辛潔,劉帥,常志巧,時鑫,務(wù)宇寬,劉昌潔

(32021部隊,北京100094)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)歷經(jīng)北斗一號(BDS-1)、北斗二號(BDS-2)系統(tǒng)工程建設(shè)[1],并于2020年6月全面完成北斗三號系統(tǒng)(BDS-3)星座組網(wǎng),通過30顆衛(wèi)星(24顆中圓軌道(MEO)+3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)+3顆地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星)為全球用戶提供基本的定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù),并通過3顆GEO衛(wèi)星向中國及周邊區(qū)域用戶提供區(qū)域短報文通信、星基增強(SBAS)服務(wù)．同時,所有衛(wèi)星均搭載了Ka波段星間鏈路載荷[2],實現(xiàn)了每3 s一次的星間建鏈,有效提升了星地星間聯(lián)合軌道測定精度及星地星間聯(lián)合鐘差預(yù)報時長．

BDS已逐漸在國民經(jīng)濟建設(shè)中占據(jù)了重要的位置,是支撐導(dǎo)航系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)[3]．相較于GPS、GLONASS、Galileo等國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的基本導(dǎo)航——衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)體制實現(xiàn)授時服務(wù),BDS-3還融合了衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)和SBAS體制于一體建設(shè)．有效構(gòu)建不同體制下的授時模型是系統(tǒng)自身建設(shè)和不斷完善發(fā)展的內(nèi)在需要,也是我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的必然要求,更是參與國際合作、占領(lǐng)國際市場提供基礎(chǔ)和推廣的重要支撐[4]．

本文結(jié)合RDSS、RNSS和SBAS授時服務(wù)特點,給出了時空基準(zhǔn)、設(shè)備時延、授時精度檢核等約束條件下不同體制的授時模型,并結(jié)合BDS-3實測數(shù)據(jù),給出了基于本文授時模型的不同體制下授時精度評估結(jié)果,為利用BDS進行授時服務(wù)的用戶機研制、生產(chǎn)、測試和檢驗提供參考,同時為下一步標(biāo)準(zhǔn)制定工作提供建議和參考．

1 RDSS授時模型

RDSS授時服務(wù)采用四程測距模式,由地面主控站(MCC)完成用戶所需的授時信息計算,主要包括RDSS單向授時和RDSS雙向授時兩種方式,二者的差別主要在于從MCC到用戶傳播時延的獲取方式不同[5-7]．一般而言,RDSS單向授時精度優(yōu)于50 ns,RDSS雙向授時精度優(yōu)于10 ns.

1.1 RDSS單向授時模型

BDS RDSS單向授時是MCC以1次/min的頻度向GEO衛(wèi)星發(fā)送授時信息,衛(wèi)星接收后轉(zhuǎn)發(fā)傳遞至用戶,并由用戶根據(jù)授時信息自主完成鐘差計算,進而實現(xiàn)本地時間與衛(wèi)星時間同步, 具體計算模型見式(1):

ΔT=Δ1-n·Δt-τ1,

(1)

式中:ΔT為用戶機與北斗時(BDT)的鐘差;Δ1為用戶機測量的本地鐘整秒信號至接收檢測出MCC授時信號參考時標(biāo)時的時差值;n為用戶機接收到的RDSS授時信息幀號;n·Δt為授時信息幀號n對應(yīng)的時間間隔;τ1為授時信號經(jīng)過RDSS出站鏈路的傳播時延,其計算模型為:

τ1=τde+τcs+τsu,

(2)

式中:τde為設(shè)備時延,包括RDSS出站鏈路MCC單向時延、RDSS出站鏈路衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備單向時延和RDSS用戶機單向時延,前兩項由MCC在RDSS授時信息中提供,RDSS用戶機單向時延存儲在用戶機中,τde的計算由用戶機完成;τcs為信號由MCC發(fā)射設(shè)備至對應(yīng)衛(wèi)星的空間傳播時延,包括MCC至衛(wèi)星的真空距離和該路徑上的對流層、電離層傳播時延,該值由MCC計算,并在RDSS授時信息中向用戶機發(fā)播;τsu為信號由衛(wèi)星至用戶機的空間傳播時延,包括衛(wèi)星至用戶機的真空距離和該路徑上的對流層、電離層傳播時延,該值由用戶機根據(jù)授時信息完成解算．

1.2 RDSS雙向授時模型

鑒于RDSS單向授時的精度會受衛(wèi)星位置、用戶機位置、大氣時延誤差等諸多不確定因素影響,難以準(zhǔn)確計算．為滿足用戶更高精度的授時需求,采用雙向比對方法確定了收發(fā)間的單向傳播時延,建立了在RDSS應(yīng)答測距基礎(chǔ)上的BDS高精度RDSS雙向授時方法,該方法要求用戶機同時具備接收和應(yīng)答發(fā)射能力,雙向授時頻度依據(jù)用戶機注冊類型而定,頻度在1次/1 s～1次/10 min不等,具體計算模型為:

