基于少量地面控制源的多层高动态空间信息网的时空基准研究

A space information network has the characteristics of working with multiple network layers, fast-moving nodes, complex network operations and high demands for the capabilities of network re-group and extension. Based on these facts, investigations on determining the precise time and spatial reference frames with limited ground controls have been proposed by conducting the following research work: 1) Real-time precise orbit determinations for a multi-layer space information network by integrating multiple data sources including inter-satellite ranging measurements and observations from a regional reference network; 2) a self-contained orbit and attitude determination solution based on non-GNSS data sources including measurements from an on-board inertial navigation system，star sensors and satellite images (camera resectioning); 3) a novel framework for synchronizing and maintaining the system time of the space information network. We aim to achieve a real-time orbit determination accuracy of better than 10 cm for the GNSS-based solution. For the self-contained non-GNSS solution, we expected to achieve an accuracy of better than 1 m for orbits and 3 seconds of arc for attitudes. For system time comparison, our goal is to reach an accuracy of 1 ns with the approach of two-way inter-satellite comparison, and 5 ns with the common-view approach.

基于空间信息网多层高动态、网络时空行为复杂和对网络的可重构和可伸缩性要求高的特点，在少量地面控制源环境下，我们提出开展空间信息网络的高精度空间基准、时间基准和基于非导航信号的自学习、自适应自主定轨等三个关键科学问题的研究。主要研究内容包括：基于区域地面跟踪网与星间链路等多源数据融合的多层次高动态空间信息网络实时精密定轨(位)方法；基于惯性/星敏感器/卫星影像组合的LEO卫星一体化自主定轨测姿方法；空间信息网络动态时间同步方法和时间基准表征。实现多层信息网的实时定轨／位精度优于10厘米、基于非导航信号的全弧段定轨精度优于1米、姿态测定精度优于3角秒、星间双向时间比对精度优于1ns和星间共视时间比对精度优于5ns等技术指标。

针对空间信息网多层高动态、网络时空行为复杂和对网络的可重构和可伸缩性要求高的特点，本项目基于区域地面跟踪网与星间链路等多源数据融合的多层次高动态空间信息网络实时精密定轨定位，提出了天、地、空一体化的空间基准建立和维持总体技术方案，实现了高动态、多系统与多层次节点空间信息网络空间位置基准的实时高精度统一。提出了多层次观测数据融合优化处理的高中低联合精密定轨方法，形成了一套完整的北斗/GNSS/LEO/地面节点多层次数据最优处理方案，在区域少量地面站支持下，实现了IGSO/MEO/LEO卫星节点厘米级精密定轨。研制了空间信息网络精密定轨定位原型软件，提出了顾及GNSS星历误差的处理方法，实现了厘米级的LEO卫星节点绝对定轨以及编队卫星mm~cm级的相对定轨。提出了北斗/GNSS融合的空间信息网络节点实时精密相对定位技术，满足了LEO卫星之间、近地空间飞行器以及地面节点之间的厘米级精密定位需求。针对基于非导航信号的自学习、自适应自主定轨问题，提出了一种INS/SLAM组合的自主定轨定姿方法，提出了一种高精度时相不变性的地理特征点库构建方法，研制了INS/SLAM/SMNS组合一体化自动化自主定轨定姿原型软件，无人机模拟和仿真实验在7cm影像分辨率条件下实现自主定轨精度为0.486m，定姿精度优于3角秒。突破了多层高动态空间信息网络高精度时间同步技术集，设计了包括北斗星间双向时间比对、星间共视、通信测量一体化以及星间IP网时间同步等多种技术，可为空间信息网络节点提供从1ns、5ns、20ns到100ns的不同精度时间同步服务能力，满足未来基于异构链路构建空间信息网络的时间统一需求，为未来空间信息网络时间同步装备的研制提供了技术储备。项目研究过程中出版专著1部，发表相关99篇（SCI论文45篇），申请国家专利20项，软件著作权3项，培养博士后2人，博士研究生14人，硕士研究生25人，优秀本科生12人，入选中国电子学会会士1人，入选“黄鹤英才计划”1人，荣获测绘科技进步特等奖、省部级奖项等4项。超额完成了项目计划的任务指标。