以下文章来源于卫星导航国际期刊 ，作者杨颜
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
Instantaneous velocity determination and positioning using Doppler shift from a LEO constellation
Fei Guo*, Yan Yang, Fujian Ma, Yifan Zhu, Hang Liu and Xiaohong Zhang
Satellite Navigation (2023) 4: 9
引用文章:
Guo, F., Yang, Y., Ma, F. J. et al. Instantaneous velocity determination and positioning using Doppler shift from a LEO constellation. Satell Navig 4, 9 (2023). https://doi.org/10.1186/s43020-023-00098-2
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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-023-00098-2
本文亮点
1.基于低轨星座的多普勒仿真观测值，建立了瞬时多普勒定位模型，验证了低轨卫星多普勒定位体制的可行性和优越性。
2.导出了LEO多普勒定位精度衰减因子PDOP，发现其远大于伪距/相位定位PDOP，即使可视卫星数达到30多颗时，LEO多普勒定位的PDOP仍达到数百，瞬时定位精度为米级。
3.分析了初始化坐标误差和观测噪声对LEO多普勒测速与定位的影响，评估了全球不同区域、不同运动场景下的LEO瞬时多普勒定位与测速性能。
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
为了分析位置精度对低轨多普勒测速精度的影响，图1给出了不同位置精度下，SCOR测站各方向上的测速RMSE值。三个方向上的测速精度与位置精度之间存在线性关系。随着位置精度从0.1 m降低到10 m, E、N和U方向上的测速RMSE分别从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。
II 低轨增强GPS多普勒测速
为了了解低轨多普勒对GNSS测速可能产生的影响，比较了GPS和GPS+LEO两种不同策略下多普勒测速精度。
图2给出了在位置精度3.0 m（考虑到SPP定位精度）下，SCOR测站在GPS和GPS+LEO两种策略下的测速误差直方图。对单GPS方案，E、N和U方向上RMSE分别为0.93 cm/s、1.11 cm/s和3.29 cm/s；在GPS+LEO方案下，各方向上测速精度都得到显著提高，RMSE分别降低到0.74 cm/s、0.83 cm/s和1.73 cm/s。图3给出了不同测站在两种测速方案下的RMSE。GPS+LEO方案下，水平方向RMSE在1.11 cm/s内，高程方向RMSE在3.21 cm/s内。总的来看，低轨卫星有助于提高GPS测速精度。
III 静态多普勒定位
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。
图4还显示了相应的可见卫星总数和PDOP值。在MCHL站，可见卫星的平均数量为9.1，PDOP值为491.4。相应的可见卫星数增加了26.4时，NYA2站的平均PDOP值减少到174.9。假设LEO多普勒测量的噪声为0.01 m/s，位置精度可达到约1.75 m-4.91 m，这与GNSS伪距定位的定位精度相当。
IV 静态模拟动态多普勒定位
图5和6分别给出了不同约束条件下静态模拟动态多普勒定位结果。松约束条件下，静态模拟动态多普勒定位可实现米级定位精度。平均RMSE在E、N和U方向上分别为3.66 m, 3.97 m和5.93 m。与松约束结果相比，紧约束下的定位结果更加稳定，精度也得到了提高。三个方向上的平均RMSE分别为0.38 m、0.41 m和0.67 m。
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。
作者简介
郭斐 教授
本文通讯作者
武汉大学测绘学院
▍作者简介
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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