ΔT=1-ΔT1-n×Δt-τ2,

(3)

式中,τ2用戶響應(yīng)幀信號經(jīng)過出站鏈路的傳播時延,包括出站鏈路的真空距離、設(shè)備時延和該路徑上的對流層、電離層傳播時延．主控站根據(jù)出、入站鏈路的雙程距離測量數(shù)據(jù)、設(shè)備時延和相關(guān)模型完成解算,并通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給RDSS雙向定時用戶機使用．

1.3 RDSS授時要求

在時空基準(zhǔn)方面,以BDT和北斗坐標(biāo)系為基準(zhǔn),RDSS用戶機在進行單向/雙向授時過程中,應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)或者瞬時速度小于1000 km/h的運動狀態(tài),且已知實時坐標(biāo),坐標(biāo)精度應(yīng)優(yōu)于3 m．在無坐標(biāo)模式下,應(yīng)先向MCC申請定位．

在設(shè)備時延方面,RDSS設(shè)備單向時延測定不確定度應(yīng)小于5 ns,其中隨機噪聲應(yīng)小于3 ns,隨機固定偏差在設(shè)備開機后連續(xù)工作狀態(tài)下應(yīng)小于0.6 ns/24 h,且不同的信號通道之間單向時延一致性應(yīng)優(yōu)于3 ns;RDSS設(shè)備雙向時延測定不確定度應(yīng)小于3 ns,其中隨機噪聲應(yīng)小于2 ns,隨機固定偏差在設(shè)備開機后連續(xù)工作狀態(tài)下應(yīng)小于0.3 ns/24 h,且不同的信號收發(fā)通道之間雙向時延一致性應(yīng)優(yōu)于2 ns．此外,RDSS用戶機在工作期間,設(shè)備單向時延漂移應(yīng)優(yōu)于0.6 ns/24 h,雙向時延漂移應(yīng)優(yōu)于0.3 ns/24 h．

在授時精度檢定方面,RDSS用戶機的單向/雙向授時精度檢定應(yīng)在具有高精度時間基準(zhǔn)的場地進行,檢定基準(zhǔn)時間與BDT不確定度優(yōu)于3 ns,檢定連續(xù)時長應(yīng)大于24 h,頻度1次/min,統(tǒng)計用戶機秒信號與BDT秒信號的時差值,確定該用戶機的單向/雙向授時精度．

2 RNSS授時模型

RNSS授時服務(wù)主要由用戶根據(jù)偽距測量值和導(dǎo)航電文信息完成鐘差計算,主要包括RNSS單頻授時和雙頻授時兩種方式,二者的差別在于雙頻授時可消去電離層誤差的影響．一般而言,RNSS授時在重點地區(qū)授時不確定度優(yōu)于10 ns,在全球區(qū)域不確定度優(yōu)于20 ns．

2.1 RNSS單頻授時模型

對于BDS某一頻點Bi(i=1,2,3)單頻用戶,RNSS用戶機利用偽距觀測量值進行RNSS單頻授時的計算模型見式(4)．

(4)

2.2 RNSS雙頻授時模型

對于使用B1I/B2I、B1I/B3I、B1C/B2a組合的雙頻用戶,采用雙頻無電離層組合偽距來修正電離層延遲的影響,具體雙頻授時的計算模型見式(5)．

ΔT=(PR-ρ)/c+Δtsv-τR-

(τtro+τpha+τrel+

τsag+τmul+τtgd)+ε,

(5)

(6)

式中,PRB1Cd-B2ap為經(jīng)過B1Cd和B2ap雙頻電離層修正后的偽距;PRB2ap為B2ap信號的觀測偽距(經(jīng)衛(wèi)星鐘差修正但未經(jīng)TGDB2ap修正);PRB1Cd為B1Cd信號的觀測偽距(經(jīng)衛(wèi)星鐘差修正但未經(jīng)TGDB1Cp、ISCB1cd修正);k1,2表示比例因子,可通過二者標(biāo)稱頻率的平方做差獲得．

2.3 RNSS授時要求

在時空基準(zhǔn)方面,以BDT和北斗坐標(biāo)系為基準(zhǔn),公開信號發(fā)播的衛(wèi)星鐘差參數(shù)時間起算點為衛(wèi)星B3頻點I支路發(fā)射天線相位中心．

