CN109901206A - 一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信与卫星导航技术领域，公开了一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，第一步，采用一种非迭代的方法求解接收机的近似坐标和钟差，第二步，则在第一步的基础上，通过迭代的方法精华求解的用户近似坐标和钟差参数，通过正则化的方法解决方程病态问题，获得稳定，可靠的用户三维坐标的时钟偏差。本发明可降低接收机成本和功耗，应用于物联网，搜救等低成本的位置服务传感器领域本发明仅需要接收机同时接收到来自一颗低轨卫星多个时刻的测距信号，就可以准确的求解用户的三维坐标和接收机时钟偏差。

Description

一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法

技术领域

本发明属于卫星通信与卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

低轨卫星导航增强技术能够显著提高全球卫星定位***(GNSS)精密定位的收敛时间，因而近年来受到广泛的关注，武汉大学研制的珞珈一号低轨卫星具备了播发双频测距信号的能力，成功地演示了低轨卫星卫星导航的可能性。航天科技集团的鸿雁星座，航天科工集团的虹云星座等低轨卫星通信星座都将低轨卫星导航增强列为星座的主要业务之一。低轨通信卫星星座根据业务类型可分为两类：宽带通信业务和窄带物联网业务。其中物联网业务也有定位的需求。另外一方面，通信与导航业务一体化是未来导航的发展趋势，将通信与导航业务在信号层面进行融合能够节约频谱资源，实现一星多用，从而降低卫星运营成本。

通道一体化的关键问题是使得通信信号具备测距功能，从而进行定位，但是使用低轨通信星座进行导航有一个关键的问题需要解决，就是通信星座通常只能保证同一地点至少收到1颗通信卫星的信号而GNSS定位需要至少4颗可见卫星才能定位。

因而，现有的GNSS定位算法不适用于低轨通信卫星定位。历史上也有一些使用低轨卫星进行定位的星座，比如GPS卫星的前身Transit***，但是这些星座都是基于多普勒观测值进行定位，而不是使用距离测量值进行定位的。多普勒测量的精度相对较低，因而基于低轨卫星的多普勒定位***定位性能不佳，逐步被取代。如果低轨通信卫星的信号同时具有定位的功能，将能够满足物联网，人员搜救，物流跟踪等方面的应用，并降低定位成本，具有很好的发展和应用前景。

然而如何使用单颗通信卫星的测距信号实现精确的用户三维坐标计算尚未见到相关的研究。

综上所述，现有技术存在的问题是：

目前卫星定位的基本原理是采用4颗或4颗以上的可见卫星同步观测其测距信号来确定用户的三维坐标和时钟偏差。该方法不适用于低轨卫星和其他近地空间浮空器进行定位。由于低轨卫星轨道较低，信号覆盖范围小，要实现全球信号覆盖则需要发射数百至上千颗卫星，成本高昂。低轨通信星座仅能保障地面通信信号单重覆盖，无法满足传统卫星定位算法的定位条件。因此难以利用低轨通信卫星的信号进行导航定位。

现有定位技术是利用高斯牛顿法迭代法进行定位，高斯牛顿法具有局部收敛性，需要提供近似坐标。对于中高轨卫星而言，卫星距地面2万千米，因此在地面接收机位置未知的条件下，近似坐标取地心仍能满足收敛需求。而低轨卫星距地面仅数百公里，选取地心作为近似坐标导致定位不收敛。

现有的定位技术要求可见卫星的空间几何分布尽量分散。而对单颗卫星而言，其过境期间星下点轨迹近似成一条直线，几何构型不好，导致方程病态或者奇异，现有定位算法无法直接进行定位计算。

现有的低轨卫星定位方法均基于多普勒观测值，多普勒观测值受到测量精度的限制，其噪声通常较大，无法满足高精度单星定位的需求。

现有的卫星导航地面接收机，需要同时跟踪数十甚至上百个卫星通道，定位设备结构复杂，功耗高，不适合低成本小型化的物联网终端设备。

解决上述技术问题的难度：

要解决上述问题，需要针对低轨卫星单星定位的问题设计专门的算法来突破这些难点。单星定位直接解算存在迭代不收敛和方程病态的问题，导致定位结果不稳定，不可靠，甚至无法定位。***实现层面，需要开发专门的测距信号发射器并搭载到低轨卫星上，而且地面需要设计专用接收机来实现测距信号的跟踪。

