8.1.3 导航与位置服务
全球卫星导航系统(GNSS)是攸关国家经济、社会和信息安全的重大技术系统和战略基础设施，在国家安全、经济发展和社会民生中具有举足轻重的地位。2000年，我国建立北斗导航区域试验系统，成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，大国之间对“导航信号控制权”、“位置信息控制权”以及“定位导航授时基准体系控制权”的国际竞争日趋激烈。在近十年，针对北斗系统建设和应用的一系列核心技术问题，刘经南院士带领团队从整体方案设计、关键技术突破、系统应用服务各方面，引入了一系列相关的新思路、新方法、新技术，解决了广域与区域融合、导航卫星轨道与钟差实时精确修正、高精度终端集成定位等难题，极大地支撑了我国北斗系统应用及位置服务产业的发展。
1.广域实时精密定位
卫星定轨精度直接影响卫星导航系统定位导航授时性能、对地观测卫星遥感影像的定位精度，是长期以来导致我国遥感对地观测卫星影像几何定位精度低的重要原因之一。针对国际上多卫星导航系统(GPS/GLONASS/Galileo/北斗系统)共存和兼容互操作的必然趋势，提出了多导航系统融合精密定轨中统一的时空基准、物理模型参数的估计理论方法，以及多导航观测系统选权策略、系统误差消除与估计方法；设计并实现了导航卫星实时精密轨道处理软件系统，该系统对GPS卫星实时定轨精度优于5cm、GLONASS卫星优于10cm、北斗卫星(径向)优于10cm。卫星实时定轨技术为我国资源三号、海洋二号卫星精密定轨和未来我国编队INSAR卫星相对精密定轨提供了支撑。同时，基于上述卫星精密定轨理论与方法，实现了嫦娥一号多源数据的高精度精密定轨，获得月球的动力学参数解算结果，提出了火星探测器精密定轨的时间和坐标系统转换方法，为我国深空探测导航服务奠定了技术基石。
GNSS实时精密定位数据处理系统存在两条技术途径:一是在国家级、洲际甚至全球的基于广域增强信息的精密单点定位技术；二是基于区域基准站基线网的网络RTK定位技术。为了解决一套系统两种技术服务体系导致地面基准站网资源的利用效率低下的问题，将GNSS精密定位服务从专业应用领域向大众消费领域拓展，实现“全国一张网、无缝统一服务”的目标，提出了多GNSS系统广域与区域融合的数据处理理论方法，研制了我国具有完全自主知识产权的广域实时精密定位数据处理系统，解决了我国现有省市连续运行基准站网系统不能全国统一无缝服务的难题，打破了国外垄断。
2.北斗地基增强系统和北斗国际试验网
2004年我国正式启动北斗卫星导航系统重大科技专项，研制建设中国第二代卫星导航系统，过去的十年，也是北斗卫星导航系统建设的黄金十年。自2011年起，通过在国内外建立由20个跟踪站组成的北斗/GNSS连续观测网络——北斗国际试验网，实现了卫星自主导航技术、广域差分体制、卫星“动转零”精密定轨机理、下行电文精密测定评估技术、卫星天线相位中心标定、低轨卫星监测站增强体制设计等关键技术的重要突破，有力地支撑了全球连续监测评估系统(iGMAS)的论证、设计和建设，显著提升了系统的连续性和可靠性，并首次验证了北斗卫星导航的系统精密定位服务能力，为系统从“可用”到“好用”的转变发挥了重要作用，解决了北斗系统建设、海外站观测资源不足的问题。
通过攻克北斗定位中特有的三频模糊度固定难题，提高了北斗网络RTK精密定位收敛速度，首次实现了北斗厘米级实时动态和米级差分导航定位，并研制了北斗厘米级RTK算法和软件。并基于此建立了我国第一个北斗地基增强示范系统和海外第一个北斗地基增强示范系统，首次实现了北斗厘米级实时动态和米级差分导航定位，由此推动了国家北斗地基增强系统重大项目的立项。
