基于低轨卫星(LEO)增强的GPS/BDS站星差分精密定位方法关键技术研究

Carrier phase-based real-time kinematic positioning technique (RTK) and precise point positioning (PPP) technique are two mainstream satellite based precise positioning techniques. PPP faces a number of technical challenges from real-time, global scale, fast precise positioning, especially in terms of multi-GNSS context. RTK technique eliminate or mitigate the impact of errors by observation domain difference, which has simple mathematical model, low latency, and also mature theoretical framework, while its service coverage is limited by the ground reference station. In this study, the low earth orbiters (LEO) are treated as moving reference station. A satellite-ground station differential system is formed by precise LEO orbit and high quality space-borne observations, which can be used to improve the positioning accuracy in ocean, polar region, and rural area. In this study, we plan to investigate the satellite-ground differential system in terms of user-end algorithm and selected key questions. This plan takes advantage of RTK model and also stretch its coverage region to a global scale. We have a deep though on the contribution of LEO in satellite navigation augmentation, and also provide a new solution to the global precise positioning services.

载波相位差分定位技术(RTK)和精密单点定位技术(PPP)是两种主流的精密卫星导航定位技术。PPP技术实现实时的全球尺度的快速精密定位仍然存在一定的技术挑战，特别是在多GNSS系统条件下。而RTK技术则通过观测值域的差分方法消除或削弱误差的影响，具有模型简单，实时性好，理论成熟等优势，但其作业范围受地面基站布设的限制。本项目提出将低轨卫星平台看作移动的参考站系统，利用高精度轨道和高质量的星载接收机观测值和地面用户形成站星差分系统来提高海洋，极地，偏远地区用户的定位精度。本项目拟对站星差分精密定位系统的用户端算法和若干关键问题进行深入研究。该设想既利用了RTK模型的优势能够将RTK作业范围扩展到全球尺度。该设想对低轨卫星在导航增强方面的应用做了深入的思考，也为建立全球精密定位服务提供了新的解决方案。

基于低轨卫星增强的星站差分精密定位方法能够有效地解决地面RTK定位服务范围有限的问题，利用全球移动的LEO卫星与地面用户观测值形成双差观测值可以消除很多GNSS信号中的误差源，达到简化定位模型，提高定位精度的目的。本项目针对LEO卫星增强的星站差分定位的关键问题，包括低轨卫星电离层建模与硬件延迟估计，实时RTK自适应无缝换站算法，星地RTK定位中模糊度解算问题以及星地差分定位的数学模型，并且依托GRACE卫星，SWARM卫星和珞珈一号卫星开展了星站差分增强定位实验。结果显示星地差分RTK定位方法能够实现平面0.2~0.3米的定位精度，收敛时间小于1分钟。本项目提出的状态域闭合差法能够有效的解决实时多参考站RTK无缝切换参考站的问题，不但能解决星站差分问题中的参考站切换问题，也同样适用于地面长距离RTK的换站问题，扩展了RTK定位服务的有效范围。低轨卫星增强的星站差分方法虽然在LEO实时精密定轨，大气精密建模等方面仍存在一些技术挑战，但是在全球覆盖性，计算复杂度，收敛时间等方面都具有明显的优势，在海洋精密定位，航空应用等领域具有较大的应用潜力。