of remote sensing. These LEO satellites cannot only receive the GNSS signals, but also most of them can broadcast the GNSS-like signals to the ground users, which gives a rise to the new opportunities of Precise Orbit Determination (POD) and precise positioning. This project will synthetically study the theory and methods of LEO satellite formation enhanced Global Navigation Satellite System (New System). The research contents are mainly as follows. (1) The mathematical model of POD for new system and optimized strategies will be investigated by considering both computational efficiency and orbit precision. Besides the method for compensating unmodelled errors of LEO orbits will be developed. (2) We will study the POD of new system based on regional ground tracking network and the optimization schemes for the distribution of LEO satellites constellation and the ground tracking stations. (3) We will comprehensively investigate the mechanism of the LEO orbits and clocks in detail to find out the prediction methods suitable for different types of orbits and clocks. (4) The theories and methods of precise positioning will be studied in frame of new system, with which the new positioning mode will be explored. The main objective of this project is to build up the system of theories and methods for LEO satellite formation enhanced GNSS POD and precise positioning. As a consequence, the fundamental orbits will be generated for the PNTRN system and the traditional modes of precise positioning would be subverted.

集定位、导航、授时、遥感和通讯（PNTRC）于一体的天基信息服务系统是对地空间观测的发展趋势，其核心是将具备不同遥感功能的低轨卫星实现编队联动。这些低轨卫星除了接收导航信号外大部分还将播发导航信号，为卫星精密定轨和定位提供新机遇。项目系统地研究低轨卫星编队联合GNSS（新系统）精密定轨和定位的理论与方法，研究内容包括：（1）研究新系统的定轨数学模型及其顾及计算效率和定轨精度的优化方案，以及低轨卫星非模型化误差的补偿方法；（2）研究基于区域地面站的新系统定轨理论，以及跟踪站和低轨卫星数的优化选取策略；（3）深入分析低轨卫星轨道和钟差的变化机理，研究适应于不同类型轨道和卫星钟的轨道和钟差预报方法；（4）研究新系统精密定位的数据处理理论与方法，探索新系统定位应用新模式。项目旨在建立基于低轨卫星编队联合GNSS精密定轨和定位的理论体系，为PNTRC提供轨道基础，颠覆传统高精度卫星定位应用模式。

完成了项目的全部研究内容，达成了既定研究目标。（1）给出低轨卫星（LEO）编队联合GNSS定轨的数学模型、解算方法以及数据处理策略和流程。包括地基GNSS数据、地基LEO数据和LEO星载GNSS数据联合定轨的数学模型、解算方法；提出了平衡定轨精度和解算效率的部分LEO增强GNSS的定轨策略。（2）发挥LEO轨道低、相对地面运动的几何构型变化快等优势，研究了基于区域监测站的LEO编队增强GNSS的精密定轨理论与数据处理策略，实现了基于我国境内8个地面站LEO增强GNSS的精密定轨方策；从LEO轨道平面数、卫星数和轨道倾角等要素出发，给出了一组能实现1分钟PPP收敛的LEO混合星座优化方案。（3）实时精密钟差产品是LEO编队增强GNSS精密应用的前提，深入研究了LEO卫星和中高轨GNSS卫星的钟差预报方法，从多项式、ARIMA和灰色模型中统计给出了适用于不同类型GNSS卫星的最优预报模型；以GRACE-FO钟差为例，构建了基于最小二乘谐波估计的低轨卫星钟差预报模型，实现了预报大于5分钟精度优于0.1ns的低轨卫星钟差预报效果。提出了利用星载加速度计数据进行低轨卫星轨道实时预报的思路，通过合理校正加速度计偏差，实现了长达1小时的5cm精度的低轨卫星轨道预报。（4）研究了LEO编队增强GNSS的精密单点定位（PPP）理论与方法，给出了低轨卫星融合GNSS卫星PPP的数学模型，包括无电离层组合模型、非差非组合模型、电离层加权模型、以及附加系统偏差稳定性约束的电离层加权模型，并针对不同模型设计了滤波解算方法和数据处理流程。项目发表学术论文35篇，其中SCI论文25篇（包括Journal of Geodesy和GPS Solutions顶刊论文7篇），参加国内外学术会议31人次，申请专利和软件著作权7项。项目的部分成果已被应用到iGMAS同济分析中心软件，取得了良好的效果。