第1章 绪论
　　1.1 多模GNSS卫星导航系统
　　自1964年美国**代三维定位卫星系统——子午仪系统投入运行以来，卫星导航系统经历了半个多世纪的发展，包含美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略(Galileo)和我国BDS在内的多个导航系统，已经可以提供全球覆盖、全天候和高精度的导航定位授时(positioning navigation timing，PNT)服务。与其他全球卫星导航系统不同，北斗卫星导航系统在体制设计、监测网布设和星座构型等方面均存在较大差异(杨元喜等，2014；刘基余，2013；杨元喜，2010)，系统地面段采用区域监测网提供预报轨道和预报钟差服务，空间段采用包含GEO、IGSO和MEO三种类型卫星在内的混合星座设计。其中，MEO轨道周期约为12h，区域监测网无法覆盖卫星运行轨道的全弧段；GEO卫星则存在高轨和静地特性，定轨处理中卫星轨道与钟差之间存在参数相关性，上述因素对北斗卫星导航系统的精密定轨(POD)提出了较大的挑战(Steigenberger et al.，2016)。
　　GPS是**个全球卫星导航系统，1973年起由美国国防部开始启动论证和试验工作，**颗GPS卫星发射于1978年，到20世纪90年代中期整个系统全部建成并投入使用。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。GPS星座由6个轨道面上的24颗卫星组成，每个轨道面分布4颗卫星，相邻轨道面的升交点赤经相差60，卫星轨道倾角约为55，轨道高度约20000km，卫星运动周期约为12h。随着GPS卫星的不断完善更新，从1978年**颗GPS卫星发射至今，卫星型号包括：Block I、Block II、Block IIA、Block IIR、Block IIR-M和Block IIF，目前已经开始发射Block III卫星。GPS卫星信号采用码分多址，在Block IIF之前，GPS卫星提供两个频率测距信号L1和L2，分别为1575.42MHz和1227.60MHz。从Block IIF开始，GPS卫星开始提供第三个频率的测距信号L5，其频率为1176.45MHz(葛茂荣，1995；Springer et al.，1999a；王小亚，2002；Beutler et al.，2003)。
　　经过一段时间的建设和发展，GPS的监测站数量也逐步增加，最初的地面观测站只有5个，2005年末，美国国家地理空间情报局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)的6个监测站纳入GPS的卫星地面监测网络，到2006年又增加了5个NGA监测站，这样GPS的地面监测站数量达到了16个，从而改善了定轨观测几何，显著提高了定轨精度。实际服务结果表明，用户距离误差(user range error，URE)已经从1990年的4.6 m提高到2005年的1.1 m(图1.1)。
　　图1.1 GPS URE变化情况
　　到2008年，GPS混合星座URE的估计值平均为0.72m，单纯GPS Block IIR/IIR-M卫星的URE的估计值平均已达到0.46m(图1.2)。
　　图1.2 2008年GPS星座URE评估结果
　　在整个GPS的建设、发展和现代化的过程中，轨道与钟差精度的提高主要与以下三方面的改进有关：1.跟踪网的全球扩展；2.滤波算法的改进；3.注入频度的提高。这对于其他在建导航系统精密定轨性能的优化与提升具有重要的参考意义。
