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标题:基于低轨星座多普勒观测值的瞬时定位与测速
作者:郭斐*,杨颜,马福建,朱逸凡,刘航,张小红
主题词:低轨卫星(LEO); 全球卫星导航系统(GNSS);多普勒;测速;定位
(图片来自作者)
LEO: Doppler velocity determination and positioning
In this contribution, the model and performance of instantaneous velocity determination and positioning with Low Earth Orbit (LEO) satellites are investigated for the first time. Owing to the lower orbit, the performance of LEO velocity determination is much more sensitive to the initial receiver position error than that of Global Navigation Satellite System (GNSS). If the magnitude of the receiver position error is 10 m, its impact on the ranging rate will be 7.35 cm/s.
It is found that LEO Doppler shift observations contribute to GPS velocity determination. As for LEO Doppler positioning, even if more than 30 visible LEO satellites are available, the position dilution of precision (PDOP) values can reach several hundreds. Assuming that the error of LEO Doppler measurements is 0.01 m/s, the instantaneous Doppler positioning accuracy can achieve about a few meters, which is comparable to that of GNSS pseudorange positioning. Static LEO Doppler positioning results show that an accuracy at centimeter to decimeter level can be achieved after solution convergence. For a static simulated kinematic positioning test, the RMSEs range from a few decimeters to several meters in different regions by giving different constraints. For a dynamic positioning test, the RMSEs are about 2-3 m in high latitude region.
本文亮点
内容简介
相较于伪距和载波相位定位体制,多普勒定位体制具有对高性能时钟依赖度低、数据易获取等优势。LEO多普勒观测值可以提供PNT服务,能够与GNSS形成互补,提升卫星导航定位服务的可用性和抗干扰能力。
本文利用LEO仿真多普勒观测值,建立了瞬时多普勒定位数学模型,全面评估了低轨卫星多普勒测速和定位的性能。相较于GNSS,由于LEO轨道高度较低,其测速性能对位置精度更敏感。统计结果表明,当位置精度由0.1 m降低到10 m时,E、N和U方向上的测速RMSE分别由0.73 cm/s、0.68 cm/s和1.67 cm/s增加到2.65 cm/s、2.96 cm/s和4.15 cm/s。同时,LEO多普勒观测值有助于提高GNSS多普勒测速精度。对于低轨多普勒定位,当可视卫星数达到30多时,其对应的PDOP值仍达到数百。当LEO多普勒测量误差为0.01 m/s时,瞬时多普勒定位精度可达到数米,这与GNSS伪距定位精度相当。静态LEO多普勒定位结果表明,收敛后可达到厘米到分米的定位精度;静态模拟动态定位精度达到分米至米级;对于动态定位测试,高纬度地区RMSE约为2~3米。
图文导读
I 位置精度对低轨测速精度影响
图 1 不同位置精度下SCOR测站在E、N和U方向上的测速RMSE。
II 低轨增强GPS多普勒测速
图 2 SCOR在GPS和GPS+LEO两种方案下的测速误差分布以及相应的RMSE。
图4显示了MCHL、ONSA和NYA2的静态多普勒定位结果。可以发现,三个站点经过不同收敛时间可以实现高精度定位。由于有更多可见的LEO卫星,高纬度站的定位结果在三个方向上更稳定,定位的收敛时间也更短。值得注意的是,在平均可见LEO卫星达到35.5颗的NYA2测站,经过约6分钟后三个方向的位置误差小于0.1 m。
IV 静态模拟动态多普勒定位
图 5 MCHL、ONSA和NYA2测站在松约束下的静态模拟动态多普勒定位结果。
V 动态多普勒定位
模拟了高纬度地区的动态场景,载体运动状态如图7所示。图8显示了动态多普勒定位的结果。E、N和U方向的误差均在10.0 m以内,不同运动模式下的定位精度几乎相同。三个方向上的平均RMSE分别为2.24 m、3.15 m和3.23 m。该精度与松约束条件下高纬度静态模拟动态多普勒定位中的结果一致。
图 7 动态场景中载体的模拟水平方向速度和加速度。
作者简介
郭斐 教授
郭斐,武汉大学测绘学院教授、博士生导师,从事卫星导航定位技术及其应用研究。
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撰稿:本文作者
编辑:星航
校对:郭教授
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