北斗三号RDSS区域授时偏差监测评估方法研究

郭晓松，张树强，陈 亮，杜 丹，刘常旭

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.陆装驻石家庄地区第一代表室，河北 石家庄 050081）

1 研究背景

北斗卫星导航系统已于2020年7月正式开通全球服务，向广大用户提供基本导航、星基增强、区域短报文等服务。

北斗三号全球卫星导航系统可以提供无源服务模式RNSS（Radio Navigation Satellite Service），也可以提供有源服务模式RDSS（Radio Determination Satellite Service）。其中，RDSS服务所具备的通信导航融合功能是我国北斗卫星导航系统的重要特色之一。北斗三号RDSS服务不仅能够提供基于GEO卫星的短报文、位置报告等服务，还可以提供定位报告、单向定时、双向定时服务等，已广泛应用于通信、交通、电力等行业中，并且随着物联网、智慧城市等新技术的发展，RDSS将有机会得到更进一步的应用。

近年来，国内外学者在北斗授时监测方面开展了相应研究[1-6]，但在上述北斗授时监测研究中，在区域授时偏差监测方面有所欠缺。因此，本文提出的北斗三号RDSS区域授时偏差监测评估主要是对区域内北斗三号RDSS单向授时、双向授时性能进行监测和评估，可以在有限数量授时监测站的条件下，实现区域授时精度监测与用户授时偏差预测，并为该区域内的RDSS单双向授时用户提供参考，便于用户更好地适应不同场景下的使用需求。

2 RDSS单向授时基本原理

北斗RDSS单向授时是通过RDSS卫星（GEO卫星）转发的信号实现的，接收设备解析出站电文，同时测量从中心站到接收终端的伪距，由于信号经过地面中心站至卫星（上行信号），卫星至接收终端（下行信号）的空间传播，不可避免地受到各种信号传输误差的影响，因此终端测量伪距后，需根据解析的广播信息和测量信息，对伪距进行修正，消除星历误差、大气时延、地球自转效应、设备单向零值时延等误差的影响。

北斗单向授时的用户接收机位置精确已知，用户接收卫星每一分钟广播的授时帧信息，利用其中的天、时、分、秒等时间信息以及卫星的相对位置进行授时信息解算。单向授时的计算表达式如式（1）所示。

式中，ρ为接收机测量的出站信号伪距；单向为出站信号的正向传输时延；t单向零值为接收机的单向零值；t1为地面系统至卫星的上星时延以及该路径上对流层和电离层的折射修正值，由中心控制系统计算，通过出站信号发给用户；t2为卫星至用户机的星地时延以及该路径上对流层和电离层的折射修正值，由用户机根据广播电文进行计算；为地球自传修正。

由于RDSS单向授时受到卫星星历误差、电离层和对流层延迟误差、中心站发射设备时延误差、用户接收设备时延误差等因素影响，一般RDSS单向授时精度在几十纳秒左右。

3 RDSS双向授时基本原理

RDSS双向授时基本示意图如图1所示。

图1 RDSS双向授时基本流程

北斗三号RDSS双向授时方法，主要是通过中心站接收RDSS用户机发送的RDSS入站信号测量得到的往返四程测距，计算出中心站到用户的正向传播时延，再将该正向传播时延通过RDSS链路发送给RDSS用户机，由用户机进行修正授时，从而获得双向授时结果。RDSS双向授时的基本原理如图2所示。

图2 RDSS双向授时原理图

地面中心1PPS代表地面中心站BDT时间信号的某一整秒时刻，监测接收机1PPS代表用户本地时钟的某一整秒时刻。如果用户接收到地面中心站播发的第帧询问信号，并测出第n帧询问信号的参考时标语本地种1PPS的时间间隔；同时，用户立刻向中心站发射响应信号，中心站测出第n帧信号的往返时间，并计算得出该信号由中心站发出至用户接收到的正向传播时延，再将该时延发送至用户，由其进行修正，即可得到用户时钟与BDT的时差。

RDSS双向授时的计算表达式如式（2）所示。

4 授时偏差监测的基本流程

授时精度评估方程一般如式（3）表达。

式中，UTE为用户授时误差；UERE为用户等效距离误差；TDOP为时差影响因子；C为光速（m/s）。

UERE可 体现星历和星钟、电离层、对流层、多路径和接收机噪声误差等多方面的影响，结合TDOP，可比较全面地反应用户授时误差。授时偏差监测的基本流程如图3所示。

图3 授时性能监测流程

（1）获取T0时刻各RDSS授时监测站的原始观测量和导航电文等信息。

（2）结合各RDSS授时监测站的精确坐标，计算其授时偏差与时差影响因子。

（3）计算各监测站的用户等效距离误差。

基于监测站实测数据，可获取TDOP实测，同时基于原始观测数据及电文等数据，实现监测站授时性能计算，则可获取本地授时误差UTE实测，通过计算可以获取。

（4）选取区域范围内的特征点，并基于有限网格的态势预测方法，获取特征点的授时偏差、用户等效距离误差及置信度。

（5）综合各特征点授时偏差与置信度，计算出区域RDSS授时偏差性能。

（6）判断是否停止监测过程，若停止，则结束监测流程；反之，则令T0=T0+1，进行下一刻授时监测过程，从而实现实时连续授时监测。

式中，fn为各监测站的统计权重值，受距离影响，随着距离的增加，其权重值变小，设Dis为距离上限值，单位为km，fn的计算方式如式（7）所示。

5 网格化授时偏差预测模型

本文所提出的网格化区域授时偏差预测模型的基本流程如图4所示。

图4 网格化区域授时偏差预测流程

（1）结合区域范围，获取特征点，以固定距离为间隔，将监测区域划分为n×m个网格，其中，n为该区域的横向跨度，m为该区域的纵向跨度，每个网格的西南角的位置为表征点。

计算各特征点距离各授时监测站的距离Lmn，其计算过程如式（5）所示。

（4）计算特征点授时时差预测值，其计算过程如式（10）所示。

基于上述过程，则可以获取区域范围内均匀分布的格网点的授时偏差预测值、用户等效距离误差、置信度，用户可基于上述结果，进行差分拟合，计算任意点的授时性能偏差。

6 结束语

北斗卫星导航系统已向广大用户提供基本导航、星基增强、区域短报文等服务，尤其是RDSS单双向授时服务，为多个行业提供了便利。本文首先分析了RDSS单向授时、双向授时原理，总结了北斗三号RDSS授时服务的特点，提出了北斗三号RDSS区域授时偏差监测评估方法，并设计了网格化区域授时偏差预测流程。通过本文所提出得方法，可以在有限数量授时监测站的条件下，实现区域授时精度监测与用户授时偏差预测。

在以后的工作中，通过监测站实测数据进行验证，并优化本文所提方法，为用户提供更好的提供授时监测评估产品。■