近日，团队2024级博士生徐胜意研究成果被国际空间研究委员会（Committee on Space Research，COSPAR）授予2024年度“青年科学家优秀论文奖”（Outstanding Paper Award for Young Scientists）。
国际空间研究委员会（COSPAR）作为国际科学理事会（International Council for Science, ICSU）直属的权威学术组织，其宗旨和原则是在国际范围内通过学术交流和组织实施国际研究项目促进以卫星、火箭、飞船、高空气球等为手段的各种科学研究。其每两年召开一次的科学大会被公认为空间科学领域规模最大、影响最深远的国际学术盛会。根据官方通知，年度优秀论文颁奖典礼将于2026年8月1日至9日在意大利佛罗伦萨举行的COSPAR科学大会上举行，获奖确认函已于2024年4月7日由COSPAR主席Pascale Ehrenfreund教授签署发出。
徐胜意博士获奖论文《Multi-GNSS Precise Point Positioning enhanced by the real navigation signals from CENTISPACETM LEO mission》发表于COSPAR会刊《Advances in Space Research》。该研究首次基于实测的低轨下行导航信号实现了对BDS/GNSS等导航系统动态PPP及PPP-AR的性能增强，证实了低轨导航信号在实现BDS/GNSS快速定位方面的重大意义。此项研究由徐胜意博士作为第一完成人，在赵齐乐教授、郭靖教授以及许小龙副研究员等联合指导下完成，研究团队包含北京未来导航科技有限公司。该研究得到了国家自然科学基金（42304032、41974035）等项目的资助。
论文概述
低轨导航增强技术作为卫星导航领域的前沿方向，已成为全球科研机构与产业界的研究热点。团队与北京未来导航科技有限公司构建产学研协同创新机制，基于CENTISPACETM ETAT1卫星实测双频下行导航信号，首次系统性评估低轨卫星对BDS/GNSS动态PPP/PPP-AR的性能增益。研究定量分析了低轨卫星对单系统（GPS、Galileo、BDS-3）、双系统（GPS/Galileo、GPS/BDS-3、Galileo/BDS-3）和三系统（GPS/Galileo/BDS-3）动态PPP/PPP-AR的增强效果。实验结果表明：引入一颗低轨下行导航信号后，动态PPP东方向收敛时间在单系统（7.9、2.4、12.0分钟）、双系统（2.0、3.4、2.6分钟）及三系统（1.3分钟）模式下分别得到显著缩短。在PPP-AR模式下，低轨卫星的加入使得各方案的收敛时间进一步缩短8.1、5.2、4.9分钟（单系统），1.3、0.9、1.1分钟（双系统）及0.4分钟（三系统）。研究充分证实了低轨卫星在快速高精度定位领域的技术优势，为低轨导航增强系统建设提供有力支撑。
论文主要内容
本研究基于武汉大学多模GNSS（WUM）最终精密产品以及CENTISPACETM试验卫星ESAT1星载GPS、Galileo和BDS-3观测数据解算ESAT1卫星的精密轨道，并通过武汉大学自建的低轨监测站网络解算其精密钟差参数。
图 1展示了GPS、Galileo和BDS-3以及ESAT1卫星10分钟和24小时的天空图。可以看到，低轨卫星不仅运动速度快，还能增加测站天顶的可观测性。这有效地改善了导航系统的几何构型，加速了测站可视卫星几何构型的变化，提高了PPP的收敛速度。
图 1 GPS（蓝）、Galileo（青）、BDS-3（黄）和ESAT1（红）卫星10分钟以及24小时天空图
● 低轨卫星加快BDS/GNSS动态PPP收敛
论文以一个观测弧段为例，分析了ESAT1引入后对单系统、双系统以及三系统动态PPP/PPP-AR的增益效果。
图 2展示了ESAT1增强前后单系统方案的定位误差序列。GPS、Galileo和北斗三号的平均有效卫星数量分别为8.37、5.0和8.13。ESAT1卫星引入后，东方向的定位性能显著改善。GPS、Galileo和BDS-3单系统PPP东方向的收敛时间在ESAT1的增强下分别从15.0、22.5和60分钟缩短到2.2、5.7和3.1分钟。东方向收敛后的精度得到大幅度提升。由于Galileo的有效卫星数量较少，单Galileo定位性能较差，而ESAT1的引入显著提升其性能。在ESAT1的增强下，GNSS单系统的定位性能都得到大幅度的改善。
