北斗三號RDSS區域授時偏差監測評估方法研究

郭曉松，張樹強，陳 亮，杜 丹，劉常旭

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸裝駐石家莊地區第一代表室，河北 石家莊 050081）

1 研究背景

北斗衛星導航系統已于2020年7月正式開通全球服務，向廣大用戶提供基本導航、星基增強、區域短報文等服務。

北斗三號全球衛星導航系統可以提供無源服務模式RNSS（Radio Navigation Satellite Service），也可以提供有源服務模式RDSS（Radio Determination Satellite Service）。其中，RDSS服務所具備的通信導航融合功能是我國北斗衛星導航系統的重要特色之一。北斗三號RDSS服務不僅能夠提供基于GEO衛星的短報文、位置報告等服務，還可以提供定位報告、單向定時、雙向定時服務等，已廣泛應用于通信、交通、電力等行業中，并且隨著物聯網、智慧城市等新技術的發展，RDSS將有機會得到更進一步的應用。

近年來，國內外學者在北斗授時監測方面開展了相應研究[1-6]，但在上述北斗授時監測研究中，在區域授時偏差監測方面有所欠缺。因此，本文提出的北斗三號RDSS區域授時偏差監測評估主要是對區域內北斗三號RDSS單向授時、雙向授時性能進行監測和評估，可以在有限數量授時監測站的條件下，實現區域授時精度監測與用戶授時偏差預測，并為該區域內的RDSS單雙向授時用戶提供參考，便于用戶更好地適應不同場景下的使用需求。

2 RDSS單向授時基本原理

北斗RDSS單向授時是通過RDSS衛星（GEO衛星）轉發的信號實現的，接收設備解析出站電文，同時測量從中心站到接收終端的偽距，由于信號經過地面中心站至衛星（上行信號），衛星至接收終端（下行信號）的空間傳播，不可避免地受到各種信號傳輸誤差的影響，因此終端測量偽距后，需根據解析的廣播信息和測量信息，對偽距進行修正，消除星歷誤差、大氣時延、地球自轉效應、設備單向零值時延等誤差的影響。

北斗單向授時的用戶接收機位置精確已知，用戶接收衛星每一分鐘廣播的授時幀信息，利用其中的天、時、分、秒等時間信息以及衛星的相對位置進行授時信息解算。單向授時的計算表達式如式（1）所示。

式中，ρ為接收機測量的出站信號偽距；單向為出站信號的正向傳輸時延；t單向零值為接收機的單向零值；t1為地面系統至衛星的上星時延以及該路徑上對流層和電離層的折射修正值，由中心控制系統計算，通過出站信號發給用戶；t2為衛星至用戶機的星地時延以及該路徑上對流層和電離層的折射修正值，由用戶機根據廣播電文進行計算；為地球自傳修正。

由于RDSS單向授時受到衛星星歷誤差、電離層和對流層延遲誤差、中心站發射設備時延誤差、用戶接收設備時延誤差等因素影響，一般RDSS單向授時精度在幾十納秒左右。

3 RDSS雙向授時基本原理

RDSS雙向授時基本示意圖如圖1所示。

圖1 RDSS雙向授時基本流程

北斗三號RDSS雙向授時方法，主要是通過中心站接收RDSS用戶機發送的RDSS入站信號測量得到的往返四程測距，計算出中心站到用戶的正向傳播時延，再將該正向傳播時延通過RDSS鏈路發送給RDSS用戶機，由用戶機進行修正授時，從而獲得雙向授時結果。RDSS雙向授時的基本原理如圖2所示。

圖2 RDSS雙向授時原理圖

地面中心1PPS代表地面中心站BDT時間信號的某一整秒時刻，監測接收機1PPS代表用戶本地時鐘的某一整秒時刻。如果用戶接收到地面中心站播發的第幀詢問信號，并測出第n幀詢問信號的參考時標語本地種1PPS的時間間隔；同時，用戶立刻向中心站發射響應信號，中心站測出第n幀信號的往返時間，并計算得出該信號由中心站發出至用戶接收到的正向傳播時延，再將該時延發送至用戶，由其進行修正，即可得到用戶時鐘與BDT的時差。

RDSS雙向授時的計算表達式如式（2）所示。

4 授時偏差監測的基本流程

授時精度評估方程一般如式（3）表達。

式中，UTE為用戶授時誤差；UERE為用戶等效距離誤差；TDOP為時差影響因子；C為光速（m/s）。

UERE可 體現星歷和星鐘、電離層、對流層、多路徑和接收機噪聲誤差等多方面的影響，結合TDOP，可比較全面地反應用戶授時誤差。授時偏差監測的基本流程如圖3所示。

圖3 授時性能監測流程

（1）獲取T0時刻各RDSS授時監測站的原始觀測量和導航電文等信息。

（2）結合各RDSS授時監測站的精確坐標，計算其授時偏差與時差影響因子。

（3）計算各監測站的用戶等效距離誤差。

基于監測站實測數據，可獲取TDOP實測，同時基于原始觀測數據及電文等數據，實現監測站授時性能計算，則可獲取本地授時誤差UTE實測，通過計算可以獲取。

（4）選取區域范圍內的特征點，并基于有限網格的態勢預測方法，獲取特征點的授時偏差、用戶等效距離誤差及置信度。

（5）綜合各特征點授時偏差與置信度，計算出區域RDSS授時偏差性能。

（6）判斷是否停止監測過程，若停止，則結束監測流程；反之，則令T0=T0+1，進行下一刻授時監測過程，從而實現實時連續授時監測。

式中，fn為各監測站的統計權重值，受距離影響，隨著距離的增加，其權重值變小，設Dis為距離上限值，單位為km，fn的計算方式如式（7）所示。

5 網格化授時偏差預測模型

本文所提出的網格化區域授時偏差預測模型的基本流程如圖4所示。

圖4 網格化區域授時偏差預測流程

（1）結合區域范圍，獲取特征點，以固定距離為間隔，將監測區域劃分為n×m個網格，其中，n為該區域的橫向跨度，m為該區域的縱向跨度，每個網格的西南角的位置為表征點。

計算各特征點距離各授時監測站的距離Lmn，其計算過程如式（5）所示。

（4）計算特征點授時時差預測值，其計算過程如式（10）所示。

基于上述過程，則可以獲取區域范圍內均勻分布的格網點的授時偏差預測值、用戶等效距離誤差、置信度，用戶可基于上述結果，進行差分擬合，計算任意點的授時性能偏差。

6 結束語

北斗衛星導航系統已向廣大用戶提供基本導航、星基增強、區域短報文等服務，尤其是RDSS單雙向授時服務，為多個行業提供了便利。本文首先分析了RDSS單向授時、雙向授時原理，總結了北斗三號RDSS授時服務的特點，提出了北斗三號RDSS區域授時偏差監測評估方法，并設計了網格化區域授時偏差預測流程。通過本文所提出得方法，可以在有限數量授時監測站的條件下，實現區域授時精度監測與用戶授時偏差預測。

在以后的工作中，通過監測站實測數據進行驗證，并優化本文所提方法，為用戶提供更好的提供授時監測評估產品。■