　　GLONASS是1976年由苏联开始组建的，**颗GLONASS卫星于1982年发射进入轨道，系统由处于3个轨道面上的24颗卫星组成，其中包含3颗在轨备份星。每个轨道面倾角为64.8.，每个轨道面的升交点与上一轨道面相差120.，而在同一轨道面内的卫星均间隔45.，两个轨道面上相同通道内卫星的纬度幅角相差15.。每颗卫星在长半轴为25510 km的近圆轨道上运行，卫星高度约19000km，大约11 h 16 min绕轨运行一周。随着卫星设计的完善更新，GLONASS卫星包括三种类型：GLONASS卫星、GLONASS-M卫星和GLONASS-K卫星。GLONASS-K卫星于2011年2月26日发射并投入使用。最新型卫星质量小、寿命长，可播发5个频率的导航信号，其中4个军用信号调制在L1和L2波段上，1个民用信号调制在L3波段上(Otsubo et al.，2001；Dach et al.，2009)。
　　GLONASS地面跟踪控制网包括系统控制中心和布设在俄罗斯整个领土上的跟踪控制站，其中地面控制中心位于莫斯科的戈利岑诺，地面控制中心同时维持GLONASS的时间基准，遥测和跟踪站位于圣彼得堡、Ternopol、Eniseisk和共青城。地面跟踪控制网负责搜集、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，并向每颗卫星发射控制指令和导航信息。虽然GLONASS的地面跟踪站没有实现全球分布，但俄罗斯国土面积东西跨度很大，跟踪站的分布也相当广阔，而且卫星上装有人造卫星激光测距(SLR)反射器，可以利用高精度的SLR对其进行跟踪。因此，GLONASS导航卫星可以实现较高精度的轨道和钟差确定。GLONASS以卫星的位置、速度以及日月摄动加速度参数通过数值积分来计算卫星星历，每15min更新，外推时间为30min，广播星历精度为10～25m，径向精度优于5m(Urschl et al.，2005)。
　　目前，GLONASS的建设取得显著进展。**，经过补网发射，使GLONASS系统的在轨卫星数量达到22颗，其中19颗能够维持正常运行。俄罗斯计划再发射3颗GLOANSS-M卫星。届时，在轨卫星将达到25颗。第二，完成了轨道监测和时间同步子系统，地面控制段的**阶段的现代化改进，大大提高了GLONASS系统的全球可用性。目前，GLONASS系统的全球可用性基本可达到90％～97％，其时钟稳定性均优于接口控制文件要求的1×10.13，空间信号用户距离误差平均缩小到1.8m，大大低于接口控制文件的3.7m。第三，GLONASS的大地测量参考框架升级至PZ-90.02版本，GLONASS也根据具体国情，采用了相应的技术措施，从而保证了在区域布站条件下实现高精度的全球导航服务。资料显示，目前GLONASS新发射的卫星已经具备了星间观测的能力(Gurtner et al.，2005；Chen et al.，2014)。
　　Galileo系统是由欧盟和欧洲航天局(ESA)发起建设的全球卫星导航系统。**颗Galileo卫星于2005年12月发射，预计于2023年完成卫星组网。Galileo星座由30颗中轨地球卫星组成，这些卫星分别在3个轨道面上，每个轨道面上等间距部署9颗工作星和1颗不激活的备份星。每个轨道面的升交点赤经与上一轨道面均间隔120，各轨道面倾角为56，卫星高度约23000 km。每颗Galileo卫星在近圆轨道上运行，轨道半长轴为29600 km，绕轨道一周为14 h。2005年12月，欧洲航天局发射了Galileo**颗试验卫星GIOVE-A，并进行了轨道确定与时间同步(ODTS)试验。Galileo单星定轨试验的本质是利用2个导航卫星跟踪站和14个激光站实现Galileo卫星的精密定轨与时间同步，利用GPS卫星确定导航跟踪站的接收机钟差，进而解决站间同步问题(Dow et al.，2007；Dach et al.，2010；Steigenberger et al.，2013a)。ODTS试验结果表明，所有测量类型的残差都比较理想，且GIOVE-A和GPS的平滑伪距及相位残差水平一致。卫星激光测距的残差为几个厘米，解算的GPS轨道与国际导航卫星系统服务(IGS)的精密轨道之差为分米级。GIOVE-A重叠弧段轨道径向差异RMS小于10cm，沿迹方向差异RMS为50 cm量级，钟差差异RMS为0.15 ns(Steigenberger et al.，2013a；Steigenberger et al.，2013b；Steigenberger et al.，2015a；Steigenberger et al.，2016)。