解决上述技术问题的意义：

使用单颗低轨卫星测距信号实现用户定位是实现低轨卫星通信导航一体化设计的关键问题。通信卫星只要求信号单重覆盖，而导航***则要求信号至少4重覆盖。本发明涉及的定位方法能够使用单重覆盖的通信信号通过距离测量实现用户三维坐标的确定和授时。目前国内外低轨卫星通信星座发展迅速，航天科技集团的鸿雁星座和航天科工集团的虹云星座均由数百颗低轨通信卫星组成。如果通信载荷能够提供测距信息，则可利用低轨卫星通信信号实现地面用户的定位和授时。该方法甚至可以与卫星电话等集成，实现边通信边定位，有较大的发展和应用潜力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法。本发明使用单颗低轨卫星测距信号实现用户三维坐标的确定，可用于基于通信卫星信号的用户位置确定。

本发明是这样实现的，一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法利用非迭代的近似坐标求解方法计算地面接收机的近似三维坐标和接收机钟差，再利用计算地面接收机的近似三维坐标和接收机钟差的结果作为近似值进行迭代计算，求解出用户三维坐标和接收机钟差；

进一步，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法进一步包括：利用多种形式的测距信号进行计算，包括使用测距码，导频码，载波相位，激光，周期性复现的数据帧头和机会信号，用于实现信号发射器与接收机之间距离测量方式。

进一步，所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法具体包括：

步骤一，接收机观测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文或者其他方式获得n个历元对应的低轨卫星坐标以及低轨卫星信号发射器时钟与参考时间***之间的偏差；伪距和载波相位观测值，以及卫星的坐标，钟差作为算法的输入；

步骤二，对于伪距和载波相位的观测值平方的形式表达为:

(r_i-dt)²＝||s_i-x||²；

式中r_i表示伪距和载波相位观测值；对于伪距观测值dt表示接收机钟差，对于载波相位观测值dt表示等价接收机钟差；假设定位期间未发生周跳，则载波相位模糊度参数在定位期间为常数；在近似坐标解算过程中，接收机钟差近似地当做常数，等价接收机钟差参数包括在定位期间不发生变化的钟差和载波相位参数；卫星坐标记做s_i＝[x_i，y_i，z_i]，用户接收机坐标记做x＝[x_r，y_r，z_r]

公式(r_i-dt)²＝||s_i-x||²表达为以下形式：

定义一个扩展的四维向量S_i＝[s_i，P_i]，X＝[x，dt]；定义两个四维向量的洛伦兹积为:

<X·T>＝x₁y₁+x₂y₂+x₃y₃-x₄y₄

那么，式表达为以下的向量形式:

上式简写为：

2AX＝e_n<X·X>+b

式中e_n是一个n×1的向量并且其全部元素均为1；

公式2AX＝e_n<X·X>+b的等式两边都含有未知的参数向量X，不能直接求解；等式2AX＝e_n<X·X>+b右侧的第一项对于所有的观测方程一样，通过观测值间差分来消除；定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1，I_n-1]，那么式2AX＝e_n<X·X>+b表示为：

2DAX＝Db：

步骤三，公式2DAX＝Db利用最小二乘参数估计的方法求解，待求参数为：

步骤四，采用正则化的方法对求出的位置向量X＝[x_r，y_r，z_r，d_t]进行进一步的精化；

步骤五，采用正则化的方法，通过有偏估计来获得稳定的数值解；

步骤六，对式求导得参数的估值为：

式中I为4×4的单位矩阵，L＝r-r₀；

步骤七，利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，利用下式更新参数：

X_i＝X_i-1+dX

式中下标i-1和i表示迭代次数；

步骤八，新完成后，判断求解的参数增量dX是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，终止迭代转向步骤九，否则需要返回步骤四继续迭代计算；在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r₀的计算，并再次求解参数增量dX；

步骤九，迭代收敛后，将求得的参数X向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果。

进一步，步骤四中，正则化的方法包括：

使用钟差线性模型处理接收机钟差，钟差线性模型的参数向量表示为式中为接收机钟差变化率，对应的方程设计矩阵为：

式中t₀，t₁，…t_n为观测时刻。

进一步，步骤五中，正则化解法的估计准则为：

式中α为正则化参数；正则化参数求解方法通过广义交叉检验法计算，计算方法确定广义交叉检验函数的最小值，广义交叉检验函数表示为：

式中，H(α)为正则化参数α的函数，表示为：

H(α)＝A(A^TA+αI)^-1A^T

广义交叉检验函数的最小值通过二分法搜索得到。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***包括：

