基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强系统与方法

摘要

本发明涉及一种基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强系统和方法，无依托式低轨导航增强系统包含GNSS导航卫星、GNSS星基增强卫星、低轨导航增强卫星和地面接收终端；本发明基于星基增强服务构建了一个具备自主运行能力与自主导航定位服务能力的无依托式低轨导航增强系统，解决了已有低轨导航增强系统对地面控制中心、卫星上下行链路和星间链路过度依赖的问题，同时本发明设计的系统与方法不涉及卫星上下行链路和星间链路数据传输，可以进一步解决已有低轨导航增强系统实时性较差的难题。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航领域，特别涉及一种无依托式低轨导航增强系统与方法。

背景技术

发展于20世纪90年代的美国全球定位系统GPS彻底改变了现代战争的方式，也深刻影响与变革了人类社会生产生活。在21世纪的第二个十年，随着俄罗斯GLONASS的现代化、中国北斗三号BDS-3系统的开通运行、以及欧盟伽利略GALILEO系统进入全功能运行FOC阶段，当前全球四大卫星导航定位系统GNSS已经能够在开阔场景下为全球用户提供米级的导航定位服务。但在某些领域，如大地测量、海洋勘探、变形监测等，其均对定位精度提出了实时厘米级需求。随着以5G、物联网、大数据、人工智能等技术的发展，以“无人、智能、物联”为特征的新一代产业升级对精准时空的需求达到了前所未有的程度——已经从过去的静态、事后、区域、米级发展到现在的动态、实时、全球和厘米级高精度。以处于百年变革机遇的自动驾驶为例，其不仅需要实时的厘米级定位精度，更需要全时段的连续可用。而目前微弱的卫星导航信号不足以穿透物理遮蔽，在城市峡谷、树荫、室内等信号遮蔽区域均无法提供可靠连续的高完好性服务。可以说，无论是厘米级定位需求或是高完好性服务，当前的卫星导航定位系统都是无法满足的。

为了提供更好的精度、可用性和完好性，从20世纪90年代至今，在基本导航增强系统的基础上，主要发展了地基增强辅助系统和星基增强辅助系统，分别使用网络RTK技术和星基PPP技术为用户提供额外的卫星定位误差修正信息来改善精度。但上述两种系统在实际应用时都存在一定的缺陷：RTK技术能够满足高精度实时应用，但需要密集参考站网络支持、运行维护成本高且无法实现全球覆盖；而星基PPP技术虽然不依赖于密集参考站且能够满足全球覆盖，但对于地面用户其定位初始化时间过长，难以满足实时性需求。特别是在高楼和立交桥密布的城市环境，大部分卫星信号被遮挡，当前的RTK和PPP技术均无法为用户提供连续可用的定位服务。近几年，随着商业航天和低轨星座的蓬勃发展，利用低轨卫星几何构型变化快、全球覆盖和轨道高度低的特点，低轨卫星导航增强系统可以加速用户的快速定位时间，提供更高的落地信号功率，有望解决目前卫星导航高精度服务的瓶颈问题，成为下一代卫星导航系统的发展方向。

卫星定位的基本原理是将卫星的位置和钟差等信息作为已知基准播发给用户，用户利用同步观测4颗以上卫星进行后方交会来计算位置。米级的卫星位置与钟差基准对应最优为米级的定位精度，用户想要获得厘米级的高精度定位就必须有厘米级的卫星基准信息。当前各大系统导航卫星实时精密轨道主要通过在全球均匀布设地面跟踪站，或区域监测站联合星间链路数据进行事后精密定轨和1-3小时短期预报获得，实时精密钟差则通过汇集全球实时站数据流后进行实时滤波解算获取，解算得到的精密轨道与精密钟差再通过地面上行链路与星间链路注入卫星，进而播发给用户使用。而目前低轨导航增强卫星实时高精度轨道和钟差，则需要先将低轨卫星的GNSS观测数据通过下行链路汇集到地面数据处理中心后，由数据处理中心统一解算再通过上行链路与星间链路注入卫星，这种方案虽然能够满足系统基本运行需求，但其对地面控制中心、卫星上下行链路和星间链路依赖过于严重，系统可用性和完好性受到挑战，同时其涉及到大量数据的星地实时传输，整个系统的实时性和精度会因此降低。

