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数以百计甚至千计的低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星群时代即将来临,许多LEO卫星将同时具备导航星功能,可自主播发导航测距信号服务于定位。鉴于LEO卫星具有地面接收信号强度高和星座几何图形变化快的优势,能够与已有的GNSS系统形成优势互补、实现快速精密定位。本文针对LEO星座增强GNSS精密定位所涉及的关键技术,从星座设计、轨道模拟、观测值仿真、LEO卫星定轨、广播星历设计到LEO星座增强GNSS定位性能评估等方面进行研究。论文主要工作如下:(1)设计了 GNSS星座和多种LEO星座方案。全面分析各类星座星下点轨迹、天空图、地面覆盖范围和全球PDOP值分布特征,初步论证了 LEO星座增强GNSS定位的性能。结果表明,相比于GNSS星座,LEO星座倾角高,星下点轨迹覆盖范围广,甚至涵盖极区;LEO卫星运行速度快,相同时间会划过更长的轨迹,仅需31 s即可达到GPS卫星20min的几何图形变化程度;LEO卫星离地面近,单星地面覆盖范围小,需要约100颗卫星才能实现全球覆盖;LEO星座PDOP值在低纬度地区最大,中纬度其次,高纬度最小,有助于改善高纬度地区的导航定位性能。(2)开发了精密星历文件仿真、LEO星载数据仿真以及地面站数据仿真程序,详细推导了非差伪距和载波相位观测值仿真公式,并给出了仿真的具体流程。(3)研究了 LEO卫星几何法定轨和星间链路自主定轨方法,完成了 LEO星座轨道确定及精度评估工作。结果表明,GREC多系统几何法定轨在径向、切向和法向上的精度分别为1.3 cm、1.0 cm和0.9cm,显著优于单GPS的3.9 cm、3.5 cm和3.4 cm。对于星间链路自主定轨,60和192颗星星座的三维轨道误差分别为46 cm和18 cm。(4)设计了 LEO卫星广播星历,确定了星历的拟合间隔。结果表明,对于16参数无奇点轨道根数型星历模型,当卫星高度为1000km时,要保证10cm的最大用户测距误差,建议设置20 min的拟合间隔。提出一种新的广播电离层MNTCM-BC模型并应用于LEO导航电文,其复杂度与Klobuchar模型相当,但更能描述电离层时空变化特征,预报精度也显著优于后者,提高约30%。(5)提出了高中低轨卫星融合处理统一数学模型,包括时空基准的统一、函数模型和随机模型的建立,在现有的GNSS多系统精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)基础上,拓展建立LEO星座增强GNSS PPP方法。全面评估LEO卫星颗数、测站纬度、轨道高度、轨道类型以及观测值采样率对PPP收敛速度增强的影响。结果表明,通过LEO星座增强后,GRECPPP的收敛速度显著加快,卫星数越多,收敛时间越短。在中纬度测站上,当引入60、96、192和288颗星的LEO星座,增强后的GREC PPP收敛时间可从8.2 min分别缩短至7.0 min、3.2 min、2.1 min 和 0.8 min。LEO 星座增强单 GPS 或单 BDS PP 收敛效果更为明显,引入192或288颗星时,收敛时间可缩短90%以上,从20 min缩短至2 min甚至1 min以内,考虑成本建议卫星数选用192。此外,LEO星座增强GRECPPP性能与测站纬度有关,纬度越高,效果越好,总体提升约70%。在轨道高度方面,1000 km配置优于600 km。轨道类型和观测值采样率对增强性能影响很小。(6)测试了 LEO单系统独立定位的性能,包括伪距单点定位和PPP。结果表明,对于192颗星的星座,低纬度FAA1站、中纬度NNOR站和高纬度KIRU站上可见卫星数分别约为5.7、6.4和19.1颗。LEO伪距单点定位精度均为米级。NNOR站上LEO静态PPP收敛时间为2.2 min,远短于GPS PPP的23.5 min,最终定位精度为水平毫米级、高程厘米级。