辛洁,刘帅,常志巧,时鑫,务宇宽,刘昌洁

(32021部队,北京100094)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)历经北斗一号(BDS-1)、北斗二号(BDS-2)系统工程建设[1],并于2020年6月全面完成北斗三号系统(BDS-3)星座组网,通过30颗卫星(24颗中圆轨道(MEO)+3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)+3颗地球同步轨道(GEO)卫星)为全球用户提供基本的定位、导航和授时(PNT)服务,并通过3颗GEO卫星向中国及周边区域用户提供区域短报文通信、星基增强(SBAS)服务．同时,所有卫星均搭载了Ka波段星间链路载荷[2],实现了每3 s一次的星间建链,有效提升了星地星间联合轨道测定精度及星地星间联合钟差预报时长．

BDS已逐渐在国民经济建设中占据了重要的位置,是支撑导航系统功能实现的重要基础[3]．相较于GPS、GLONASS、Galileo等国外卫星导航系统采用的基本导航——卫星无线电导航业务(RNSS)体制实现授时服务,BDS-3还融合了卫星无线电测定业务(RDSS)和SBAS体制于一体建设．有效构建不同体制下的授时模型是系统自身建设和不断完善发展的内在需要,也是我国卫星导航系统标准化建设的必然要求,更是参与国际合作、占领国际市场提供基础和推广的重要支撑[4]．

本文结合RDSS、RNSS和SBAS授时服务特点,给出了时空基准、设备时延、授时精度检核等约束条件下不同体制的授时模型,并结合BDS-3实测数据,给出了基于本文授时模型的不同体制下授时精度评估结果,为利用BDS进行授时服务的用户机研制、生产、测试和检验提供参考,同时为下一步标准制定工作提供建议和参考．

1 RDSS授时模型

RDSS授时服务采用四程测距模式,由地面主控站(MCC)完成用户所需的授时信息计算,主要包括RDSS单向授时和RDSS双向授时两种方式,二者的差别主要在于从MCC到用户传播时延的获取方式不同[5-7]．一般而言,RDSS单向授时精度优于50 ns,RDSS双向授时精度优于10 ns.

1.1 RDSS单向授时模型

BDS RDSS单向授时是MCC以1次/min的频度向GEO卫星发送授时信息,卫星接收后转发传递至用户,并由用户根据授时信息自主完成钟差计算,进而实现本地时间与卫星时间同步, 具体计算模型见式(1):

ΔT=Δ1-n·Δt-τ1,

(1)

式中:ΔT为用户机与北斗时(BDT)的钟差;Δ1为用户机测量的本地钟整秒信号至接收检测出MCC授时信号参考时标时的时差值;n为用户机接收到的RDSS授时信息帧号;n·Δt为授时信息帧号n对应的时间间隔;τ1为授时信号经过RDSS出站链路的传播时延,其计算模型为:

τ1=τde+τcs+τsu,

(2)

式中:τde为设备时延,包括RDSS出站链路MCC单向时延、RDSS出站链路卫星转发设备单向时延和RDSS用户机单向时延,前两项由MCC在RDSS授时信息中提供,RDSS用户机单向时延存储在用户机中,τde的计算由用户机完成;τcs为信号由MCC发射设备至对应卫星的空间传播时延,包括MCC至卫星的真空距离和该路径上的对流层、电离层传播时延,该值由MCC计算,并在RDSS授时信息中向用户机发播;τsu为信号由卫星至用户机的空间传播时延,包括卫星至用户机的真空距离和该路径上的对流层、电离层传播时延,该值由用户机根据授时信息完成解算．

1.2 RDSS双向授时模型

鉴于RDSS单向授时的精度会受卫星位置、用户机位置、大气时延误差等诸多不确定因素影响,难以准确计算．为满足用户更高精度的授时需求,采用双向比对方法确定了收发间的单向传播时延,建立了在RDSS应答测距基础上的BDS高精度RDSS双向授时方法,该方法要求用户机同时具备接收和应答发射能力,双向授时频度依据用户机注册类型而定,频度在1次/1 s～1次/10 min不等,具体计算模型为:

ΔT=1-ΔT1-n×Δt-τ2,

(3)

式中,τ2用户响应帧信号经过出站链路的传播时延,包括出站链路的真空距离、设备时延和该路径上的对流层、电离层传播时延．主控站根据出、入站链路的双程距离测量数据、设备时延和相关模型完成解算,并通过卫星转发给RDSS双向定时用户机使用．

1.3 RDSS授时要求

在时空基准方面,以BDT和北斗坐标系为基准,RDSS用户机在进行单向/双向授时过程中,应处于静止状态或者瞬时速度小于1000 km/h的运动状态,且已知实时坐标,坐标精度应优于3 m．在无坐标模式下,应先向MCC申请定位．

