隨著我國北斗系統(tǒng)的快速部署，全球?qū)Ш较到y(tǒng)進入了多 GNNS（global navigation satellite system）的時代。目前4大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軌運行的衛(wèi)星總數(shù)已接近100顆，在可見衛(wèi)星數(shù)、幾何精度衰減因子等方面都有了顯著的提高，但是仍然有一些問題是目前的星座難以解決的，包括長基線解算和精密單點定位收斂較慢，GNNS信號較弱，容易被干擾等問題。

就導航系統(tǒng)存在的問題，如何構(gòu)建下一代定位、導航、授時 （positioning,navigation,and timing,ＰＮＴ）系統(tǒng)，楊元喜院士描繪了綜合ＰＮＴ系統(tǒng)和彈性ＰＮＴ框架，其中天基導航增強信息源是下一代ＰＮＴ系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。李德仁院士提出發(fā)展通信、導航、遙感一體化天基實時服務系統(tǒng)的構(gòu)想，解決我國天基信息系統(tǒng)覆蓋能力有限、響應速度慢、協(xié)同能力弱等問題。低軌衛(wèi)星導航增強服務也作為維持空間信息網(wǎng)絡時空基準。

GNNS增強技術(shù)從增強原理的角度劃分包括信息增強技術(shù)和信號增強技術(shù)兩種。信息增強技術(shù)是指利用地面跟蹤網(wǎng)數(shù)據(jù)解算GNNS信號的誤差改正數(shù)和完好性信息，再通過地基互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星通信信道播發(fā)給用戶，用戶利用接收到的 GNNS的改正數(shù)修正本機接收的 GNNS信號誤差，從而提高定位精度和完好性。

該類系統(tǒng)包括廣域完好性增強系統(tǒng)，如美國的 WAAS（wide area augmentation system ）、Trimble 公司的的RTX、合眾思壯公司的中國精度、中海達公司的Hi-RTP系統(tǒng)以及千尋網(wǎng)絡的北斗地基增強系統(tǒng)等。這些增強系統(tǒng)允許用戶實現(xiàn)實時或準實時的分米至厘米級定位服務, 但是對于GNNS定位不佳的應用場景，信息增強也無能為力。信號增強技術(shù)是指增強信號源能夠發(fā)射測距信號，從而擴展和延伸GNNS的應用場景。通過信號增強技術(shù)，允許用戶在無法使用GNNS定位或者GNNS定位效果不佳的場景獲得準確可靠的位置信息。

目前信號增強方面的研究主要集中在地基偽衛(wèi)星技術(shù)，如澳大利亞的Locata系統(tǒng)、GPS Repeater系統(tǒng)等。廣義的信號增強技術(shù)還包括機會信號，如ＤＶＢ-Ｔ信號、Wi-Fi信號、藍牙信號、移動蜂窩信號等。地基增強信號覆蓋范圍有限，受視距限制，且信號沿地表傳播導致多路徑影響嚴重。

目前，采用低軌衛(wèi)星平臺進行導航信號增強的研究還處于仿真階段。使用低軌衛(wèi)星平臺進行導航信號增強，除了增加衛(wèi)星可見性，減小定位精度衰減因子外，還具有以下優(yōu)勢：

武漢大學研制的珞珈一號科學實驗衛(wèi)星同時具備夜光遙感和導航增強的功能，于2018年6月2日成功發(fā)射，并且首次成功開展了基于低軌衛(wèi)星平臺的導航信號增強實驗，本文對珞珈一號衛(wèi)星導航增強信號的質(zhì)量和初步性能進行了評估。

珞珈一號衛(wèi)星總質(zhì)量19.8ｋｇ（不含分離裝置），軌道高647km。珞珈一號衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的工作原理如圖１所示。珞珈一號衛(wèi)星在軌天接收北斗、GPS的雙頻信號進行實時自主精密定軌和授時，在軌自主生成雙頻測距信號向地面播發(fā)。地面用戶可同時接收雙頻北斗、GPS信號和珞珈一號雙頻導航增強信號來實現(xiàn)高／中／低軌混合衛(wèi)星星座定位，從而提高其導航定位的性能。受到衛(wèi)星平臺的限制，導航增強任務與遙感任務分時工作。由于低軌衛(wèi)星運動較快，珞珈一號單次過境時間大約在１０ｍｉｎ。