向地面播发信号的低轨卫星设备；播发调制的测距码，导频码，重复出现的数据帧头特征信息用于测距或者授时；

地面接收机可跟踪解调低轨卫星的测距信号并进行单星定位计算。

进一步，无线电测距信号的发射器搭载平台包括低轨卫星，也可以是无人机或其他浮空器平台；

低轨卫星信号发射器应包含高品质的晶振，晶振类型包括但不限于高稳晶振，芯片级原子钟或原子钟。

进一步，地面接收机配备有普通晶振XO，温补型晶振TCXO或其他高稳定度的晶振。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的全球卫星定位终端。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的全球卫星定位网络平台。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明只需要连续跟踪一颗卫星的信号即可实现定位，接收机的射频前端只需要支持单通道即可，因而结构简单，功耗低，适合低成本小型化的物联网终端设备。

本发明所述的方法原理上适用于所有基于移动信号源测距信号实现接收机定位，不受限于测距信号的调制方式，编码结构等也不受限于移动信号源的运动状态和轨迹，低轨卫星只是其典型应用。

本发明所述的基于测距信号实现定位的方法与多普勒定位技术相比，定位精度更高。由于测距信号可以使用锁相环输出的厘米甚至毫米级精度的载波相位，可实现米级精度定位，而锁频环路输出的多普勒观测值观测噪声较大，通常只能实现百米甚至千米量级的定位精度。

本发明所述的基于测距信号实现定位的方法能够解决初值问题导致的定位不收敛问题，和方程病态导致的定位不稳定的问题，提供精确，连续，可靠的定位结果。

本发明所述的基于测距信号实现定位的方法与基于GNSS***的单星定位方法相比，首次定位时间由若干小时提升至分钟级，对时钟的稳定度要求也降低至普通温补型晶振，成本更低，定位效果更好。

本发明所述的基于测距信号实现定位的方法可同时用于单星授时，授时精度在十纳秒量级，优于基于单颗GNSS卫星授时的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的为基于测距信号的低轨卫星单星定位原理。该图中接收机可跟踪同一颗低轨卫星t₁，t₂，t₃，t₄等四个以上的时刻的测距信号，然后利用本文所述的方法计算精确的接收机位置。

图2是本发明实施例提供的中高轨卫星和低轨卫星定位时的几何关系对比。在近似坐标未知的条件下，如果使用地心做近似值，则中轨卫星近似坐标误差与观测值的比例约为6378：20200≈1：4，而对于低轨卫星而言，近似坐标误差与观测值的比例约为6378：650≈10：1，即近似坐标误差远远大于观测值自身的量级，高斯牛顿法迭代无法收敛。

图3是本发明实施例提供的基于低轨卫星测距信号的单星定位方法流程图。

图4是本发明实施例提供的定位方法仿真计算的结果。

仿真计算采用珞珈一号低轨卫星轨道和武汉作为地面站，该图显示了不同的测距误差水平对定位精度的影响。

图5是本发明实施提供的定位方法仿真计算的结果。仿真计算使用珞珈一号卫星过境弧段轨道，采用载波相位观测值进行用户定位和授时，在中国及周边区域的定位和授时精度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，没有使用单颗低轨卫星测距信号实现用户三维坐标的确定，造成用户位置确定不准确。

为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

本发明采用低轨通信卫星信号实现定位功能中，如何采用单颗LEO卫星的信号计算用户的卫星位置。目前卫星导航卫星定位的基本原理是利用至少四颗可见卫星求解用户三维坐标和用户的接收机钟差。低轨通信卫星通常情况下只能保证地表信号单重覆盖，无法满足导航定位的基本需求。为了解决该问题，本发明提出了利用单颗LEO卫星信号确定用户三维坐标的方法，其原理如图1所示。单星定位的核心是利用多个历元的测距信号联合解算，将单颗卫星当做多颗卫星来用，其前提是对接收机钟差在观测期间可建模。

采用低轨卫星测距码和载波相位进行定位的观测方程可近似地表示为：

P_i＝ρ+c(δt^S-δt^R)+∈_Pi

L_i＝ρ+c(δt^S-δt^R)+λ_iN_i+∈_φi (1)