在设备时延方面,RDSS设备单向时延测定不确定度应小于5 ns,其中随机噪声应小于3 ns,随机固定偏差在设备开机后连续工作状态下应小于0.6 ns/24 h,且不同的信号通道之间单向时延一致性应优于3 ns;RDSS设备双向时延测定不确定度应小于3 ns,其中随机噪声应小于2 ns,随机固定偏差在设备开机后连续工作状态下应小于0.3 ns/24 h,且不同的信号收发通道之间双向时延一致性应优于2 ns．此外,RDSS用户机在工作期间,设备单向时延漂移应优于0.6 ns/24 h,双向时延漂移应优于0.3 ns/24 h．

在授时精度检定方面,RDSS用户机的单向/双向授时精度检定应在具有高精度时间基准的场地进行,检定基准时间与BDT不确定度优于3 ns,检定连续时长应大于24 h,频度1次/min,统计用户机秒信号与BDT秒信号的时差值,确定该用户机的单向/双向授时精度．

2 RNSS授时模型

RNSS授时服务主要由用户根据伪距测量值和导航电文信息完成钟差计算,主要包括RNSS单频授时和双频授时两种方式,二者的差别在于双频授时可消去电离层误差的影响．一般而言,RNSS授时在重点地区授时不确定度优于10 ns,在全球区域不确定度优于20 ns．

2.1 RNSS单频授时模型

对于BDS某一频点Bi(i=1,2,3)单频用户,RNSS用户机利用伪距观测量值进行RNSS单频授时的计算模型见式(4)．

(4)

2.2 RNSS双频授时模型

对于使用B1I/B2I、B1I/B3I、B1C/B2a组合的双频用户,采用双频无电离层组合伪距来修正电离层延迟的影响,具体双频授时的计算模型见式(5)．

ΔT=(PR-ρ)/c+Δtsv-τR-

(τtro+τpha+τrel+

τsag+τmul+τtgd)+ε,

(5)

(6)

式中,PRB1Cd-B2ap为经过B1Cd和B2ap双频电离层修正后的伪距;PRB2ap为B2ap信号的观测伪距(经卫星钟差修正但未经TGDB2ap修正);PRB1Cd为B1Cd信号的观测伪距(经卫星钟差修正但未经TGDB1Cp、ISCB1cd修正);k1,2表示比例因子,可通过二者标称频率的平方做差获得．

2.3 RNSS授时要求

在时空基准方面,以BDT和北斗坐标系为基准,公开信号发播的卫星钟差参数时间起算点为卫星B3频点I支路发射天线相位中心．

在设备时延方面,系统级时延偏差主要包含从星载频率源到卫星发射天线相位中心传输的群延迟和用户接收群延迟,可通过卫星时间群延迟(TGD)和频内时延修正(ISC)两类参数修正卫星通道时延,并通过用户码偏差参数(IFB)修正用户段接收时延．RNSS用户机时延测定不确定度应小于3 ns．

在授时精度检定方面,与RDSS用户机检核要求一致．

在卫星健康状态要求方面,用户首先应通过卫星健康信息参数判定卫星健康状态．对于B1I、B2I、B3I等频点,用户可通过卫星自主健康信息(SatH1)、历书中卫星健康信息(Hea)判定;对于B1C、B2a、B2b等频点,用户可通过卫星健康状态(HS)、卫星完好性状态标识(电文完好性标识(DIF)、信号完好性标识(SIF)和系统告警标识(AIF))、空间信号精度参数(SISA)和空间信号监测精度参数(SISMA)及历书中卫星健康信息(Health)等综合判定卫星状态．

3 SBAS授时模型

现今典型的针对GPS增强的SBAS系统有美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS、印度的GAGAN、俄罗斯的SDCM等．此外,EGNOS、SDCM还可提供针对GLONASS的增强信息．中国的北斗星基增强系统(BDSBAS)[11]和韩国的KASS(Korea SBAS)亦在试验验证中．各大SBAS的工作原理基本相同,主要对其服务区域实施广域差分和完好性监测,通过GEO卫星向用户播发导航信号和广域差分与完好性信息,从而提高全球卫星导航系统(GNSS)在该服务区域应用的精度、完好性、连续性、可用性,以确保满足民用航空等用户的导航性能需求．

BDSBAS-B1C频点播发的电文采用国际民航组织(ICAO)、航空无线电技术标准委员会(RTCA)等组织制定的标准文件[12]进行信号和信息体制设计,可支撑单频用户增强定位及授时服务;BDSBAS-B2a频点播发的电文遵循1.4版DFMC接口控制文件[13],可支撑双频用户增强定位及授时服务．考虑到DFMC接口控制文件仍在不断升级修订,本文就BDSBAS单频授时模型进行分析．

3.1 BDSBAS单频授时模型

BDSBAS民用单频服务已进入系统测试阶段,即每6 s至少播发一个Type0信息以标识系统处于测试阶段,其他类型信息均可正常播发．目前,BDSBAS-B1C频点可播发GPS卫星的轨道、钟差及格网改正数信息,进而对中国及周边区域的GPS用户提供星基增强授时服务．

