北斗廣義RDSS 定位服務性能分析

王丹丹， 魏春苗， 許 磊， 楊再秀

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081； 2.32034 部隊， 四川 成都 610500）

引言

北斗RDSS 定位起源于北斗一代衛星導航系統，根據陳芳允院士提出的雙星定位技術方案[1]，實現了我國衛星導航系統的自主可控，并成功應用于北斗二代、北斗三代衛星導航系統[2]，可充分作為RNSS 定位的補充和備份，為用戶提供自身定位能力[3]。由于依據雙星定位計算獲得的是二維定位數據，北斗RDSS定位依賴于地理高程庫得到用戶完整的三維位置。對于區域性或國內領土范圍內的用戶，由于測控中心存儲著高精度的高程數據，可以獲得精度較高的定位結果。但隨著北斗衛星導航系統正式開通，服務區域由亞太地區擴展到全球范圍，北斗系統很難獲得全球地區的高精度高程數據[4]。這就亟需一種擺脫地理高程庫約束的定位方式實現全球范圍內的RDSS 定位。

北斗廣義RDSS 定位克服了北斗RDSS 定位依賴高精度高程數據的限制[5]，利用三顆衛星結合RDSS業務和RNSS 業務，完成用戶位置確定[6]。本文將介紹北斗廣義RDSS 定位的基本原理，并對其服務性能進行驗證分析。

1 北斗RDSS 定位原理

北斗RDSS 定位即雙星定位，定位系統包括兩顆地球靜止衛星、用戶和測量控制中心（measurement control center，MCC）三部分。雙星定位的具體工作過程如下：MCC 通過兩顆地球靜止衛星向用戶播發連續出站信號；用戶收到出站信號后，根據協議在指定時刻發射定位申請突發入站信號，經過衛星中轉傳送到MCC；MCC 接收到入站信號后，根據信號的時間延遲，計算出測量信號經MCC→衛星→用戶→衛星→用戶的雙向傳遞時間，并由此計算出MCC→衛星→用戶的距離，由于MCC→衛星的距離已知，即可得到用戶和衛星的距離；根據上述方法計算兩顆衛星與用戶的距離，在MCC 存儲的地理高程庫中查找符合條件的用戶設備所在大地高，得到用戶坐標；MCC 將用戶坐標信息經衛星發送給用戶，完成一次定位業務。

2 北斗廣義RDSS 定位原理

北斗廣義RDSS 定位的系統組成包括三顆衛星、用戶和MCC。其中一顆衛星為無線電定位（radio determination，RD）GEO 衛星，搭載RDSS 和RNSS 業務有效載荷，提供RDSS 和RNSS 業務兩種導航信號；其余兩顆衛星需符合搭載RNSS 業務有效載荷，提供RNSS 業務導航信號，如圖1 所示。

北斗廣義RDSS 定位屬于RDSS 業務與RNSS 業務的結合，衛星到用戶的RNSS 業務導航參數測量和用戶位置計算由用戶終端完成；衛星到用戶的RDSS業務導航參數測量和用戶位置解算由MCC 完成。用戶終端需測量出GEO 衛星RNSS 信號與其它衛星RNSS 信號的時差，然后通過搭載RDSS 載荷的GEO衛星向MCC 發射攜帶時差信息的廣義RDSS 定位入站申請信號，MCC 對該信號進行測量，計算出用戶位置，并通過廣義RDSS 定位出站信號反饋給用戶。

3 北斗廣義RDSS 定位算法

根據北斗廣義RDSS 定位原理，通過觀測RD 衛星建立一個RDSS 業務、一個RNSS 業務觀測方程；通過觀測兩個RN 衛星建立兩個RNSS 業務觀測方程，由公式（1）給出：