圖１　珞珈一號導航增強工作原理示意

本文利用５組導航增強實驗的數(shù)據(jù)對珞珈一號衛(wèi)星導航增強數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析。由于珞珈一號衛(wèi)星導航增強信號的頻率與現(xiàn)有GNNS信號頻率均不相同，需要專用的地面接收天線和接收機對 GNNS信號和珞珈一號信號進行采集，表１列出了本次分析使用的珞珈一號數(shù)據(jù)的信號跟蹤情況，其中仰角和跟蹤時長均是指能夠同時跟蹤珞珈一號導航增強Ｈ１和 Ｈ２信號的最低衛(wèi)星高度角，實際觀測到的保持Ｈ１信號跟蹤的最低衛(wèi)星仰角為４°。

珞珈一號數(shù)據(jù)采用武漢和石家莊兩個地面站進行接收。導航增強實驗均采用過境高度角較高的可見弧段，５次實驗數(shù)據(jù)的衛(wèi)星天空圖如圖２所示，其中9月22日的實驗由于調(diào)度問題導致導航增強載荷延遲開機，武漢站僅能收到衛(wèi)星下降段的部分數(shù)據(jù)，石家莊站未能收到導航增強數(shù)據(jù)。 

表１?。荡螌Ш皆鰪妼嶒灥男盘柛櫱闆r

圖２　５次實驗的珞珈一號衛(wèi)星天空圖

５次實驗接收到珞珈一號導航增強信號載噪比與衛(wèi)星高度角的關(guān)系如圖３所示。圖３顯示，多次實驗中，不同地點實驗接收到的信號載噪比變化趨勢基本一致。Ｈ１與Ｈ２頻率不同導致自由空間衰減相差約1.4ｄＢ。珞珈一號導航增強信號地面接收載噪比理論值約為53～55ｄＢ Ｈｚ。 實測Ｈ１和Ｈ２的最高載噪比分別為４９ｄＢ Ｈｚ和52ｄＢ Ｈｚ，基本滿足要求。但是Ｈ１信號的高仰角條件下載噪比偏低，而Ｈ２信號的低仰角載噪比偏低，該現(xiàn)象主要與接收天線在珞珈信號頻點處的增益不一致有關(guān)，因而珞珈一號地面接收天線性能仍需要根據(jù)珞珈一號衛(wèi)星的信號頻點進一步優(yōu)化。

圖３　珞珈一號０１星導航增強信號載噪比

由于珞珈一號只有一顆衛(wèi)星在軌，因而其觀測質(zhì)量評估無法使用短基線和零基線法。本文對珞珈一號導航增強信號質(zhì)量評估采用單站單星評估的方法。對于偽距觀測值噪聲，采用無幾何距離組合進行評估。對于載波相位觀測值，采用歷元間差分的無幾何距離組合進行噪聲評估，觀測噪聲可表達為：

（1）式中， εＰ和 εＬ分別為偽距和載波相位的噪聲。由于珞珈一號單次過境時間僅為幾分鐘，因此將無幾何距離組合的偽距電離層延遲在過境期間近似地視為常量。且由于單星單站無法分離衛(wèi)星端和接收機端的碼間偏差，因而在數(shù)據(jù)處理時將所有頻率相關(guān)的誤差的總和，包括電離層影響、衛(wèi)星端和接收機端碼偏差定義為電離層延遲（lonospheric，ＩＯＮ）。ＩＯＮ的估計方法為單次過境所有偽距無幾何距離組合觀測值的平均值。對于載波相位觀測值，對無幾何距離組合觀測值進一步使用歷元間差分法消除模糊度和殘余電離層的影響。歷元間差分的無幾何距離載波相位觀測值組合僅受到電離層時間變化率的影響。由于殘余的電離層變化率影響較小，因此在數(shù)據(jù)處理中忽略不計。利用上述方法估計得到的珞珈一號導航增強信號偽距和載波相位噪聲如圖４所示。

