CN112034697B - 一种高精度rdss授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度RDSS授时方法，改进了RDSS授时上行时延的推算方法，简单有效，从而使授时服务精度有大幅度的提升；同样方法也可以用于推算卫星转发时刻对应的卫星位置，或者说用于下行时延的推算。通过我们的试验分析及验证，采用本发明的授时方法，可以从当前传统RDSS授时接收机的50ns提高到约10ns的授时精度，攻克了RDSS授时服务精度的瓶颈，取得了突破性的进展，具有很大的应用潜力和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于RDSS授时技术领域，具体涉及一种高精度RDSS授时方法。
背景技术
RDSS(Radio Determination Satellite Service)提供定位授时服务10余年，广泛应用于通信、电力、商务及国防建设等领域，其授时服务精度为50ns。
RDSS授时工作原理如下：不同于GPS等卫星导航***基于星载原子钟时间基准的设计，RDSS时间基准采用基于地面的高精度原子钟，这种设计具有更高的时间基准精度。此外，RDSS 星座采用GEO卫星，服务于中国及周边区域。RDSS授时信号的传输路径是从地面中心站经卫星转发至地面用户
(其中，f1和f3是中心站到卫星和卫星到用户路径上的电波频率，详见图1)，中心站通过广播参数通报用户该传输路径上时标信号从中心站传播到用户所经历的时间延时，用户根据播报参数和***时间完成授时用户时间修正。
目前RDSS授时接收机利用当前时刻整分点以及前一整分点时刻播报的中心站到卫星时延推算当前时刻的上行时延，同时利用整分点播报的卫星位置和速度推算转发时刻卫星位置，进而计算下行时延；在此基础之上进行大气时延、硬件零值、地球自转修正等误差修正，授时精度约为50ns，随着用户对精度要求的提高，现有的授时精度的劣势也越发明显。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高精度RDSS授时方法，能够使RDSS授时精度得到大幅度提升。
一种RDSS授时方法，包括以下步骤：
步骤1、获得整分点时刻的中心站到卫星的上行时延值、整分点时刻卫星位置、卫星速度以及时延修正参数；
步骤2、利用步骤1获得的所述整分点时刻播报的中心站到卫星的上行时延值计算当前修正时刻对应的上行时延，具体步骤如下：
S201：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的中心站到卫星的上行时延值；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个时刻离当前时刻由新及远，所播发的中心站到卫星时延值分别为CS0、CS1和CS2；
S202：根据S201所述的最新三个整分点时刻对应的中心站到卫星时延值推算上行时延的变化速度Vcs：
Vcs0＝(CS0-CS1)/(t0-t1)＝(CS0-CS1)/dT
Vcs1＝(CS1-CS2)/(t1-t2)＝(CS1-CS2)/dT
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；
S203：根据S202所推算的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，推算上行时延的加速度：
Acs＝(Vcs0-Vcs1)/dT
S204：根据S202所推算的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，以及S203所推算的上行时延的加速度，计算当时授时卫星转发时刻的上行时延值CS：
CS＝CS0+(Vcs0+Acs×dt)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+(Vcs0-Vcs1)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+((CS0-CS1)/dT-(CS1-CS2)/dT)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+(CS0-CS1)×dt/dT+(CS0+CS2-2CS1)×dt2/dT2
其中，dt＝t-t0表示当前授时卫星转发时刻t时刻相对t0时刻的时间差；
步骤3、计算卫星到用户下行时延；
步骤4、利用用户机零值以及步骤1中的所述时延修正参数，计算包括电离层、对流层、 Sagnac效应和用户机零值对时延的影响，即得到时延修正值；
步骤5、将RDSS授时信号发射时刻同时加上步骤2获得的上行时延、步骤3获得的下行时延以及步骤4获得的时延修正值，完成经修正的授时计算。
进一步的，所述步骤3计算卫星到用户下行时延的步骤如下：
S301：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)；
S302：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻卫星位置：
Xs＝Xs0+(Xs0-Xs1)×dt/dT+(Xs0+Xs2-2Xs1)×dt2/dT2
Ys＝Ys0+(Ys0-Ys1)×dt/dT+(Ys0+Ys2-2Ys1)×dt2/dT2
Zs＝Zs0+(Zs0-Zs1)×dt/dT+(Zs0+Zs2-2Zs1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0；
S303：利用S302所推算的卫星转发时刻卫星位置的St(Xs,Ys,Zs)以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu)计算卫星到用户时延SU：
SU＝[(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)2]1/2。
进一步的，所述步骤3计算卫星到用户下行时延的步骤如下：
S311：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)；