式中ρ为几何距离δt^S和δt^R分别表示卫星钟差和接收机钟差，λ_l和N_i表示第i个频率的波长和载波相位模糊度。式中卫星坐标和卫星钟差可通过星历获取，接收机钟差和用户坐标可作为参数估计。为了表达简便，卫星轨道误差，对流层延迟，电离层延迟误差和相关的硬件延迟偏差等误差源在数据处理时可利用外部修正或经验模型对其修正。星多历元确定用户位置需要解决两个关键问题:由于非线性误差太大而导致定位迭代不收敛问题和方程病态问题。

为了根据几何距离求解用户坐标可表示为：

该式表示观测值中的几何距离和待求参数x_r,y_r,z_r之间是非线性关系，常用的方法是利用泰勒级数在近似值处展开，如式所示：

式中余项δ表示线性化误差，该项与近似坐标的选取以及ρ的大小有关系在用户坐标未知的条件下，GNSS定位使用高斯牛顿法求解，可将初始坐标设置为零，然后通过3-4次迭代即可收敛至米级定位量级。由于中高轨卫星信号到地面的距离为20000公里以上，地球半径约为6400公里。因此即使初值设为零，其初始位置误差也仅为测量距离的1/3左右。对于低轨卫星而言，其轨道高度为500km-1500km，如果仍将初值设为0的话，初始误差与测量距离误差将达到距离的3-10倍。高斯牛顿法定位具有局部收敛性，初值误差过大的条件导致参数无法收敛至真值附近。

另一方面，确定用户三维坐标的理想条件是卫星在空中均匀分布，在北，东，高三个方向均有一定的变化范围，则相应的坐标分量可观性较好。而低轨卫星的轨道在一定时间内大体是沿同一个方向运动，因此在平面方向上有一个方向精度较好，另一个方向精度相对较差，甚至出现方程奇异或者病态的情况，该条件下如何提升该方向的定位精度，获得稳定，可靠的定位结果存在一定的挑战。

图2是本发明实施例提供的中高轨卫星和低轨卫星定位时的几何关系对比。在近似坐标未知的条件下，如果使用地心做近似值，则中轨卫星近似坐标误差与观测值的比例约为6378：20200≈1：4，而对于低轨卫星而言，近似坐标误差与观测值的比例约为6378：650≈10：1，即近似坐标误差远远大于观测值自身的量级，高斯牛顿法迭代无法收敛。

本发明提供一种实施所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***包括：

向地面播发信号的低轨卫星设备；播发调制的测距码，导频码，重复出现的数据帧头特征信息用于测距或者授时；

地面接收机可跟踪解调低轨卫星的测距信号并进行单星定位计算。

无线电测距信号的发射器搭载平台包括低轨卫星，也可以是无人机或其他浮空器平台；

低轨卫星信号发射器应包含高品质的晶振，晶振类型包括但不限于高稳晶振，芯片级原子钟或原子钟。

地面接收机配备有普通晶振XO，温补型晶振TCXO或其他高稳定度的晶振。

在本发明实施例中，本发明提出一种两步法用于单颗低轨卫星测距信号的定位与授时。第一步是利用一种非迭代近似算法获得可靠的近似坐标，然后再利用正则化的方法对近似坐标进行精化，获得高精度的定位授时结果。具体实施步骤如图3所示：

S101：接收机观测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文或者其他方式获得n个历元对应的低轨卫星坐标以及低轨卫星信号发射器时钟与参考时间***之间的偏差。伪距和载波相位观测值，以及卫星的坐标，钟差作为算法的输入。

S 102：对于伪距和载波相位的观测值其平方的形式可表达为：

(r_i-dt)²＝||s_i-x||²

(4)

式中r_i表示伪距和载波相位观测值。对于伪距观测值dt表示接收机钟差，对于载波相位观测值dt表示等价接收机钟差。假设定位期间未发生周跳，则载波相位模糊度参数在定位期间为常数。在近似坐标解算过程中，接收机钟差可近似地当做常数，因而等价接收机钟差参数包括在定位期间不发生变化的钟差

和载波相位参数。卫星坐标记做s_i＝[x_i，y_i，z_i]，用户接收机坐标记做x＝[x_r，y_r，z_r]

公式(4)可以表达为以下形式：

为了简化表达，本发明定义一个扩展的四维向量S_i＝[s_i，P_i]，X＝[x，dt].定义两个四维向量的洛伦兹积为：

<X·Y>＝x₁y₁+x₂y₂+x₃y₃-x₄y₄

(6)

那么，式(5)可表达为以下的向量形式：

上式可以简写为：

2AX＝e_n<X·X>+b (8)式中e_n是一个n×1的向量并且其全部元素均为1.