随着各行业与大众高精度应用需求的增加，各大卫星导航系统相继开始在基本服务的基础上提供精密定位服务。其中北斗三号利用GEO卫星B2b信号(1207.14MHz)作为数据通道播发卫星精密轨道和钟差等改正信息，为亚太地区用户提供实时PPP服务；欧洲的GALILEO系统利用MEO卫星，基于E6b信号(1278.75MHz)提供公开PPP服务，播发速率为500bps，可对GPS和GALILEO系统进行增强；日本的QZSS利用L6信号能够同时实现对四大GNSS及QZSS共五系统的星基增强，播发速率达到2000bps。除上述系统外，国际上还有一些公司提供商业化的全球星基增强PPP服务，代表性的有Navcom公司的StarFire系统、Trimble公司的OmniSTAR系统和RTX系统、Furgo公司StarFix/SeaStar系统、Hexagon公司VeriPos系统等。各商业PPP服务系统一般使用国际海事通讯卫星(Inmarsat)进行服务区域内的轨道、钟差等改正产品播发。各大导航系统以及商业星基增强服务的发展与性能提升为高可用、高完好、无依托式低轨导航增强系统带来了新的方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明基于星基增强服务构建了一个具备自主运行能力与自主导航定位服务能力的无依托式低轨导航增强系统和方法，解决了已有低轨导航增强系统对地面控制中心、卫星上下行链路和星间链路过度依赖的问题，同时本发明设计的系统与方法不涉及卫星上下行链路和星间链路数据传输，可以进一步解决已有低轨导航增强系统实时性较差的难题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强系统，包含GNSS导航卫星、GNSS星基增强卫星、低轨导航增强卫星和地面接收终端；

GNSS导航卫星至少包含中国北斗系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧盟GALILEO系统的一个或多个；GNSS导航卫星在星载原子钟的控制下生成测距码和导航电文，测距码和导航电文加载于载波，并向低轨卫星和地面终端进行连续播发，提供GNSS定位测速与授时服务。

GNSS星基增强卫星是GEO卫星或者MEO卫星，向低轨卫星和地面终端播发GNSS导航卫星的各类改正信息，改正信息至少包含实时轨道改正信息和实时钟差改正信息；可以进一步包含码偏差信息、实时电离层信息和实时对流层信息。

本发明中GNSS星基增强卫星，其一应由已经正式提供服务的各GNSS建设方提供，至少应该包含但不局限于中国北斗三号系统提供的B2b信号精密定位服务、欧盟GALILEO系统提供的E6b信号PPP服务、日本QZSS提供的厘米级增强服务CLAS的一个或者多个。

本发明中GNSS星基增强卫星，其二应该由商业化星基增强服务商提供，至少应该包含但不局限于下述各商业公司星基增强服务提供商的一个或者多个，如合众思壮的“中国精度”、Navcom公司的StarFire系统、Trimble公司的OmniStar系统、Furgo公司的StarFix/SeaStar系统、Hexagon公司的Veripos系统和TerraStar系统。

低轨导航增强卫星在轨实时接收与解析GNSS导航卫星的公开服务信号和GNSS星基增强卫星的增强信号，生成GNSS导航电文、星载GNSS观测值和GNSS实时改正信息；

低轨导航增强卫星利用获取的GNSS导航电文、星载GNSS观测值、GNSS实时改正信息进行星上自主定轨与时间同步，生成低轨卫星精密轨道信息和精密钟差信息，其中，星载GNSS观测值包括伪距观测值、载波观测值和多普勒观测值；当GNSS载波相位观测值或者GNSS实时改正信息不可用时，利用GNSS伪距观测值和多普勒观测值生成导航解的轨道信息和钟差信息；

低轨导航增强卫星利用解算得到的低轨导航增强卫星的位置信息和钟差信息，自主生成高精度导航电文和导航增强信号，并根据低轨导航增强卫星位置和钟差的解的形式给出低轨卫星的可用性、可靠性和精度标记信息；

低轨导航增强卫星将生成的低轨导航增强卫星导航电文和导航增强信号向地面终端连续播发。

地面接收终端接收并解析GNSS导航卫星的公开服务信号、GNSS星基增强卫星的增强信号以及低轨卫星的导航增强信号，生成GNSS导航电文、GNSS观测值、GNSS改正信息、低轨导航增强卫星导航电文和低轨导航增强卫星观测值；利用获取的GNSS导航电文、GNSS观测值、GNSS精密改正信息、低轨导航增强卫星导航电文和低轨导航增强卫星观测值，进行定位解算。