S312：利用S311所述的整分点所播发的卫星位置以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu) 计算t0、t1、t2整分点时刻对应的卫星到用户时延：
SU0＝[(Xs0-Xu)2+(Ys0-Yu)2+(Zs0-Zu)2]1/2
SU1＝[(Xs1-Xu)2+(Ys1-Yu)2+(Zs1-Zu)2]1/2
SU2＝[(Xs2-Xu)2+(Ys2-Yu)2+(Zs2-Zu)2]1/2
S313：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻对应的卫星到用户的下行时延SU：
SU＝SU0+(SU0-SU1)×dt/dT+(SU0+SU2-2SU1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0。
较佳的，当针对北斗二号的授时时，dT＝1min。
较佳的，当针对北斗三号的授时时，dT＝6s。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种高精度RDSS授时方法，改进了RDSS授时上行时延的推算方法，简单有效，从而使授时服务精度有大幅度的提升；同样方法也可以用于推算卫星转发时刻对应的卫星位置，或者说用于下行时延的推算。通过我们的试验分析及验证，采用本发明的授时方法，可以从当前传统RDSS授时接收机的50ns提高到约10ns的授时精度(见附图6)，攻克了RDSS 授时服务精度的瓶颈，取得了突破性的进展，具有很大的应用潜力和经济效益。
附图说明
图1为本发明的RDSS授时信号传输路径图；
图2为本发明的高精度RDSS授时方法流程图；
图3为本发明的高精度RDSS授时方法中上行时延求解流程图；
图4为本发明的高精度RDSS授时方法中下行时延求解方法一流程图；
图5为本发明的高精度RDSS授时方法中下行时延求解方法二流程图；
图6为采用本发明方法后的授时误差与当前方法误差结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
10年来，传统RDSS授时用户机虽然满足了***指标要求，但是存在很明显的周期性误差，峰峰值大约在正负50ns以内，一直没有突破性发展。本实验室多年来致力于RDSS定位授时技术的研究发展，经过数次分析、研究、评估、论证，最终取得RDSS授时技术10几年来的突破性进展，在已授权的申请号为CN201510537516.4《一种改进的高精度RDSS授时方法》中提出两点改进意见：一是研究发现GEO卫星运动产生的多普勒频移对RDSS授时具有很大的影响；二是利用卫星速度推算卫星位置也会带来很大的误差，需要提出新的改进策略。本发明在上述基础之上，通过***与接收机端的联调测试分析，进一步取得突破进展：一是改进了传统授时接收机计算上行时延的算法，并在接收机硬件算法可实现考虑的基础之上提出一种简单的上行时延推算方法；二是将类似的推导算法用于卫星位置的推导，或者说是卫星到用户下行时延的推导。
综上，国内近十余年对RDSS授时技术的研究一直未有中断，特别时对RDSS授时周期性缓变误差的分析，主要关注点在电离层时延误差、对流层时延误差、卫星星历误差、地球自转引起的Sagnac效应、以及接收机零值几个方面，相关研究报道不少，但是一直没有找到 RDSS授时周期性缓变误差的根本原因。国外相关研究无，因为RDSS是我国卫星导航***的一个专有特色。本发明在研究RDSS定位授时技术及其应用10多年的基础上，通过***端与接收机端的联试联调，针对RDSS授时改进在分别北京、三亚、喀什测试终端的测试分析研究，通过长期的数据采集、试验分析、质量监测、改进研究及评估验证，最终定位授时缓变误差原因，并研究发现通过改进接收机端上行时延的计算算法，可以使RDSS授时服务精度大幅度提升。
当前传统RDSS接收机在计算中心站到卫星上行时，利用距离当前卫星转发时刻t最近的两个整分点时刻t0，t1所播发的上行时延CS0,CS1计算当前卫星转发时刻的上行时延：假设授时卫星转发时刻t相对最近整分点t0时刻的时间差dt＝t-t0，中心站到卫星上行时延 CS＝CS0+(Vcs0+Acs×dt)×dt。随着卫星运动的周期性变化，一直以来授时服务存在周期性缓变误差；本发明在此基础之上经过多次研究论证，提出一种新的改进算法，利用距离授时卫星转发时刻t最近的三个整分点时刻播报的上行时延来推算t时刻的上行时延：CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+(Vcs0-Vcs1)×dt/dT)×dt，经过三亚、喀什、北京三站授时服务试验验证，采用该方法可以使RDSS授时服务精度从当前传统接收机的50ns提高到约10ns的授时服务精度(见附图6)。
有鉴于此，本发明提供了一种改进的高精度RDSS授时方法，能够使RDSS授时精度得到大幅度提升。
一种高精度RDSS授时方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、获得整分点时刻的中心站到卫星的上行时延值、整分点时刻卫星位置、卫星速度以及时延修正参数；
步骤2、利用步骤1获得的所述整分点时刻播报的中心站到卫星的上行时延值计算当前修正时刻对应的上行时延，如图3所示，具体步骤如下：
S201：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的中心站到卫星的上行时延值；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、 t1、t2，三个时刻离当前时刻由新及远，所播发的中心站到卫星时延值分别为CS0、CS1和 CS2。
S202：根据S201所述的最新三个整分点时刻对应的中心站到卫星时延值推算上行时延的变化速度Vcs：
Vcs0＝(CS0-CS1)/(t0-t1)＝(CS0-CS1)/dT
Vcs1＝(CS1-CS2)/(t1-t2)＝(CS1-CS2)/dT
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔，为1分钟。