　　Galileo导航系统也采用了星间观测的导航方案。该系统运用星间测量实现在轨自主导航，考虑星载计算能力有限，不能采用过于复杂的动力学模型，因此采用将星间和星地测量结果综合进行平时星历的更换，以提高卫星星历和钟差的预报精度。通过地面仿真试验，用户测距误差达到分米级，该精度远高于目前GPS卫星Block IIA的用户测距误差6m(胡志刚，2013；Steigenberger et al.，2015b；Steigenberger et al.，2016)。从上述Galileo系统的测量体制进展可看出，各导航系统在进行更新换代时，均把星间链路作为一种重要的观测技术和系统性能的提升手段，以期在未来应用于系统中，提高业务处理精度，完善导航服务性能，增强导航作战能力。
　　与GPS、Galileo、GLONASS卫星导航系统相比，北斗卫星导航系统在星座构型、监测网设计以及技术机制上都存在显著差别。在星座设计上，与GPS和GLONASS星座单一的卫星类型不同，北斗卫星导航系统采用中高轨卫星混合的星座，包括地球中高轨道(MEO)卫星、地球静止轨道(GEO)卫星和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星三种卫星混合；在导航信号设计方面，采用三个频点的码分多址卫星无线电导航服务(RNSS)编码体制，既与GLONASS的频分多址不同，又区别于GPS*初的双频信号体制；在提供的导航服务方面，建立了包含多层级的系统服务体系，将导航定位授时等基本服务与差分等授权用户服务统一考虑。针对北斗卫星导航系统的精密定轨，采用单颗卫星定轨和多站多星联合定轨两种模式，采用国内分布的连续跟踪站对单颗MEO卫星进行轨道和钟差解算，利用鑫诺一号卫星实现跟踪站站间时间同步，同步准确度优于1 ns，稳定度约0.1 ns。评估结果表明，单颗MEO卫星定轨精度可以达到5 m左右。针对高轨的GEO卫星定轨，北斗跟踪网的观测几何不佳，需要通过一些特殊的方式提升观测精度、增强定轨约束，完成高精度轨道确定。
　　利用多源观测数据进行精密定轨验证，基于伪距相位测量的卫星精密定轨中，测距中包含的钟差信息，在北斗网观测几何较差的条件下，不利于轨道参数的求解。虽然通过历元差分和钟差建模的方式，能够在一定程度改善轨道精度，但离导航系统的服务性能要求还有一定距离，尤其对于高轨的GEO卫星，同时求解钟差与轨道参数得到的结果精度不稳定(郭睿等，2010；周建华等，2010；郭睿等，2012)。通过采用高精度载波相位数据，能够有效改善轨道精度，定轨结果通过SLR检核，残差RMS平均为0.28 m，预报24 h轨道平均精度在0.5 m左右，基于相位数据定轨解算中，*大的难题是解决周跳和模糊度问题，同时，对先验时间同步信息的精度也有很高要求，郭睿等(2012)提出了通过多模全球导航系统观测数据实现站间钟差确定的方法，为时间同步支持下的精密定轨提供了有益的技术途径。
　　与传统伪距测量相比，基于转发式测距体制的GEO卫星测定轨技术具有不含钟差、测距精度高和系统差容易标定等优势。同时，基于激光、L波段伪距和转发式测距数据的联合定轨，将SLR数据的基准性、C波段转发式测距数据的连续稳定性和伪距/相位数据的广域覆盖性相结合，通过调整三种观测技术的权比，形成了优势互补的定轨策略。其中，基于激光测距和转发式测距数据的GEO卫星单星定轨残差为0.205 m，激光视向评估精度达到分米量级，三维位置精度优于5 m，短期预报视向精度可以优于0.5 m。基于转发式测距的GEO单颗卫星定轨模式，需要定期进行设备时延标定，该种模式需要卫星安装转发器，应用范围受到一定限制。