基于上述低轨导航增强系统的一种基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强方法，包括步骤如下：

(1)低轨导航增强卫星接收GNSS星基增强卫星播发的GNSS星基增强改正信息，并利用接收的GNSS导航卫星的导航电文进行GNSS导航卫星轨道和钟差恢复，生成GNSS导航卫星轨道和钟差；

步骤(1)中GNSS导航卫星轨道与钟差恢复的方法如下：

步骤1.1、低轨导航增强卫星解析得到GNSS导航电文和GNSS星基增强改正信息后，首先进行导航电文和改正信息的匹配，匹配原则为数据龄期IODE参数相同和时间最近原则，其中GNSS星基增强改正信息直接给出了整数型的IODE值，导航电文IODE参数则需要根据系统类型分别进行计算，具体计算方法如下：

对于GPS和GALILEO系统：直接使用导航电文中给出的IODE值；

对于GLONASS系统：

其中，Round()表示取整函数，SOD

对于BDS系统：先将北斗导航电文参数进行尺度变化，再将导航电文参数浮点数转换成二进制格式，并利用位运算补齐5个零，此时该组导航电文的IODE即为这个二进制数据的CRC24校验码；

步骤1.2、将GNSS星基增强轨道改正信息给出的GNSS卫星相对于导航电文的卫星在星固坐标系下径向、切向、法向的改正数值dR、dA、dC换算到地固系下，换算方法如下：

利用导航电文计算得到的卫星位置和速度，计算该时刻卫星切向、法向和径向在地固系下的单位向量，计算公式为：

式中，

将轨道改正信息中径向、切向、法向三个方向的改正数值dR、dA、dC，使用以下公式换算为地固系下在X、Y、Z三个方向的改正数dXYZ：

得到该时刻卫星在地固系下的轨道位置

步骤1.3、将GNSS星基增强钟差改正值dt

dt＝dt

(2)利用低轨导航增强卫星的实时GNSS观测数据，GNSS观测数据包括GNSS伪距观测值、载波相位观测值和多普勒观测值，使观测值组合和电离层变化率，并结合自适应阈值模型来实时进行观测数据的粗差剔除和周跳探测；

步骤(2)中，对星上GNSS数据实时进行观测数据的粗差剔除和周跳探测的方法为：

步骤2.1、利用双频伪距和载波相位观测值构建观测值组合，计算公式为：

式中，Φ

采用如下递归算法计算各历元组合模糊度B及其方差σ(k)：

式中，

建立周跳判断准则：

当B(k)满足上式时，则认为历元k发生了周跳；

其中，阈值ε采用自适应模型，在不同σ(k)条件下的阈值：

周跳值计算如下：

当历元k发生周跳时，由上述方法探测得到的周跳值dB为：

dB＝ΔB

其中，ΔB

步骤2.2、利用未发生周跳的连续相位观测值计算出电离层的变化率，计算步骤具体为：

历元k的电离层IonoSphere含量如下：

其中，λ

由历元间差分，得到历元k的电离层IonoSphere变化率IonoRate：

式中，epoch表示历元所对应的时刻；

利用前k个历元计算得到的IonoRate信息预报当前历元k的IonoRate值，计算方法如下：

建立周跳判断准则：

|IonoRate(k)-IonoRate(k)

当k历元电离层变化率IonoRate满足上式时，则认为历元k发生了周跳；

阈值ε

ε

其中，cut_elev为设置的截止高度角；

周跳值计算如下：

当k历元发生周跳时，由IonoRate方法探测得到的周跳值dB

步骤2.3、根据步骤2.1探测得到的周跳值dB和步骤2.2探测得到的周跳值dB

(3)使用步骤(1)得到的GNSS导航卫星轨道和钟差、步骤(2)得到的GNSS观测数据，采用扩展卡尔曼滤波算法实时解算低轨导航增强卫星厘米级的卫星位置、速度、钟差和钟速；

如果步骤(1)获取的GNSS导航卫星轨道和钟差信息不可用或者步骤(2)获取的低轨导航增强卫星GNSS载波相位观测值存在异常，则仅使用GNSS伪距观测值和多普勒观测值，采用扩展卡尔曼滤波方法或最小二乘递推方法解算生成亚米级精度的导航解卫星位置、速度、钟差和钟速；