圖４　珞珈一號導航增強信號無幾何距離組合噪聲評估

為了進一步量化分析珞珈一號導航增強信號偽距和載波相位噪聲，采用最小范數(shù)二次無偏估計法（minimun norm quadratic unbiased estimate，ＭＩＮＱＵＥ）對增強信號的噪聲進行建模。考慮到偽距和載波相位噪聲對高度角的依賴，將偽距和載波相位噪聲模型建模為：

（2）式中，ａ、ｂ為待估方差分量；ｅ為高度角（rad）。采用ＭＩＮＱＵＥ法估計得到的方差分量見表2。根據(jù)估計的方差分量求得偽距和載波相位噪聲的95％置信區(qū)間也標注在圖４中。圖４顯示，采用ＭＩＮＱＵＥ法進行方差建?；灸軌蚍从崇箸煲惶枌Ш皆鰪娦盘栍^測值的誤差分布特性。評估得高仰角無幾何距離組合的偽距和載波相位的測量噪聲分別為2.1ｍ和2.5ｍｍ?？紤]到無幾何距離組合將觀測值噪聲放大倍，可得珞珈一號偽距和載波相位原始觀測量在高仰角時的觀測精度分別為1.5ｍ和1.7ｍｍ（1倍中誤差）。珞珈一號導航增強信號的偽距和載波相位測量精度都顯著地隨高度角變化，一方面因為噪聲評估時未能考慮電離層影響與高度角的關(guān)系，另一方面因為接收機在低仰角時的測量精度仍然需要進一步優(yōu)化。珞珈一號導航增強信號高仰角處載波相位測量精度與GNNS信號相當，但是偽距測量精度仍然偏大，這是由于低軌衛(wèi)星與地面固定的接收機天線之間的視線方向加速度遠遠大于中高軌導航衛(wèi)星。如何優(yōu)化測距碼環(huán)路設計來平衡低軌衛(wèi)星增強信號的高動態(tài)特性和測量精度的關(guān)系，仍然有待進一步研究。

表２?。停桑危眩眨欧ü烙嫷溺箸煲惶枌Ш皆鰪娪^測值方差分量

式（１）中定義的電離層延遲對偽距觀測噪聲評估產(chǎn)生一定的影響，因此需要對其變化特性作進一步分析。在單個弧對無幾何距離組合的影響在30ns左右，對應的對原始偽距觀測值的影響大約在80～120ns之間，與電離層延遲量級相當。同一次實驗中，采用不同的接收機跟蹤信號對應的電離層延遲差異也比較大，因而圖５所示的電離層延遲差異主要是由信號傳播路徑和地面接收機硬件延遲的變化引起的。另外，低仰角處偽距噪聲較大也會對電離層延遲估計產(chǎn)生一定影響。

圖５　電離層對珞珈一號偽距觀測值的影響

為了進一步評估珞珈一號導航增強系統(tǒng)與GNNS系統(tǒng)的兼容性，采用單星單歷元的方法進行授時精度的評估。由于珞珈一號地面接收機可同時接收GPS／北斗和珞珈一號的觀測數(shù)據(jù)，并且珞珈一號衛(wèi)星的信號捕獲跟蹤使用與GPS／北斗相同的時鐘，所以地面接收機對應珞珈信號的鐘差應該為GPS的時鐘加上硬件延遲。星上播發(fā)的珞珈信號參考時間是利用星上載荷進行授時獲得時間。原理上珞珈一號信號發(fā)射時刻應該與GPS時對齊，但實現(xiàn)上不可避免地會引入發(fā)射端的硬件延遲，所以珞珈一號導航增強信號偽距觀測模型可表示為：