图 2 ESAT1增强前后GNSS单系统定位误差序列
图 3展示了双系统（GE、GC和EC）动态PPP方案的定位误差序列。与单系统方案相比，双系统方案有效卫星数量增加。双系统方案的平均有效卫星数量分别为13.39、16.49和13.15。引入ESAT1卫星后，东方向上的定位性能有显著改善，其收敛时间分别从13.3、6.9和11.9分钟缩短到2.2、1.4和2.5分钟。
图 3 ESAT1增强前后GNSS双系统定位误差序列
图 4展示了ESAT1增强前后GEC三系统的PPP定位误差序列。平均有效卫星数为21.59。ESAT1卫星引入后，东方向上的收敛时间从6.9分钟减少到1.5分钟，定位精度从3.7厘米提高到3.0厘米。
图 4 ESAT1增强前后GEC三系统定位误差序列
实验采用23个低轨观测弧段，解算每个观测弧段下ESAT1对单系统、双系统和三系统的增强效果，即每种解决方案有23个样本弧段。图 5展示了所有定位方案、所有样本弧段的平均收敛时间。ESAT1卫星引入后，GPS、Galileo和BDS-3单系统动态PPP的平均收敛时间分别从21.2、11.5和25.2分钟减少到13.3、9.1和13.2分钟，性能分别提高了37.3%、20.8%和47.5%。同样，GE、GC和EC双系统的平均收敛时间分别从8.6、12.4和8.7分钟减少到6.6、9.0和6.1分钟，改进比例分别达到23.5%、27.3%和29.5%。对于GEC三系统，平均收敛时间从7.3分钟减少到6.0分钟，提升比例为17.4%。
图 5 ESAT1增强前后的不同GNSS方案PPP平均收敛时间
● 低轨卫星加快BDS/GNSS动态PPP-AR收敛
除了分析低轨卫星对单系统、双系统和三系统动态PPP的增益效果，论文还分析了ESAT1对加速BDS/GNSS动态PPP-AR收敛的重大意义。
图 6展示了ESAT1增强前后GE和GEC动态PPP-AR的定位误差序列。可以看到，GE和GEC动态PPP-AR方案的收敛时间分别为12.13分钟和4.40分钟，BDS-3系统对加快GPS收敛至关重要。在引入低轨卫星ESAT1后，GE和GEC的收敛时间减少到5.53分钟和3.23分钟。
图 6 ESAT1增强前后的GE双系统和GEC三系统PPP-AR定位误差序列
图 7展示了不同GNSS定位方案在ESAT1增强前后收敛时间的箱线图。表 1列出了不同PPP-AR方案的平均收敛时间以及ESAT1引入后收敛时间改进的百分比。可以看到，GPS、Galileo和BDS-3单系统的平均收敛时间在ESAT1引入后分别从16.8、20.4和18.3分钟缩短为8.7、15.2和13.4分钟，提升比例分别达到48.2%、25.3%和26.6%。对于GE、GC和EC双系统方案，平均收敛时间分别从4.6、3.8和6.0分钟减少到3.3、2.9和4.9分钟，改进比例分别达到27.1%、24.2%和19.6%。同样的，GEC三系统方案PPP-AR的平均收敛时间从2.5分钟减少到2.1分钟，收敛性能提升17.8%。总体而言，ESAT1卫星对加速BDS/GNSS动态PPP-AR收敛具有重大意义。
图 7 ESAT1增强前后的不同GNSS方案PPP-AR平均收敛时间
表 1 ESAT1增强前后不同PPP-AR方案的平均收敛时间
论文信息：
Xu S, Yang Q, Du X, Xu X, Zhao Q, Yang L, Qin Y, Guo J (2024) Multi-GNSS Precise Point Positioning enhanced by the real navigation signals from CENTISPACETM LEO mission. Adv Space Res 73(8):4175–4186. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.01.017
