北斗廣義RDSS 定位服務(wù)性能分析

王丹丹， 魏春苗， 許 磊， 楊再秀

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081； 2.32034 部隊(duì)， 四川 成都 610500）

引言

北斗RDSS 定位起源于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)陳芳允院士提出的雙星定位技術(shù)方案[1]，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主可控，并成功應(yīng)用于北斗二代、北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]，可充分作為RNSS 定位的補(bǔ)充和備份，為用戶提供自身定位能力[3]。由于依據(jù)雙星定位計(jì)算獲得的是二維定位數(shù)據(jù)，北斗RDSS定位依賴于地理高程庫得到用戶完整的三維位置。對(duì)于區(qū)域性或國(guó)內(nèi)領(lǐng)土范圍內(nèi)的用戶，由于測(cè)控中心存儲(chǔ)著高精度的高程數(shù)據(jù)，可以獲得精度較高的定位結(jié)果。但隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，服務(wù)區(qū)域由亞太地區(qū)擴(kuò)展到全球范圍，北斗系統(tǒng)很難獲得全球地區(qū)的高精度高程數(shù)據(jù)[4]。這就亟需一種擺脫地理高程庫約束的定位方式實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的RDSS 定位。

北斗廣義RDSS 定位克服了北斗RDSS 定位依賴高精度高程數(shù)據(jù)的限制[5]，利用三顆衛(wèi)星結(jié)合RDSS業(yè)務(wù)和RNSS 業(yè)務(wù)，完成用戶位置確定[6]。本文將介紹北斗廣義RDSS 定位的基本原理，并對(duì)其服務(wù)性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 北斗RDSS 定位原理

北斗RDSS 定位即雙星定位，定位系統(tǒng)包括兩顆地球靜止衛(wèi)星、用戶和測(cè)量控制中心（measurement control center，MCC）三部分。雙星定位的具體工作過程如下：MCC 通過兩顆地球靜止衛(wèi)星向用戶播發(fā)連續(xù)出站信號(hào)；用戶收到出站信號(hào)后，根據(jù)協(xié)議在指定時(shí)刻發(fā)射定位申請(qǐng)突發(fā)入站信號(hào)，經(jīng)過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)傳送到MCC；MCC 接收到入站信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)的時(shí)間延遲，計(jì)算出測(cè)量信號(hào)經(jīng)MCC→衛(wèi)星→用戶→衛(wèi)星→用戶的雙向傳遞時(shí)間，并由此計(jì)算出MCC→衛(wèi)星→用戶的距離，由于MCC→衛(wèi)星的距離已知，即可得到用戶和衛(wèi)星的距離；根據(jù)上述方法計(jì)算兩顆衛(wèi)星與用戶的距離，在MCC 存儲(chǔ)的地理高程庫中查找符合條件的用戶設(shè)備所在大地高，得到用戶坐標(biāo)；MCC 將用戶坐標(biāo)信息經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送給用戶，完成一次定位業(yè)務(wù)。

2 北斗廣義RDSS 定位原理

北斗廣義RDSS 定位的系統(tǒng)組成包括三顆衛(wèi)星、用戶和MCC。其中一顆衛(wèi)星為無線電定位（radio determination，RD）GEO 衛(wèi)星，搭載RDSS 和RNSS 業(yè)務(wù)有效載荷，提供RDSS 和RNSS 業(yè)務(wù)兩種導(dǎo)航信號(hào)；其余兩顆衛(wèi)星需符合搭載RNSS 業(yè)務(wù)有效載荷，提供RNSS 業(yè)務(wù)導(dǎo)航信號(hào)，如圖1 所示。

北斗廣義RDSS 定位屬于RDSS 業(yè)務(wù)與RNSS 業(yè)務(wù)的結(jié)合，衛(wèi)星到用戶的RNSS 業(yè)務(wù)導(dǎo)航參數(shù)測(cè)量和用戶位置計(jì)算由用戶終端完成；衛(wèi)星到用戶的RDSS業(yè)務(wù)導(dǎo)航參數(shù)測(cè)量和用戶位置解算由MCC 完成。用戶終端需測(cè)量出GEO 衛(wèi)星RNSS 信號(hào)與其它衛(wèi)星RNSS 信號(hào)的時(shí)差，然后通過搭載RDSS 載荷的GEO衛(wèi)星向MCC 發(fā)射攜帶時(shí)差信息的廣義RDSS 定位入站申請(qǐng)信號(hào)，MCC 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出用戶位置，并通過廣義RDSS 定位出站信號(hào)反饋給用戶。

3 北斗廣義RDSS 定位算法

根據(jù)北斗廣義RDSS 定位原理，通過觀測(cè)RD 衛(wèi)星建立一個(gè)RDSS 業(yè)務(wù)、一個(gè)RNSS 業(yè)務(wù)觀測(cè)方程；通過觀測(cè)兩個(gè)RN 衛(wèi)星建立兩個(gè)RNSS 業(yè)務(wù)觀測(cè)方程，由公式（1）給出：