在設(shè)備時延方面,系統(tǒng)級時延偏差主要包含從星載頻率源到衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心傳輸?shù)娜貉舆t和用戶接收群延遲,可通過衛(wèi)星時間群延遲(TGD)和頻內(nèi)時延修正(ISC)兩類參數(shù)修正衛(wèi)星通道時延,并通過用戶碼偏差參數(shù)(IFB)修正用戶段接收時延．RNSS用戶機時延測定不確定度應(yīng)小于3 ns．

在授時精度檢定方面,與RDSS用戶機檢核要求一致．

在衛(wèi)星健康狀態(tài)要求方面,用戶首先應(yīng)通過衛(wèi)星健康信息參數(shù)判定衛(wèi)星健康狀態(tài)．對于B1I、B2I、B3I等頻點,用戶可通過衛(wèi)星自主健康信息(SatH1)、歷書中衛(wèi)星健康信息(Hea)判定;對于B1C、B2a、B2b等頻點,用戶可通過衛(wèi)星健康狀態(tài)(HS)、衛(wèi)星完好性狀態(tài)標(biāo)識(電文完好性標(biāo)識(DIF)、信號完好性標(biāo)識(SIF)和系統(tǒng)告警標(biāo)識(AIF))、空間信號精度參數(shù)(SISA)和空間信號監(jiān)測精度參數(shù)(SISMA)及歷書中衛(wèi)星健康信息(Health)等綜合判定衛(wèi)星狀態(tài)．

3 SBAS授時模型

現(xiàn)今典型的針對GPS增強的SBAS系統(tǒng)有美國的WAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN、俄羅斯的SDCM等．此外,EGNOS、SDCM還可提供針對GLONASS的增強信息．中國的北斗星基增強系統(tǒng)(BDSBAS)[11]和韓國的KASS(Korea SBAS)亦在試驗驗證中．各大SBAS的工作原理基本相同,主要對其服務(wù)區(qū)域?qū)嵤V域差分和完好性監(jiān)測,通過GEO衛(wèi)星向用戶播發(fā)導(dǎo)航信號和廣域差分與完好性信息,從而提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)在該服務(wù)區(qū)域應(yīng)用的精度、完好性、連續(xù)性、可用性,以確保滿足民用航空等用戶的導(dǎo)航性能需求．

BDSBAS-B1C頻點播發(fā)的電文采用國際民航組織(ICAO)、航空無線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(RTCA)等組織制定的標(biāo)準(zhǔn)文件[12]進行信號和信息體制設(shè)計,可支撐單頻用戶增強定位及授時服務(wù);BDSBAS-B2a頻點播發(fā)的電文遵循1.4版DFMC接口控制文件[13],可支撐雙頻用戶增強定位及授時服務(wù)．考慮到DFMC接口控制文件仍在不斷升級修訂,本文就BDSBAS單頻授時模型進行分析．

3.1 BDSBAS單頻授時模型

BDSBAS民用單頻服務(wù)已進入系統(tǒng)測試階段,即每6 s至少播發(fā)一個Type0信息以標(biāo)識系統(tǒng)處于測試階段,其他類型信息均可正常播發(fā)．目前,BDSBAS-B1C頻點可播發(fā)GPS衛(wèi)星的軌道、鐘差及格網(wǎng)改正數(shù)信息,進而對中國及周邊區(qū)域的GPS用戶提供星基增強授時服務(wù)．

相較于RNSS單頻授時模型,式(7)SBAS單頻授時模型中增加了鐘差慢變改正數(shù)(δΔtSV)和快變改正數(shù)(Δtf),RTCA協(xié)議中還給出了推薦的電離層和對流層修正模型．

τion+τpha+τrel+τsag+τtgd+

τmul)+εi+Δtf+δΔtSV,

(7)

式中:Δtf為衛(wèi)星鐘差快變修正量;δΔtSV為衛(wèi)星鐘差長期修正量．

(8)

(9)

式中：tof為快變改正數(shù)的參考時刻,定義為播發(fā)當(dāng)前PRC的信息類型的第一個bit上升沿的時間;RRC為修正量的變化量,不在電文中播發(fā),可通過PRC的差分進行估算;PRCcurrent為最近一次的快變改正數(shù)(對應(yīng)的參考時間為tof,current);PRCprevious為前一次的快變改正數(shù)(對應(yīng)的參考時間為tof,previous);Δt為兩次參考時間差,即Δt=tof,current-tof,previous．

δΔtSV=δaf0+δaf1·(t-t0),

(10)

式中:t0為修正誤差的參考時刻;δaf0為單頻長期鐘差修正量;δaf1為單頻長期鐘速修正量．

3.2 SBAS授時要求

在時空基準(zhǔn)方面,鑒于BDSBAS-B1C頻點目前僅播發(fā)GPS衛(wèi)星的星基增強電文信息,時空基準(zhǔn)應(yīng)均與RTCA DO-299D[12]中參數(shù)約束一致,即坐標(biāo)系采用世界大地坐標(biāo)系84(WGS-84)約束下的地心地固坐標(biāo)系(ECEF);時間與GPS時對標(biāo),與協(xié)調(diào)世界時(UTC)間差值應(yīng)優(yōu)于1 μs．