公式(8)的等式两边都含有未知的参数向量X，所以该方程不能直接求解。幸运的是，等式(8)右侧的第一项对于所有的观测方程都一样，所以这一项可以通过观测值间差分来消除。定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1，I_n-1]，那么式(8)可以表示为：

2DAX＝Db (9)。

S 103：公式(9)可以利用最小二乘参数估计的方法求解，待求参数为：

该方法是一种近似坐标的求解方法，并不能求得用户坐标的最优解。但是该方法允许一步求解用户坐标，不需要迭代，因而可以避免迭代发散的问题。通常情况下，该方法可以求得几百米至几公里精度的用户近似坐标，这个近似解对于作为高斯牛顿法迭代的初值而言，完全可以满足其精度要求了。

S 104：则采用正则化的方法对第一步求出的位置向量X＝[x_r，y_r，z_r，d_t]进行进一步的精化。正则化的方法流程如下：

根据泰勒公式(3)将测距观测值进行线性化，得到线性***：

v＝A×dX-(r-r₀) (11)式中V示参数估计的残差，A为参数的设计矩阵，dX表示参数X的增量，r表示由n个历元的伪距或者载波相位观测值组成的列向量r₀。表示几何距离和各种误差源的近似值。其中几何距离的初值ρ₀是由第一步非迭代法计算的近似坐标和卫星位置计算得到的，其他的误差源可通过广播星历，经验模型等计算给出。设计矩阵A可具体表示为：

式中ρ_i表示用户到第i个历元时刻卫星坐标的几何距离。

对于地球表面接收站而言，低轨卫星单次过境时间不超过10分钟，而要实现用户三维定位需要卫星的可见弧段足够长，初步试验表明需要至少连续观测300秒左右的测距信号才能保证三维坐标能正确的解出。方程(12)中对应的参数向量为X＝[x_r，y_r，z_r，dt]，仅考虑了一个钟差参数。其默认的假设条件为在定位所需的这一段时间内，接收机的钟差可视作一个常数。然而由于接收机通常使用低成本的温补型晶振，其频率稳定度和频率准确度都不高，因此很多时候使用常数模型估计钟差会引入较大的钟差误差。对于该情况，本发明使用钟差线性模型处理接收机钟差问题，该模型的参数向量表示为式中为接收机钟差变化率，对应的方程设计矩阵为：

式中t₀，t₁，…t_n为观测时刻。该模型对应的正则化解法与方程(12)所述的参数化方法解法相同，但该方法顾及了接收机钟差的变化率，能够更好的吸收接收机钟差误差。

S105：对于卫星单次过境，其星下点轨迹近似地为一条直线，因此利用单轨估计用户的三维坐标方程存在严重的奇异性，甚至接近病态。方程病态的后果是参数估计数值不稳定，观测值上出现小的偏差即会导致参数估值上产生较大的不合理偏差。为了进一步解决方程病态导致的数值问题，本发明采用正则化的方法，通过有偏估计来获得稳定的数值解。正则化解法的估计准则为：

式中α为正则化参数。正则化参数求解方法可通过，广义交叉检验法计算，计算方法为确定广义交叉检验函数的最小值，广义交叉检验函数可表示为：

式中，H(α)为正则化参数α的函数，表示为：

H(α)＝A(A^TA+αI)^-1A^T

(16)

广义交叉检验函数的最小值可通过二分法搜索得到。

S106：对式(14)求导可得参数的估值为：

式中I为4×4的单位矩阵，L＝r-r₀与高斯牛顿法相比，该方法在方程右侧多了一项αI，该项使得法方程的病态性得到一直，求逆的结果变的稳定。

S107：利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，可利用下式更新参数：

X_i＝X_i-1+dX (18)

式中下标i-1和i表示迭代次数。

S108：更新完成后，需判断求解的参数增量dX是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，则可终止迭代转向步骤109，否则需要返回步骤104继续迭代计算。在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r₀的计算，并再次求解参数增量dX。

S109：迭代收敛后，将最后一步求得的参数X向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果。

下面结合仿真实验对本发明作进一步描述。

经初步仿真，利用伪距和载波相位进行低轨卫星单星定位的精度与观测值的精度关系如图4所示。该图仿真了利用珞珈一号卫星导航增强信号，以武汉站为地面接收机时的定位精度。一般情况下，伪距的测量精度为0.3-3米对应的定位精度在几十米量级。载波相位的测量精度在0.003-0.03米之间，对应的定位精度在米级。传统的基于多普勒的低轨卫星定位方法定位精度通常在千米量级。仿真结果显示，无论使用伪距还是载波相位观测值，本发明所述的方法无论使用伪距还是载波相位作为测距观测值，其获得的定位精度均远高于传统的采用多普勒定位的方法。

