郭曉松，張樹強(qiáng)，陳 亮，杜 丹，劉常旭

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

1 研究背景

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020年7月正式開通全球服務(wù)，向廣大用戶提供基本導(dǎo)航、星基增強(qiáng)、區(qū)域短報文等服務(wù)。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供無源服務(wù)模式RNSS（Radio Navigation Satellite Service），也可以提供有源服務(wù)模式RDSS（Radio Determination Satellite Service）。其中，RDSS服務(wù)所具備的通信導(dǎo)航融合功能是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要特色之一。北斗三號RDSS服務(wù)不僅能夠提供基于GEO衛(wèi)星的短報文、位置報告等服務(wù)，還可以提供定位報告、單向定時、雙向定時服務(wù)等，已廣泛應(yīng)用于通信、交通、電力等行業(yè)中，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新技術(shù)的發(fā)展，RDSS將有機(jī)會得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在北斗授時監(jiān)測方面開展了相應(yīng)研究[1-6]，但在上述北斗授時監(jiān)測研究中，在區(qū)域授時偏差監(jiān)測方面有所欠缺。因此，本文提出的北斗三號RDSS區(qū)域授時偏差監(jiān)測評估主要是對區(qū)域內(nèi)北斗三號RDSS單向授時、雙向授時性能進(jìn)行監(jiān)測和評估，可以在有限數(shù)量授時監(jiān)測站的條件下，實現(xiàn)區(qū)域授時精度監(jiān)測與用戶授時偏差預(yù)測，并為該區(qū)域內(nèi)的RDSS單雙向授時用戶提供參考，便于用戶更好地適應(yīng)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(wèi)星（GEO衛(wèi)星）轉(zhuǎn)發(fā)的信號實現(xiàn)的，接收設(shè)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(jīng)過地面中心站至衛(wèi)星（上行信號），衛(wèi)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(jù)解析的廣播信息和測量信息，對偽距進(jìn)行修正，消除星歷誤差、大氣時延、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)、設(shè)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(jī)位置精確已知，用戶接收衛(wèi)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(wèi)星的相對位置進(jìn)行授時信息解算。單向授時的計算表達(dá)式如式（1）所示。

式中，ρ為接收機(jī)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(jī)的單向零值；t1為地面系統(tǒng)至衛(wèi)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(tǒng)計算，通過出站信號發(fā)給用戶；t2為衛(wèi)星至用戶機(jī)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(jī)根據(jù)廣播電文進(jìn)行計算；為地球自傳修正。

由于RDSS單向授時受到衛(wèi)星星歷誤差、電離層和對流層延遲誤差、中心站發(fā)射設(shè)備時延誤差、用戶接收設(shè)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(jī)發(fā)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(fā)送給RDSS用戶機(jī)，由用戶機(jī)進(jìn)行修正授時，從而獲得雙向授時結(jié)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(jiān)測接收機(jī)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(fā)的第幀詢問信號，并測出第n幀詢問信號的參考時標(biāo)語本地種1PPS的時間間隔；同時，用戶立刻向中心站發(fā)射響應(yīng)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(fā)出至用戶接收到的正向傳播時延，再將該時延發(fā)送至用戶，由其進(jìn)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(dá)式如式（2）所示。

4 授時偏差監(jiān)測的基本流程

授時精度評估方程一般如式（3）表達(dá)。

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(xiàn)星歷和星鐘、電離層、對流層、多路徑和接收機(jī)噪聲誤差等多方面的影響，結(jié)合TDOP，可比較全面地反應(yīng)用戶授時誤差。授時偏差監(jiān)測的基本流程如圖3所示。

圖3 授時性能監(jiān)測流程

（1）獲取T0時刻各RDSS授時監(jiān)測站的原始觀測量和導(dǎo)航電文等信息。

（2）結(jié)合各RDSS授時監(jiān)測站的精確坐標(biāo)，計算其授時偏差與時差影響因子。

（3）計算各監(jiān)測站的用戶等效距離誤差。

基于監(jiān)測站實測數(shù)據(jù)，可獲取TDOP實測，同時基于原始觀測數(shù)據(jù)及電文等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)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(qū)域范圍內(nèi)的特征點，并基于有限網(wǎng)格的態(tài)勢預(yù)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(qū)域RDSS授時偏差性能。

（6）判斷是否停止監(jiān)測過程，若停止，則結(jié)束監(jiān)測流程；反之，則令T0=T0+1，進(jìn)行下一刻授時監(jiān)測過程，從而實現(xiàn)實時連續(xù)授時監(jiān)測。

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

5 網(wǎng)格化授時偏差預(yù)測模型

本文所提出的網(wǎng)格化區(qū)域授時偏差預(yù)測模型的基本流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格化區(qū)域授時偏差預(yù)測流程

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

計算各特征點距離各授時監(jiān)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(yù)測值，其計算過程如式（10）所示。

基于上述過程，則可以獲取區(qū)域范圍內(nèi)均勻分布的格網(wǎng)點的授時偏差預(yù)測值、用戶等效距離誤差、置信度，用戶可基于上述結(jié)果，進(jìn)行差分?jǐn)M合，計算任意點的授時性能偏差。

6 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已向廣大用戶提供基本導(dǎo)航、星基增強(qiáng)、區(qū)域短報文等服務(wù)，尤其是RDSS單雙向授時服務(wù)，為多個行業(yè)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(jié)了北斗三號RDSS授時服務(wù)的特點，提出了北斗三號RDSS區(qū)域授時偏差監(jiān)測評估方法，并設(shè)計了網(wǎng)格化區(qū)域授時偏差預(yù)測流程。通過本文所提出得方法，可以在有限數(shù)量授時監(jiān)測站的條件下，實現(xiàn)區(qū)域授時精度監(jiān)測與用戶授時偏差預(yù)測。

在以后的工作中，通過監(jiān)測站實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，并優(yōu)化本文所提方法，為用戶提供更好的提供授時監(jiān)測評估產(chǎn)品?！?/p>