步骤(3)中，采用扩展卡尔曼滤波算法实时解算低轨导航增强卫星厘米级的卫星位置、速度、钟差和钟速的方法如下：

步骤3.1、利用伪距标准定位方法计算获取第1个历元低轨卫星的初始位置信息和中误差信息；

步骤3.2、构建星上双频伪距和载波相位观测值消电离层组合观测方程；

步骤3.3、将步骤3.2构建的非线性观测方程在待估参数初值处X

步骤3.4、给定待估参数初值X

步骤3.5、利用卡尔曼滤波状态预测方程，得到下一个历元的待估参数初值X(k-)及其方差阵P(k-)；

步骤3.6、利用步骤3.5得到的第k历元预测的待估参数初值X(k-)及其方差阵P(k-)，结合第k历元实际的观测方程，递推计算得到第k历元的最优状态估计

步骤3.7、重复步骤3.5和步骤3.6，递推解算输出每个历元的卫星位置、速度、钟差和钟速；

(4)根据低轨导航增强卫星位置和钟差的解的形式，对低轨导航增强卫星的可用性、可靠性和精度进行标记；

步骤(4)的步骤如下：

步骤4.1、根据星上自主精密定轨结果，判断其是否可用；

步骤4.2、如果星上自主精密定轨结果可用性通过，则输出精密定轨给出的卫星位置、钟差及精度信息，并给出精密解定轨模式标记和精度指标；否则，给出导航解卫星位置、钟差及精度信息，并给出导航解定轨模式标记和精度指标；

步骤4.3、根据GNSS信号中断监测，给出可靠性标记、健康标记；

(5)利用解算得到的低轨导航增强卫星位置、钟差数据，采用20参数低轨卫星导航电文轨道模型和4参数的导航电文钟差模型，在每小时的00/15/30/45分时刻，通过最小二乘估计自主生成低轨导航增强卫星导航电文并实时连续播发给地面终端。

步骤(5)中，20参数的导航电文轨道模型X

X

式中：Amp

步骤(5)中，低轨导航增强卫星导航电文中轨道参数生成的计算方法具体为：

步骤5.1、在每小时的00/15/30/45分时刻，获取当前星历参考时刻Tref

步骤5.2、利用星历参考时刻Tref

步骤5.3、建立t时刻卫星位置Pos(t)与星历参考时刻Tref

Pos(t)＝F(X

步骤5.4、使用泰勒公式将上述非线性化方程在待估参数初始值

步骤5.5、采用最小二乘平差估计出参数的最优估计值

步骤5.6、将步骤5.5得到的最优解X

|X

ε

低轨卫星导航电文中钟差参数X

步骤6.1、在每小时的00/15/30/45分时刻，获取当前钟差参考时刻Tref

步骤6.2、建立t时刻卫星精密钟差与钟差参考时刻Tref

clk(t)＝F(X

步骤6.3、使用泰勒公式将上述非线性化方程在待估参数初始值

步骤6.4、采用最小二乘平差估计出参数的最优估计值

步骤6.5、将步骤6.4得到的最优解Tref

|X

ε

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)利用本发明设计的系统和方法，可以实现一种不依赖于地面控制中心、卫星上下行链路和星间链路的无依托式低轨导航增强系统与服务，提高了低轨导航增强卫星网的自主导航定位能力与自我生存能力；

(2)本发明在关键环节采用了多种备份与冗余计算策略，提高了低轨导航增强系统服务的可用性和完好性。

(3)本发明的系统与方法，除在卫星发射、轨控、通信时必须的遥测、遥控及数据传输外，不依赖于地面控制中心、卫星上下行链路和星间链路，真正做到“发射一颗、使用一颗”的效果。本发明设计的系统与方法能够提供“增量式服务”，不仅在一定程度上降低低轨导航增强系统的建设与运营成本，也使整个系统更加的灵活可用。

(4)本发明的系统和方法由于不涉及卫星上下行链路和星间链路的大规模实时数据传输，整个系统服务的实时性更强，地面用户的定位精度更高，用户体验更好。

附图说明

图1为本发明的基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强系统的架构图；

图2为本发明的基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强方法流程图；

图3为星上实时数据质量控制计算逻辑图；

图4为星上自主精密定轨与钟差确定滤波解算流程图；

图5为星上完好性监测逻辑图；

图6为导航电文轨道计算流程图；

图7为导航电文钟差计算流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

本发明的基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强系统整体设计架构如图1所示，主要包括：GNSS导航卫星、GNSS星基增强卫星、低轨导航增强卫星、地面接收终端四个部分。