（3）式中，Ｐ為偽距觀測值；ρ為站星幾何距離；和分別為衛(wèi)星端和接收機端的GPS鐘差，可通過星上和地面的接收機分別求得；和分別為珞珈信號的發(fā)射端硬件延遲和接收機端硬件延遲，該延遲的影響需要通過標定來消除；Ｉ和Ｔ分別為電離層和對流層延遲，在標準定位計算中可以使用經(jīng)驗模型，如Klobuchar模型和Saasta-moinen模型修正；ε為隨機觀測噪聲。

在進行單星授時實驗時，將天線安裝在已知點上，珞珈一號衛(wèi)星軌道和鐘差可通過廣播星歷計算，因而幾何距離ρ可視為已知。Ｉ和Ｔ通過經(jīng)驗模型修正，接收機端GPS鐘差可通過接收機單點定位計算求得，則珞珈一號授時觀測方程為：

式（４）表示扣除各項誤差影響后，觀測值中剩余的部分是衛(wèi)星發(fā)射端和接收機端的硬件延遲。對于單星單接收機的情況，這兩種硬件延遲不可區(qū)分，但在衛(wèi)星過境期間可視為常量。對應的變化部分的方差則為珞珈一號單星授時的精度。根據(jù)上述關(guān)系，對珞珈一號衛(wèi)星偽距觀測數(shù)據(jù)進行處理，得到珞珈一號單星授時精度與衛(wèi)星高度角的關(guān)系如圖６所示。

圖６　單星授時誤差與高度角的關(guān)系

圖６顯示珞珈一號衛(wèi)星偽距信號的硬件延遲總量大約是3820ns，該硬件延遲不影響授時精度。從圖６可以看出，珞珈一號殘余誤差隨高度角變化有一定的趨勢性，使用珞珈一號信號單星授時與使用GPS單點定位授時的差異變化范圍在50ns量級。該趨勢可能是由于殘余誤差引起的，但仍然有待進一步研究。

同時，低仰角時，嚴重的多路徑效應影響授時的精度。為了更客觀地評價珞珈一號單星授時精度，對兩個授時精度指標進行評定，即高度角大于30°時，珞珈一號偽距單星授時精度為11.3ns（１倍中誤差）?？紤]各高度角全部的偽距時，授時精度約為27.5ns（１倍中誤差）。利用珞珈一號偽距進行單星授時獲得的地面時鐘與直接利用GPS信號獲得的地面時鐘的差異保持在10～30ns量級，與GPS單星授時精度相當。該結(jié)果說明了珞珈一號導航增強系統(tǒng)星上時間系統(tǒng)維持的準確性和珞珈一號偽距觀測量的正確性。

本文首次分析了基于低軌衛(wèi)星平臺進行導航信號增強的實測數(shù)據(jù)性能。根據(jù)珞珈一號衛(wèi)星５組實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，表明珞珈一號導航增強信號的偽距和載波相位測量精度最高可達1.5ｍ和1.7ｍｍ。本文還評估了使用珞珈一號單星授時精度。在扣除硬件延遲常數(shù)偏差后，導航增強信號的授時與直接GPS授時的差異在１０～３０ns量級，該結(jié)果證明了珞珈一號導航增強信號與現(xiàn)有GPS信號的兼容性以及珞珈一號導航增強系統(tǒng)實現(xiàn)的正確性。

珞珈一號導航增強系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有的北斗／GPS信號協(xié)同定位，并起到增強效果。另一方面，珞珈一號導航增強實驗結(jié)果也反映了低軌導航信號增強方面仍有很多技術(shù)問題需要深入研究。通過對珞珈一號導航增強數(shù)據(jù)的進一步研究，有望進一步提高珞珈一號導航增強信號的授時精度和性能。后續(xù)將開展更細致的誤差建模和數(shù)據(jù)特性分析的工作，并利用珞珈一號衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)開展增強精密單點定位的相關(guān)實驗，為我國發(fā)展低軌衛(wèi)星導航信號增強系統(tǒng)解決關(guān)鍵技術(shù)問題。