式中：s1衛(wèi)星搭載RDSS 和RNSS 業(yè)務(wù)有效載荷，s2和s3衛(wèi)星搭載RNSS 業(yè)務(wù)有效載荷；Pu，s1RN、Pu，s2RN和Pu，s3RN為用戶到衛(wèi)星s1、s2和s3的RNSS 偽距觀測(cè)量；t1為衛(wèi)星s1廣播的RDSS 業(yè)務(wù)出站信號(hào)時(shí)刻；t2為衛(wèi)星s1接收用戶RDSS業(yè)務(wù)入站信號(hào)時(shí)刻；（x，y，z）為用戶位置坐標(biāo)；（xsi，ysi，zsi）（i=1，2，3）為衛(wèi)星位置坐標(biāo)；δt為用戶鐘差。

將距離方程轉(zhuǎn)化為時(shí)間方程，得到衛(wèi)星si（i=1，2，3）到用戶的傳輸時(shí)延方程tiu，如公式（2）所示：

式中：T0為MCC 經(jīng)RD 衛(wèi)星至用戶的雙向傳輸時(shí)延，由MCC 獲得；t0為MCC 到RD 衛(wèi)星的傳輸時(shí)延。用戶根據(jù)式（1）、式（2）將計(jì)算得到的兩個(gè)時(shí)差值?、?通過入站鏈路發(fā)送給MCC，MCC 根據(jù)衛(wèi)星星歷、鐘差、電離層校正參數(shù)和用戶觀測(cè)量，完成對(duì)?、?的修正，進(jìn)而得到三顆衛(wèi)星到用戶的距離，從而計(jì)算出用戶位置，并通過出站鏈路將用戶位置信息發(fā)送給用戶。

由上可見，廣義RDSS 定位無需高程數(shù)據(jù)輔助，用戶僅需測(cè)量時(shí)差值，即可實(shí)現(xiàn)用戶定位，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單操作簡(jiǎn)便。

4 北斗廣義RDSS 定位服務(wù)性能

4.1 數(shù)據(jù)處理方法

為了評(píng)估北斗二號(hào)RDSS 定位、北斗三號(hào)RDSS定位、北斗三號(hào)廣義RDSS 定位的服務(wù)性能，利用4個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行三種定位申請(qǐng)，4 個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)參數(shù)如表1 所示。用戶機(jī)數(shù)據(jù)拷機(jī)時(shí)長(zhǎng)均為24 h，數(shù)據(jù)間隔為1 s，三種定位申請(qǐng)采用循環(huán)入站方式，入站間隔為每5 s 一次。

表1 四個(gè)測(cè)站位置坐標(biāo)

4.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

北斗二號(hào)RDSS 定位要求定位精度優(yōu)于水平20m；北斗三號(hào)RDSS 定位要求定位精度水平20 m；北斗三號(hào)廣義RDSS 定位要求定位精度水平10 m、高程10 m。根據(jù)4 個(gè)測(cè)站的拷機(jī)結(jié)果，整理出三種定位方式的定位精度如表2 所示。其中每種定位的定位精度均滿足指標(biāo)要求，但從整體看來，北三廣義RDSS 定位精度優(yōu)于北三RDSS，北三RDSS 定位精度優(yōu)于北二RDSS。除此之外，北三廣義RDSS 定位不依賴于高程數(shù)據(jù)庫，對(duì)定位高程精度亦可作出衡量。

表2 定位精度結(jié)果統(tǒng)計(jì)表m

對(duì)本地測(cè)站(東經(jīng)114°，北緯38°)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以經(jīng)度、緯度、高程的真實(shí)值為參考，繪制北二RDSS 定位、北三RDSS 定位、北三廣義RDSS 定位三種定位方式的經(jīng)度、緯度、高程隨時(shí)間的變化曲線，如圖2 所示。其中紅色實(shí)線代表的是北二RDSS 定位結(jié)果，藍(lán)色“O”實(shí)線代表的是北三RDSS 定位結(jié)果，綠色“米”實(shí)線代表的是北三廣義RDSS 定位結(jié)果，黑色“十”虛線代表的是真實(shí)值。

從圖中曲線可以看出，三種RDSS 定位方式的定位結(jié)果中，北三廣義RDSS 定位的定位經(jīng)度、緯度與真實(shí)值更相近。對(duì)于定位高程如下頁圖2-3 所示，北二RDSS 定位和北三RDSS 定位的定位高程結(jié)果為一直線，由測(cè)控中心取自數(shù)字高程庫中的一個(gè)固定值，無法對(duì)高程進(jìn)行衡量，而北三廣義RDSS 定位的高程與真實(shí)的高程大致相同，可對(duì)高程進(jìn)行衡量。

5 結(jié)論

1）北斗廣義RDSS 定位相較北斗RDSS 定位而言，增加了一個(gè)衛(wèi)星的RNSS 業(yè)務(wù)觀測(cè)方程，無需高程輔助，只需用戶填寫測(cè)量時(shí)差，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；

2）北斗廣義RDSS 定位的定位精度小于10 m，優(yōu)于北二RDSS 定位和北三RDSS 定位，與真實(shí)值最為相近，且能對(duì)定位高程精度進(jìn)行衡量。

3）北斗廣義RDSS 定位兼具RNSS 和RDSS 業(yè)務(wù)特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可使用GNSS 開放信號(hào)作為RNSS 信號(hào)，能夠提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。