GNSS导航卫星

GNSS导航卫星在星载原子钟的控制下生成测距码和载波，并将测距码和导航电文调制在载波上，向低轨卫星和地面用户连续播发，以提供定位测速与授时服务。本发明中GNSS导航卫星至少应该包含当前已经提供正式服务的中国北斗系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧盟GALILEO系统的一个或多个系统。

GNSS星基增强卫星

GNSS星基增强卫星通过播发GNSS导航卫星的实时精密轨道、实时精密钟差、码偏差、以及实时电离层/对流层改正数来提高和增强GNSS的服务性能。本发明中GNSS星基增强卫星由已经正式提供服务的各GNSS建设方提供，至少应该包含中国北斗三号系统提供的B2b信号精密定位服务、欧洲GALILEO系统提供的E6b信号PPP服务、日本QZSS提供的厘米级增强服务CLAS的一个或多个；同时为了提高系统的可用性和冗余度，在GNSS系统建设方卫星的星基增强服务基础上，至少应该再包含商业化星基增强服务系统中的一个或多个。目前主要商业星基增强服务提供方有合众思壮的“中国精度”、Navcom公司的StarFire系统、Trimble公司的OmniStar系统、Furgo公司的StarFix/SeaStar系统、Hexagon公司的Veripos系统和TerraStar系统。商业星基增强服务系统主要通过国际海事通信卫星(Inmarsat)播发相关改正数信息。

低轨导航增强卫星

本发明中低轨导航增强卫星具备在轨实时接收与解析GNSS导航卫星公开服务信号和GNSS星基增强卫星的增强信号、自主精密定轨与时间同步、自主高精度导航电文生成与播发功能。具体工作流程为：

(1)首先实时接收并解析GNSS导航卫星信号和GNSS星基增强卫星增强信号，生成GNSS导航电文、低轨导航增强卫星星载GNSS观测值和GNSS实时精密改正信息；

(2)进一步，利用获取的GNSS导航电文、低轨导航增强卫星星载GNSS观测值、GNSS实时精密改正信息进行星上自主精密定轨与时间同步，其中星载GNSS观测值包括伪距观测值、载波观测值和多普勒观测值，生成低轨导航增强卫星精密轨道信息和精密钟差信息。当GNSS载波相位观测值或者GNSS实时精密改正信息不可用时，仅利用GNSS伪距观测值和多普勒观测值生成导航解的亚米级轨道信息和钟差信息；

(3)进一步，利用解算得到的低轨导航增强卫星的位置信息和钟差信息，自主生成高精度导航电文和导航增强信号，并根据低轨导航增强卫星位置和钟差的解的形式给出低轨导航增强卫星的可用性、可靠性和精度标记信息；

(4)进一步，将生成的低轨导航增强卫星高精度导航电文和导航增强信号向地面用户连续播发，以提供导航定位增强服务。

地面接收终端

本发明中地面接收终端接收并解析GNSS导航卫星的公开服务信号、GNSS星基增强卫星的增强信号以及低轨卫星的导航增强信号，生成GNSS导航电文、GNSS观测值、GNSS精密改正信息、低轨导航增强卫星导航电文和低轨导航增强卫星观测值；

进一步利用获取的GNSS导航电文、GNSS观测值、GNSS精密改正信息、低轨导航增强卫星导航电文和低轨导航增强卫星观测值，进行精密定位解算。

本发明提出了一种基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强方法。利用GNSS导航卫星公开服务信号、GNSS星基增强卫星播发的GNSS精密改正信息和低轨导航增强卫星星载GNSS观测数据，在不依赖于地面控制中心、卫星上下行链路、星间链路的条件下，实现低轨导航增强卫星厘米级自主精密定轨和钟差确定，并自主生成厘米级高精度导航电文，播发给地面用户进行精密定位、测速与授时服务。

本发明提出的基于星基增强服务的无依托式低轨导航增强方法具体流程如图2所示，包括步骤如下：

1)低轨导航增强卫星接收GNSS星基增强卫星播发的GNSS精密改正信息，并利用GNSS导航电文进行GNSS导航卫星精密轨道和精密钟差恢复；

2)利用低轨导航增强卫星采集的实时观测数据，包括GNSS伪距观测值、载波相位观测值和多普勒观测值，利用观测值组合和电离层变化率，并结合自适应阈值模型来实时进行观测数据的粗差剔除和周跳探测；