3.室内外一体化导航
在北斗/GNSS、移动通信、互联网和卫星通信系统等技术的支撑下，北斗逐步走进公众导航与位置服务领域。然而，解决个人移动终端室内外定位依然存在着“最后一公里”的问题。为了实现室内外无缝定位，通过融合广域实时精密定位、室内定位等技术和全息位置地图技术，提出了广域室内外高精度定位导航的羲和系统的总体方案，为实现室内外协同实时精密定位、提高室外卫星导航系统定位精度奠定了基础。
针对现有导航地图服务在室内外一体化表达模型与导航算法方面的不足，建立了语义位置表达模型、基于实景显著性的室内外行人导航模型，提出了一系列针对特殊场景的导航算法，实现了室内外环境中复杂空间语义的统一描述与室内外一体化导航。针对全息位置地图室内外、地上下、全球无缝可视化问题，提出了一种多源多尺度数据的混合索引与管理模式，实现全球与局部、室内与室外、地上与地下空间视觉上的无缝漫游。同时，将不同类型的各种泛在信息与空间位置或实体对象关联，在漫游过程中，主动将关联信息选择性地推送给用户，实现用户对空间位置及关联信息的全方位掌控，有力支撑了室内外一体化导航定位与应用服务。通过编制并发布了《羲和系统技术规范:GNSS广域实时精密定位数据处理技术规范》等多个行业规范，研制了广域高精度主动安全车联网示范原型系统、羲和米级高精度定位智能手机原型系统、全息位置地图平台原型软件，并在动态警务指挥研判与快出警等公众服务领域得到应用。(https://www.daowen.com)
4.星载GPS实时自主定轨
高精度实时自主定轨是提高低轨卫星自主运行性能的一项关键技术，不仅可以大大增强低轨卫星的自主操作性能，而且不需要地面测控系统的支持和维护，大幅降低卫星的运行成本。通过与高分辨率对地观测技术相结合，可以实现对地球表面及其自然灾害的实时动态监测。
星载GPS实时定轨是指低轨卫星实时在轨处理星载GPS接收机的伪距、载波相位观测数据，获取低轨卫星的精确卫星位置、速度和时间等状态参数，并提供给其他星上载荷如姿态控制系统和对地观测数据采集系统，实现低轨卫星的自主运行。经过多年的深入研究和技术攻关，在充分考虑星载GPS接收机内部处理器计算性能有限的条件下，结合低轨卫星的轨道动力学模型，推导出高度稳定的自主定轨卡尔曼滤波数学模型，成功研制出星载GPS自主定轨软件SATODS。利用多年的CHAMP卫星、GRACE卫星和SAC-C卫星以及我国的资源三号和海洋二号卫星的实测GPS数据的自主定轨数据处理，在没有地面GPS增强系统或GPS精密轨道与钟差的支持下，可以获得亚米级的位置精度和亚毫米/秒的速度精度(3dRMS)。通过与相关航天单位合作，该软件已经移植到我国自主研制的星载GPS接收机内，打破了国外对我国星载GPS接收机和实时定轨技术的封锁，实现我国低轨卫星的实时高精度自主定轨。
5.分布式导航卫星自主定轨
导航星座自主定轨是卫星导航系统在没有地面站支持的情况下实现广播星历的自主更新，提高卫星导航系统的抗摧毁能力，增强卫星导航系统的战时生存能力。因此，美国早在20世纪80年代提出“GPS卫星自主导航”的概念，通过研究并逐步实现GPS卫星的自主导航。在国家“863”计划与北斗专项的资助下，经过深入的理论研究和技术攻关，提出了基于星间测距数据的分布式导航卫星自主定轨理论与方法，成功突破了限制星座整体旋转误差累积和分布式导航卫星自主定轨的参数估计等关键技术，研制了具有自主知识产权的分布式导航卫星自主定轨的软件平台，并应用于北斗卫星的自主导航。2015年7月，我国发射的新一代北斗卫星已成功搭载星间链路载荷，实现卫星间的相互测距与数据通信，并开展自主导航的试验工作。北斗卫星全球系统通过自主导航，有效提高星座运行的自主性能，减少对地面站的依赖，有效降低系统的运行管理成本。