式中：s1衛星搭載RDSS 和RNSS 業務有效載荷，s2和s3衛星搭載RNSS 業務有效載荷；Pu，s1RN、Pu，s2RN和Pu，s3RN為用戶到衛星s1、s2和s3的RNSS 偽距觀測量；t1為衛星s1廣播的RDSS 業務出站信號時刻；t2為衛星s1接收用戶RDSS業務入站信號時刻；（x，y，z）為用戶位置坐標；（xsi，ysi，zsi）（i=1，2，3）為衛星位置坐標；δt為用戶鐘差。

將距離方程轉化為時間方程，得到衛星si（i=1，2，3）到用戶的傳輸時延方程tiu，如公式（2）所示：

式中：T0為MCC 經RD 衛星至用戶的雙向傳輸時延，由MCC 獲得；t0為MCC 到RD 衛星的傳輸時延。用戶根據式（1）、式（2）將計算得到的兩個時差值?、?通過入站鏈路發送給MCC，MCC 根據衛星星歷、鐘差、電離層校正參數和用戶觀測量，完成對?、?的修正，進而得到三顆衛星到用戶的距離，從而計算出用戶位置，并通過出站鏈路將用戶位置信息發送給用戶。

由上可見，廣義RDSS 定位無需高程數據輔助，用戶僅需測量時差值，即可實現用戶定位，設計簡單操作簡便。

4 北斗廣義RDSS 定位服務性能

4.1 數據處理方法

為了評估北斗二號RDSS 定位、北斗三號RDSS定位、北斗三號廣義RDSS 定位的服務性能，利用4個測站的監測接收機進行三種定位申請，4 個測站的坐標參數如表1 所示。用戶機數據拷機時長均為24 h，數據間隔為1 s，三種定位申請采用循環入站方式，入站間隔為每5 s 一次。

表1 四個測站位置坐標

4.2 數據處理結果

北斗二號RDSS 定位要求定位精度優于水平20m；北斗三號RDSS 定位要求定位精度水平20 m；北斗三號廣義RDSS 定位要求定位精度水平10 m、高程10 m。根據4 個測站的拷機結果，整理出三種定位方式的定位精度如表2 所示。其中每種定位的定位精度均滿足指標要求，但從整體看來，北三廣義RDSS 定位精度優于北三RDSS，北三RDSS 定位精度優于北二RDSS。除此之外，北三廣義RDSS 定位不依賴于高程數據庫，對定位高程精度亦可作出衡量。

表2 定位精度結果統計表m

對本地測站(東經114°，北緯38°)的數據進行分析，以經度、緯度、高程的真實值為參考，繪制北二RDSS 定位、北三RDSS 定位、北三廣義RDSS 定位三種定位方式的經度、緯度、高程隨時間的變化曲線，如圖2 所示。其中紅色實線代表的是北二RDSS 定位結果，藍色“O”實線代表的是北三RDSS 定位結果，綠色“米”實線代表的是北三廣義RDSS 定位結果，黑色“十”虛線代表的是真實值。

從圖中曲線可以看出，三種RDSS 定位方式的定位結果中，北三廣義RDSS 定位的定位經度、緯度與真實值更相近。對于定位高程如下頁圖2-3 所示，北二RDSS 定位和北三RDSS 定位的定位高程結果為一直線，由測控中心取自數字高程庫中的一個固定值，無法對高程進行衡量，而北三廣義RDSS 定位的高程與真實的高程大致相同，可對高程進行衡量。

5 結論

1）北斗廣義RDSS 定位相較北斗RDSS 定位而言，增加了一個衛星的RNSS 業務觀測方程，無需高程輔助，只需用戶填寫測量時差，實現簡單；

2）北斗廣義RDSS 定位的定位精度小于10 m，優于北二RDSS 定位和北三RDSS 定位，與真實值最為相近，且能對定位高程精度進行衡量。

3）北斗廣義RDSS 定位兼具RNSS 和RDSS 業務特點，在實際應用中可使用GNSS 開放信號作為RNSS 信號，能夠提供全球范圍內的定位服務，具有廣闊的應用前景。