为验证本发明所涉及的方法的正确性，本发明采用武汉大学珞珈一号卫星轨道数据，采用载波相位观测值信息对中国及周边区域的定位和授时精度进行仿真计算。计算结果如图5所示。该图显示在大部分区域定位的精度都在米级，授时精度大部分区域优于20纳秒。定位精度收地面接收机与卫星的相对几何位置影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，其特征在于，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法利用非迭代的近似坐标求解方法计算地面接收机的近似三维坐标和接收机钟差，再利用地面接收机的近似三维坐标和接收机钟差的结果作为近似值进行迭代计算，求解出用户三维坐标和接收机钟差。

2.如权利要求1所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，其特征在于，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法进一步包括：对多种形式的测距信号进行计算，实现信号发射器与接收机之间距离测量，多种形式的测距信号包括使用测距码，导频码，载波相位，激光，周期性复现的数据帧头和机会信号。

3.如权利要求1所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，其特征在于，所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法具体包括：

步骤一，接收机观测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文获得n个历元对应的低轨卫星坐标以及低轨卫星信号发射器时钟与参考时间***之间的偏差、伪距和载波相位观测值，以及卫星的坐标；

步骤二，对伪距和载波相位的观测值平方的进行表达：

(r_i-dt)²＝||s_i-x||²；

式中r_i表示伪距和载波相位观测值；伪距观测值dt表示接收机钟差，载波相位观测值dt表示等价接收机钟差；卫星坐标记做S_i＝[x_i，y_i，z_i]，用户接收机坐标记做x＝[x_r，y_r，z_r]；公式(r_i-dt)²＝||s_i-x||²表达为：

定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1，I_n-1]，式2AX＝e_n<X·X>+b表示为：

2DAX＝Db；

步骤三，公式2DAX＝Db利用最小二乘参数估计的方法求解，待求参数为：

步骤四，采用正则化的方法对求出的位置向量X＝[x_r，y_r，z_r，dt]进行进一步的精化；

步骤五，采用正则化的方法，通过有偏估计获得稳定的数值解；

步骤六，对式求导得参数的估值：

式中I为4×4的单位矩阵，L＝r-r₀；

步骤七，利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，利用下式更新参数：

X_i＝X_i-1+dX；

式中下标i-1和i表示迭代次数；

步骤八，更新完成后，判断求解的参数增量dX是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，终止迭代转向步骤九，否则需要返回步骤四继续迭代计算；在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r₀的计算，并再次求解参数增量dX；

步骤九，迭代收敛后，将求得的参数X向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果。

4.如权利要求3所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，其特征在于，步骤四中，正则化的方法包括：使用钟差线性模型处理接收机钟差，钟差线性模型的参数向量表示为X＝[x_r，y_r，z_r，dt，dt]；式中dt为接收机钟差变化率，对应的方程设计矩阵为：

式中t₀，t₁，…t_n为观测时刻。

5.如权利要求3所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法，其特征在于，步骤五中，正则化解法的估计准则为：

式中α为正则化参数；正则化参数求解方法通过广义交叉检验法计算，计算方法确定广义交叉检验函数的最小值，广义交叉检验函数表示为：

式中，H(α)为正则化参数α的函数，表示为：

H(α)＝A(A^TA+αI)^-1A^T；

广义交叉检验函数的最小值通过二分法搜索得到。

6.一种实施权利要求1所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***，其特征在于，所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***包括：

向地面播发无线电测距信号的信号发射器，信号发射器搭载在低轨卫星平台或者空间飞行器平台上；

地面接收机，用于跟踪解调低轨卫星的测距信号并进行单星定位计算。

7.如权利要求6所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***，其特征在于，无线电测距信号的发射器搭载平台包括低轨卫星，或为无人机或浮空器平台；

信号发射器包括晶振，晶振包括但不限于高稳晶振，芯片级原子钟或原子钟。

8.如权利要求6所述的基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时***，其特征在于，地面接收机配备有普通晶振XO，温补型晶振TCXO或高稳定度的晶振。

9.一种实施权利要求1所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的全球卫星定位终端。

10.一种实施权利要求1所述基于低轨卫星无线电测距信号的单星定位与授时方法的全球卫星定位网络平台。