在設(shè)備時延方面,根據(jù)RTCA DO-229D標(biāo)準(zhǔn)約束,用戶接收機需對3 dB前端帶寬、帶內(nèi)群延遲波動、鑒相間隔范圍進行控制,以有效控制用戶段的設(shè)備時延．目前,BDSBAS仍在測試期間,暫未公布相關(guān)參數(shù)．

在衛(wèi)星健康狀態(tài)要求方面,用戶需首先根據(jù)用戶差分距離誤差標(biāo)識(UDREI)、格網(wǎng)電離層延遲誤差標(biāo)識(GIVEI)等星基增強完好性參數(shù)判定各類參數(shù)的有效性,進而選取可參與授時精度解算的衛(wèi)星．

綜上所述,不同服務(wù)模式下的授時精度實現(xiàn)差異比較如表1所示.

表1 不同服務(wù)模式下的授時精度實現(xiàn)差異

4 授時精度評估

4.1 RDSS授時精度評估

分別利用布設(shè)于北京、三亞的已知點位RDSS用戶機,響應(yīng)BDS GEO-1衛(wèi)星播發(fā)的S1I信號,實時測量用戶機輸出的1 PPS(秒脈沖)與MCC輸出的1 PPS時差,即為RDSS單向授時誤差;用戶機向MCC發(fā)送雙向授時請求,實時測量用戶機輸出的1 PPS與地面運行控制中心輸出的1 PPS的時差,即為RDSS雙向授時的誤差．如圖1、2所示,通過對2019年8月9—11日的授時結(jié)果均方根(RMS)統(tǒng)計,可知:1)北京、三亞RDSS用戶機的單向授時結(jié)果分別為27.74 ns、29.12 ns,雙向授時結(jié)果分別為9.04 ns、9.39 ns;2)較RDSS單向授時,RDSS雙向授時精度約是單向授時的3倍,有著明顯優(yōu)勢．

圖1 北京RDSS用戶機解算的單向授時精度

圖 2 北京RDSS用戶機解算的雙向授時精度

4.2 RNSS與BDSBAS授時精度評估

分別利用并址布設(shè)于汕頭、烏魯木齊、若羌、包頭和青島的已知點位GNSS用戶機接收GPS衛(wèi)星播發(fā)偽距相位數(shù)據(jù)、基本導(dǎo)航電文以及BDSBAS B1C頻點播發(fā)的GPS星基增強電文．如表2及圖3所示，通過對2020年5月9日至5月11日的RNSS與BDSBAS授時精度統(tǒng)計,可知:1)各站的授時精度基本一致,RNSS單頻、雙頻授時精度分別為8.56 ns、6.89 ns,BDSBAS單頻授時精度為5.38 ns;2)較GPS衛(wèi)星授時方式,BDSBAS能夠?qū)PS衛(wèi)星的授時精度進行提升．

表2 RNSS、BDSBAS授時精度統(tǒng)計結(jié)果 ns

圖3 青島站RNSS和BDSBAS用戶單頻授時精度

5 結(jié)束語

BDS-3采用基于全球覆蓋的基本星座以及星間和星地鏈路的一體化運行管理體制,瞄準(zhǔn)全球系統(tǒng)基本導(dǎo)航需求,以及與其他GNSS兼容使用要求,可為全球范圍的用戶提供RNSS基本導(dǎo)航授時服務(wù)．同時,BDS-3采用了獨特的增強重點地區(qū)的混合星座設(shè)計,集中優(yōu)勢資源,為我國及周邊地區(qū)用戶提供SBAS和RDSS授時服務(wù),成為BDS的特色服務(wù)或優(yōu)勢服務(wù)．此外,為實現(xiàn)BDS服務(wù)性能的穩(wěn)步提升,BDS-2須逐步向BDS-3平穩(wěn)過渡．因此,本文對比分析了BDS基本導(dǎo)航、區(qū)域短報文、星基增強三大業(yè)務(wù)的授時服務(wù)差異,從時空基準(zhǔn)、授時精度檢核、設(shè)備時延、衛(wèi)星健康狀態(tài)等方面給出了授時精度評估的實現(xiàn)要求,并初步驗證了各類服務(wù)模式下的授時精度．目前,RDSS雙向、RNSS、BDSBAS授時精度均達到優(yōu)于10 ns的精度,能夠滿足各類用戶的基本使用需求．本文的研究成果可為BDS授時協(xié)議體系的設(shè)計提供參考.