北斗RDSS授时性能分析_李鑫.pdf

1402023 adio Engineering Vol.53 No.1doi:103969/jissn10033106202301018引用格式:李鑫，展昕，陈亮，等北斗 DSS 授时性能分析J 无线电工程，2023，53(1):140147LI Xin，ZHAN Xin，CHENLiang，et al Performance Analysis of BDS DSS Timing Service J adio Engineering，2023，53(1):140147北斗 DSS 授时性能分析李鑫1，展昕2，陈亮3，武东东4(1 石家庄职业技术学院，河北 石家庄 050081;2 中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430205;3 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;4 中国人民解放军 32753 部队，湖北 武汉 430012)摘要:目前，我国已经发射了北斗三号卫星无线电测定业务(adio Determination Satellite Service，DSS)的 59，60和 61 号 3 颗 GEO 卫星，加上原有的北斗二号的 15 号 GEO 卫星，总共有 8 颗 GEO 卫星为导航用户提供导航定位、短报文通信、卫星授时和星基增强等 DSS 业务服务。由于 GEO 卫星距离地表距离超过 3 6 万 km，卫星属于高轨卫星，其服务质量受到轨道精度、配置星载原子钟、大气延迟和卫星硬件延迟等影响严重。针对北斗 DSS 授时相关研究目前鲜有报道，尤其平稳过渡波束和北斗三号卫星的相关内容尚未开展研究。深入分析了北斗 DSS 提供的单向授时和双向授时服务质量，研究目标包括目前可用的全部北斗二号卫星、平稳过渡波束和北斗三号卫星。基于北斗 DSS 授时接收机连续 30 d的北斗实测 DSS 授时数据的试验验证表明，平稳过渡波束较北斗二号授时结果改善不明显;北斗二号双向授时结果较单向授时结果改善了电离层延迟，授时结果提高了约 30%;北斗三号双向授时结果较北斗二号双向授时结果改善了轨道误差和卫星钟差等，授时结果则改善了 60%。充分说明了轨道误差和卫星钟差是影响北斗 DSS 授时结果的最大因素。关键词:北斗三号;无线电测定业务;授时;单向;双向中图分类号:TN9671文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文 章 编 号:10033106(2023)01014008Performance Analysis of BDS DSS Timing ServiceLI Xin1，ZHAN Xin2，CHEN Liang3，WU Dongdong4(1 Shijiazhuang University of Applied Technology，Shijiazhuang 050081，China;2 The 722th esearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430205，China;3 The 54th esearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China;4 Unit 32753，PLA，Wuhan 430012，China)Abstract:At present，China has launched three GEO satellites 59，60 and 61 of the adio Determination Satellite Service(DSS)of BDS3 Together with the original GEO satellites 1 to 5 of BDS2，a total of eight GEO satellites are providing navigationpositioning，short message communication，satellite timing，satellite based enhancement and other DSS services for navigation usersSince GEO satellites，which belong to high orbit satellites，are more than 36，000 kilometers above the earths surface Their servicequalities are seriously affected by orbit accuracy，configuration of satellite borne atomic clock，atmospheric delay，and satellitehardware delay At present，there are few reports on the research of BDS DSS timing，especially on smooth transition beams and BDS3satellites Qualities of one-way and two-way timing service provided by BDS DSS are deeply analyzed All currently available BDS2satellites，smooth transition beams and BDS3 satellites are researched The experimental verification based on the measured DSStiming data of BDS DSS timing receiver for 30 consecutive days shows that the smooth transition beam has no obvious improvementover the timing result of BDS2;the two-way timing result of BDS2 improves ionospheric delay compared with one-way timing result，andthe timing result is increased by about 30%;the two-way timing result of BDS3 is better than that of BDS2 in terms of orbit error andsatellite clock error，and the timing result is improved by 60%，which shows that orbit error and satellite clock error are the two biggestfactors affecting the timing result of BDS DSSKeywords:BDS3;DSS;timing;one-way;two-way收稿日期:20220923基金项目:河北省自然科学基金(F2021205004)Foundation Item:Hebei Provincial Natural Science Foundation of China(F2021205004)测控遥感与导航定位2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期1410引言北斗三号全球卫星导航系统(简称北斗三号系统)，由 24 颗中圆轨道(Medium Earth Orbit，MEO)卫星、3 颗地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星和 3 颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geo-Synchronous Orbit，IGSO)卫星，共 30 颗卫星组成1。北斗三号根据技术体制分别提供了基于无源定位的卫星无线电导航业务(adio Navigation Satellite Sys-tem，NSS)和基于有源定位的无线电测定业务(adio Determination Satellite Service，DSS)2。在北斗二号的基础上，进一步提升了性能，扩展了功能，为全球用户提供定位、导航、授时、全球短报文通信和国际搜救等服务;同时在中国及周边地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信服务。全球范围定位精度优于 10 m，测速精度优于 02 m/s，授时精度优于 20 ns，服务可用性优于99%，亚太地区性能更优34。针对目前鲜有文献研究的北斗二号 DSS 授时、平稳过渡波束和北斗三号授时进行了深入研究。给出了授时原理和性能评估方法，基于 30 d 的实测数据统计分析了各个波束的单向与双向授时结果，为北斗 DSS 的定位、导航和授时(Positioning，Nav-igation，and Timing，PNT)服务提供了理论支持。1北斗 DSS 授时原理11单向授时北斗 DSS 单向授时通过 DSS 卫星转发的信号实现，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(称为上行信号)、卫星至接收终端(称为下行信号)的空间传播，不可避免地受到各种信号传输误差的影响5。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、地球自转效应和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67。单向授时的计算表达式为:单向=正向=t单向零值t1t2t，(1)式中，为接收机测量的出站信号伪距;正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8，由用户机根据广播电文进行计算;t为地球自传修正。12双向授时DSS 双向授时首先由授时终端发起双向授时申请，并将自身的位置坐标等有用信息以及相关请求信息发送给地面测量控制中心9，控制中心通过计算分析出入站信号的零值、卫星转发零值和用户零值等信息，将授时基准信号和双向时延修正参数通过出站信号发送给用户，用户可以得到较高的授时精度1011，授时终端计算出本地钟与中心控制系统时间的钟差表达式为:双向=正向S=t+t1+t2+t32S，(2)式中，为接收机测量的出站信号伪距;t 为中心站对入站信号进行测量得到的伪距;t1为中心站 DSS收发分系统发射零值标定值;t2为中心站 DSS 收发分系统接收零值标定值;t3为由于卫星漂移引入的正向与反向空间传输时延差;t，t1，t2，t3为中心站测量、零值标定与核算误差12，该部分误差与授时监测设备本身无关。2授时性能评估方法21数据处理方法北斗三号卫星较北斗二号卫星在很多方面进行了升级13，例如新号体制、卫星配置、轨道精度和数据处理等多方面都进行了完善改进。所以，需要分别处理北斗二号和北斗三号的数据。尤其采用新的信号体制 S2C，北斗三号的测距质量较北斗二号得到了明显提升14。有研究表明，S2C 在测距、抗干扰等多方面较原有信号体制表现更优1516，并且北斗三号星载原子钟为 2 台氢钟和 2 台铷原子钟17。北斗二号卫星和北斗三号卫星的主要区别如表 1所示。表 1北斗二号和北斗三号卫星区别Tab1Difference between BDS2 and BDS3 satellites卫星类型北斗二号北斗三号卫星号1，2，3，4、559，60，61信号体质I 支路S2C 支路波束号110北斗三号:17平稳过