相较于RNSS单频授时模型,式(7)SBAS单频授时模型中增加了钟差慢变改正数(δΔtSV)和快变改正数(Δtf),RTCA协议中还给出了推荐的电离层和对流层修正模型．

τion+τpha+τrel+τsag+τtgd+

τmul)+εi+Δtf+δΔtSV,

(7)

式中:Δtf为卫星钟差快变修正量;δΔtSV为卫星钟差长期修正量．

(8)

(9)

式中：tof为快变改正数的参考时刻,定义为播发当前PRC的信息类型的第一个bit上升沿的时间;RRC为修正量的变化量,不在电文中播发,可通过PRC的差分进行估算;PRCcurrent为最近一次的快变改正数(对应的参考时间为tof,current);PRCprevious为前一次的快变改正数(对应的参考时间为tof,previous);Δt为两次参考时间差,即Δt=tof,current-tof,previous．

δΔtSV=δaf0+δaf1·(t-t0),

(10)

式中:t0为修正误差的参考时刻;δaf0为单频长期钟差修正量;δaf1为单频长期钟速修正量．

3.2 SBAS授时要求

在时空基准方面,鉴于BDSBAS-B1C频点目前仅播发GPS卫星的星基增强电文信息,时空基准应均与RTCA DO-299D[12]中参数约束一致,即坐标系采用世界大地坐标系84(WGS-84)约束下的地心地固坐标系(ECEF);时间与GPS时对标,与协调世界时(UTC)间差值应优于1 μs．

在设备时延方面,根据RTCA DO-229D标准约束,用户接收机需对3 dB前端带宽、带内群延迟波动、鉴相间隔范围进行控制,以有效控制用户段的设备时延．目前,BDSBAS仍在测试期间,暂未公布相关参数．

在卫星健康状态要求方面,用户需首先根据用户差分距离误差标识(UDREI)、格网电离层延迟误差标识(GIVEI)等星基增强完好性参数判定各类参数的有效性,进而选取可参与授时精度解算的卫星．

综上所述,不同服务模式下的授时精度实现差异比较如表1所示.

表1 不同服务模式下的授时精度实现差异

4 授时精度评估

4.1 RDSS授时精度评估

分别利用布设于北京、三亚的已知点位RDSS用户机,响应BDS GEO-1卫星播发的S1I信号,实时测量用户机输出的1 PPS(秒脉冲)与MCC输出的1 PPS时差,即为RDSS单向授时误差;用户机向MCC发送双向授时请求,实时测量用户机输出的1 PPS与地面运行控制中心输出的1 PPS的时差,即为RDSS双向授时的误差．如图1、2所示,通过对2019年8月9—11日的授时结果均方根(RMS)统计,可知:1)北京、三亚RDSS用户机的单向授时结果分别为27.74 ns、29.12 ns,双向授时结果分别为9.04 ns、9.39 ns;2)较RDSS单向授时,RDSS双向授时精度约是单向授时的3倍,有着明显优势．

图1 北京RDSS用户机解算的单向授时精度

图 2 北京RDSS用户机解算的双向授时精度

4.2 RNSS与BDSBAS授时精度评估

分别利用并址布设于汕头、乌鲁木齐、若羌、包头和青岛的已知点位GNSS用户机接收GPS卫星播发伪距相位数据、基本导航电文以及BDSBAS B1C频点播发的GPS星基增强电文．如表2及图3所示，通过对2020年5月9日至5月11日的RNSS与BDSBAS授时精度统计,可知:1)各站的授时精度基本一致,RNSS单频、双频授时精度分别为8.56 ns、6.89 ns,BDSBAS单频授时精度为5.38 ns;2)较GPS卫星授时方式,BDSBAS能够对GPS卫星的授时精度进行提升．

表2 RNSS、BDSBAS授时精度统计结果 ns

图3 青岛站RNSS和BDSBAS用户单频授时精度

5 结束语

BDS-3采用基于全球覆盖的基本星座以及星间和星地链路的一体化运行管理体制,瞄准全球系统基本导航需求,以及与其他GNSS兼容使用要求,可为全球范围的用户提供RNSS基本导航授时服务．同时,BDS-3采用了独特的增强重点地区的混合星座设计,集中优势资源,为我国及周边地区用户提供SBAS和RDSS授时服务,成为BDS的特色服务或优势服务．此外,为实现BDS服务性能的稳步提升,BDS-2须逐步向BDS-3平稳过渡．因此,本文对比分析了BDS基本导航、区域短报文、星基增强三大业务的授时服务差异,从时空基准、授时精度检核、设备时延、卫星健康状态等方面给出了授时精度评估的实现要求,并初步验证了各类服务模式下的授时精度．目前,RDSS双向、RNSS、BDSBAS授时精度均达到优于10 ns的精度,能够满足各类用户的基本使用需求．本文的研究成果可为BDS授时协议体系的设计提供参考.