6.精密动态/静态单点定位
针对传统相对GPS高精度定位依赖地面基准站的固有缺陷，围绕GNSS精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)理论、技术和方法，突破了静态和动态GNSS单机厘米级定位中的数据预处理、快速初始化及非差模糊度固定等系列关键技术，在此基础上，发展了PPP整周模糊度解算的理论和方法；提出了利用CORS网增强PPP的概念和方法，通过引入附加先验大气延迟改正约束信息辅助非差模糊度解算，可单历元固定非差整数模糊度，解决了非差模糊度的快速固定难题，实现了PPP模式的RTK定位原型系统；在国际上率先向全球PPP用户免费发布了与IGS精密轨道和钟差产品兼容的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，显著提高了PPP定位的可靠性、缩短了定位收敛时间，拓展了PPP技术的适用性等，率先在我国研制出一套能进行工程化应用的PPP综合数据处理软件系统(TriP)，软件具有静/动态定位、测速、授时和低轨卫星定轨等功能，形成了从双频到单频，单系统到多系统，静态到动态，事后到实时，浮点解到固定解的一整套精密单点定位的理论方法和技术体系。成果丰富并发展了GNSS精密定位的理论和方法，解决了大范围、困难偏远地区精密定位实施难、成本高、效率低的问题，为海、陆、空、天的单机高精度定位提供了有效的技术方法。该成果已应用于格陵兰冰盖航空测量实践中，解决了困扰丹麦空间研究中心多年的技术难题，得到了丹麦空间研究中心的高度评价；应用于“西部测图”国家重大测绘工程、玉树地震救灾及灾后重建工程中，解决了上述项目中缺乏地面控制点的难题；已推广应用于国家地理信息中心、北京四维远见信息技术有限公司、国家海洋局第二海洋研究所、海军海洋测绘研究所等国内外数十家单位工程实践中。其中，利用精密单点定位技术和TriP软件获取摄站和地面点像控坐标进行GPS辅助空三技术，已经成为了SWDC航摄仪的标准作业方式，在大地测量、海洋测绘、航空摄影测量等诸多领域得到了广泛应用，大大推动了相关行业的科技进步。
7.GNSS高精度定位、测速和测姿
GNSS技术可提供精确的位置、速度、姿态和时间等信息，在测绘、国土、农业、交通运输等国民经济建设和舰载机的着舰、舰队管理、战场指挥、空中加油、编队飞行、武器装备试验等国防安全领域中具有广阔的应用前景。针对高精度的GNSS动态定位、测速和测姿的迫切应用需求，面向我国北斗卫星导航系统(BDS)，兼容GPS、Galileo、GLONASS多系统兼容并存的趋势，深入研究了多频GNSS高精度相对定位的理论方法，突破了动态复杂环境下的周跳探测及修复、多频高维模糊度的快速可靠固定、多卫星导航定位系统组合精密定位模型、动态定位测速和测姿数学模型的精化和质量控制等关键技术，提出了顾及电离层变化的伪距相位组合的三频周跳探测修复方法、基于网格理论的分块LLL、部分尺度规约的贪心LLL和交叉排序等一系列切实可行的规约算法、可靠的多频模糊度的单历元解算方法，建立了多频GNSS相对定位的技术体系，并基于算法研究成果及多年的数据处理经验，设计并研制了具有自主知识产权的GNSS高精度相对定位、测速和测姿软件KinPOS，可满足静态或动态定位及实时或事后定位等多方面的应用需求，实现毫米至分米级的高精度定位，已被多家国防和企事业单位成功应用于飞机动态定位、姿态测量、动态目标监控、变形监测等场合。研究成果丰富了卫星导航数据处理理论，为推动北斗系统的在测绘、导航及相关领域的应用奠定了技术基础，也有助于我国逐步摆脱在精密动态定位技术上长期受制于人的被动局面。