3)使用前两步得到的GNSS导航卫星精密轨道、精密钟差、GNSS伪距/载波相位/多普勒观测值，采用扩展卡尔曼滤波算法实时解算低轨导航增强卫星高精度的卫星位置、速度、钟差和钟速；如果步骤1)获取的GNSS导航卫星精密轨道和精密钟差信息不可用，或者步骤2)获取的低轨导航增强卫星GNSS载波相位观测值存在异常，则仅使用GNSS伪距观测值和多普勒观测值，采用扩展卡尔曼滤波方法或最小二乘递推方法解算生成亚米级精度的导航解卫星位置、速度、钟差和钟速。

4)根据低轨导航增强卫星位置和钟差的解的形式，对低轨卫星的可用性、可靠性和精度进行标记。

5)利用解算得到的低轨卫星精密位置、精密钟差，采用20参数低轨卫星导航电文轨道模型和4参数的导航电文钟差模型，在每小时的00/15/30/45分时刻，通过最小二乘估计自主生成低轨导航增强卫星高精度导航电文并实时连续播发给用户。

步骤1)中GNSS导航卫星轨道与钟差恢复的方法如下：

步骤1.1、低轨导航增强卫星解析得到GNSS导航电文和GNSS星基增强精密改正信息后，首先进行导航电文和精密改正数信息的匹配，匹配原则为数据龄期IODE参数相同和时间最近原则，其中GNSS星基增强精密改正信息直接给出了整数型的IODE值，而导航电文IODE参数则需要根据系统类型分别进行计算，具体计算方法如下：

对于GPS和GALILEO系统：直接使用导航电文中给出的IODE值；

对于GLONASS系统：

其中，Round()表示取整函数，SOD

对于BDS系统：先将北斗导航电文参数进行尺度变化，再将导航电文参数浮点数转换成二进制格式，并利用位运算补齐5个零，此时该组导航电文的IODE就是这个二进制数据的CRC24校验码。

步骤1.2、GNSS星基增强精密轨道改正信息给出了GNSS卫星相对于导航电文的卫星在星固坐标系下径向(radial)、切向(along)、法向(cross)的改正数值dR、dA、dC，这里首先将这些改正数换算到地固系下，换算方法如下：

利用导航电文计算得到的卫星位置和速度，计算该时刻卫星切向、法向和径向在地固系下的单位向量，计算公式为：

式中，

将精密轨道改正信息中径向、切向、法向三个方向的改正数dR、dA、dC，使用以下公式换算为地固系下在X、Y、Z三个方向的改正数dXYZ：

得到该时刻卫星在地固系下的精密轨道位置

步骤1.3、将GNSS星基增强精密钟差改正值dt

dt＝dt

步骤2)中对星上GNSS数据实时质量控制的方法为：

星上GNSS数据实时质量控制是实现低轨导航增强卫星厘米级自主精密定轨与钟差确定的关键和首要环节，本发明综合采用观测值组合和电离层变化率、以及自适应阈值模型来进行GNSS观测数据的粗差剔除和周跳探测，设计的计算流程如图3所示：

步骤2.1：

利用双频伪距和载波相位观测值构建观测值组合，计算公式为：

式中，Φ

为消弱噪声影响，本发明中采用如下递归算法计算各历元组合模糊度B及其方差σ(k)：

式中，

建立周跳判断准则：

当B(k)满足上式时，则认为历元k发生了周跳；

其中，阈值ε采用自适应模型，这里根据试验结果直接给出在不同σ(k)条件下的阈值：

周跳值计算：

当历元k发生周跳时，由上述方法探测得到的周跳值dB为：

dB＝ΔB

其中，ΔB

步骤2.2：

历元k的电离层IonoSphere含量如下：

其中，λ

由历元间差分，得到历元k的电离层IonoSphere变化率IonoRate：

式中，epoch表示历元所对应的时刻；

利用前k个历元计算得到的IonoRate信息预报当前历元k的IonoRate值，计算方法如下

可选的，IonoRate(k)、IonoRate(k-1)也可以通过前面所有历元数据进行平滑计算得到，利用多历元平滑可以减小噪声影响，得到精度更高的IonoRate(k)、IonoRate(k-1)。

建立周跳判断准则：

|IonoRate(k)-IonoRate(k)

当k历元电离层变化率IonoRate满足上式时，则认为历元k发生了周跳；

阈值ε

ε

其中cut_elev为设置的截止高度角。

周跳值计算：

当k历元发生周跳时，由IonoRate方法探测得到的周跳值dB

步骤2.3、根据步骤2.1探测得到的周跳值dB和步骤2.2探测得到的周跳值dB

步骤3)中星上自主精密定轨与钟差确定

考虑到不同星座低轨卫星轨道高度不同、平台不同，其受力模型不完全一致，同时兼顾厘米级定轨精度需求，本发明设计采用基于Kalman滤波的低轨卫星自主实时精密定轨与钟差确定。图4给出了星上自主精密定轨与钟差确定滤波解算流程，具体为：

步骤3.1、利用伪距标准定位方法计算获取第1个历元低轨卫星的初始位置信息和中误差信息；

步骤3.2、构建星上双频伪距和载波相位观测值消电离层组合观测方程；

步骤3.3、将步骤3.2构建的非线性观测方程在待估参数初值处X

步骤3.4、给定待估参数初值X

步骤3.5、利用卡尔曼滤波状态预测方程，得到下一个历元(用k历元表示)的待估参数初值X(k-)及其方差阵P(k-)；

可选的，卫星位置参数也可以通过前一历元已经计算获得的低轨卫星高精度位置和速度信息，外推出当前历元的卫星位置信息；

可选的，也可以通过前N个历元低轨卫星的高精度位置信息，采用多项式拟合获取当前历元的卫星位置信息；

可选的，也可以通过对当前历元采用第3.1步的方法，利用伪距标准定位获取当前历元的卫星位置信息；

步骤3.6、进一步利用步骤3.5得到的第k历元预测的待估参数初值X(k-)及其方差阵P(k-)，结合第k历元实际的观测方程，即可递推计算得到第k历元的最优状态估计

步骤3.7、重复步骤3.5和步骤3.6，递推解算输出每个历元的卫星位置、钟差等参数。

步骤4)中，星上完好性自主监测

低轨导航增强卫星所处环境受到各种宇宙射线影响，更容易受到磁暴、太阳风暴等极端空间天气干扰，造成星载GNSS观测值噪声变大，严重时甚至会导致GNSS信号中断。低轨导航增强卫星星上完好性监测根据低轨导航增强卫星解算的卫星位置、速度、钟差及其精度信息，以及GNSS信号中断信息，给出低轨导航增强卫星定轨解的模式标记、精度标记、可用性标记和健康标记等。图5给出了星上完好性监测逻辑图，具体过程为：

步骤4.1、根据星上自主精密定轨结果，判断其是否可用；

步骤4.2、可用性通过，则输出精密定轨给出的卫星位置、钟差及精度信息，并给出精密定轨模式标记和精度指标；否则，给出导航解卫星位置、钟差及精度信息，并给出导航解定轨模式标记和精度指标；

步骤4.3、根据GNSS信号中断监测，给出可靠性标记、健康标记；

步骤5)中，星上导航电文自主生成

低轨导航增强卫星的导航电文是低轨导航增强系统提供服务的重要前提，是低轨导航增强系统的时空基准，其精度直接影响用户体验。本发明采用最小二乘拟合策略，以星上自主精密定轨得到的卫星位置数据、钟差数据为数据输入，估计出弧段内卫星的轨道根数和钟差参数，进而播发给用户使用。根据试验结果，本发明选定了一组20参数的导航电文轨道模型X

X

式中：Amp

图6给出了低轨导航增强卫星导航电文中轨道参数生成的计算流程，具体为：

(1)在每小时的00/15/30/45分时刻，获取当前星历参考时刻Tref

(2)利用星历参考时刻Tref

(3)建立t时刻卫星位置Pos(t)与星历参考时刻Tref

Pos(t)＝F(X

(4)使用泰勒公式将上述非线性化方程在待估参数初始值

(5)进一步采用最小二乘平差估计出参数的最优估计值

(6)将上一步得到的最优解X

|X

图7为低轨卫星导航电文中钟差参数的计算流程，待估参数X

(1)在每小时的00/15/30/45分时刻，获取当前钟差参考时刻Tref

(2)建立t时刻卫星精密钟差与钟差参考时刻Tref

clk(t)＝F(X

(3)使用泰勒公式将上述非线性化方程在待估参数初始值

(4)进一步采用最小二乘平差估计出参数的最优估计值

(5)将上一步得到的最优解X

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本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。