S203：根据S202所推算的两分钟的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，推算上行时延的加速度：
Acs＝(Vcs0-Vcs1)/dT。
S204：根据S202所推算的两分钟的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，以及S203 所推算的上行时延的加速度，计算当时授时卫星转发时刻的上行时延值CS：
根据步骤1假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，则t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0
CS＝CS0+(Vcs0+Acs×dt)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+(Vcs0-Vcs1)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+((CS0-CS1)/dT-(CS1-CS2)/dT)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+(CS0-CS1)×dt/dT+(CS0+CS2-2CS1)×dt2/dT2
即，最终上行时延的计算仅用到距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的中心站到卫星的上行时延值。
步骤3、求解当前RDSS授时信号卫星转发时刻对应的卫星位置，从而得到卫星到用户下行时延：
传统方法利用卫星位置和速度推算当前时刻卫星位置，本方法仅利用整分点时刻播报的卫星位置计算当前RDSS授时信号卫星转发时刻对应的卫星位置：
如图4所示，方法一的步骤如下：
S301：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)。
S302：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻卫星位置
Xs＝Xs0+(Xs0-Xs1)×dt/dT+(Xs0+Xs2-2Xs1)×dt2/dT2
Ys＝Ys0+(Ys0-Ys1)×dt/dT+(Ys0+Ys2-2Ys1)×dt2/dT2
Zs＝Zs0+(Zs0-Zs1)×dt/dT+(Zs0+Zs2-2Zs1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔，为1分钟；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0。
S303：利用S302所推算的卫星转发时刻卫星位置的St(Xs,Ys,Zs)以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu)计算卫星到用户时延SU：
SU＝[(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)2]1/2。
如图5，方法二具体步骤如下：
S311：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)。
S312：利用S311所述的整分点所播发的卫星位置以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu) 计算t0、t1、t2整分点时刻对应的卫星到用户下行时延：
SU0＝[(Xs0-Xu)2+(Ys0-Yu)2+(Zs0-Zu)2]1/2
SU1＝[(Xs1-Xu)2+(Ys1-Yu)2+(Zs1-Zu)2]1/2
SU2＝[(Xs2-Xu)2+(Ys2-Yu)2+(Zs2-Zu)2]1/2
S313：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻对应的卫星到用户的下行时延SU：
SU＝SU0+(SU0-SU1)×dt/dT+(SU0+SU2-2SU1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔，为1分钟；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0。
步骤4、利用用户机零值以及步骤1中的所述时延修正参数，计算包括电离层、对流层、 Sagnac效应和用户机零值对时延的影响，即得到时延修正值；
步骤5、将RDSS授时信号发射时刻同时加上步骤2获得的上行时延、步骤3获得的下行时延以及步骤4获得的时延修正值，完成经修正的授时计算。
此外，也可以利用超过3个点以上的短时间内整分点时刻中心站到卫星的上行数据，通过拟合、差分或拟合差分的方式计算当前时刻的上行时延，通过这种方法服务效果会更好，主要考虑接收端的可实现性。
其次，本发明所述方法同样可以用到北斗三号RDSS授时，只是与北斗二号RDSS授时不同的是，北斗三号RDSS授时的播发频率为6s，即dT＝6s，本发明所用数据及时间对应的改为最近的三个6s周期播发数据，计算相应的当前时刻上行时延和下行时延。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种RDSS授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获得整分点时刻的中心站到卫星的上行时延值、整分点时刻卫星位置、卫星速度以及时延修正参数；
步骤2、利用步骤1获得的所述整分点时刻播报的中心站到卫星的上行时延值计算当前修正时刻对应的上行时延，具体步骤如下：
S201：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的中心站到卫星的上行时延值；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个时刻离当前时刻由新及远，所播发的中心站到卫星时延值分别为CS0、CS1和CS2；
S202：根据S201所述的最新三个整分点时刻对应的中心站到卫星时延值推算上行时延的变化速度Vcs：
Vcs0＝(CS0-CS1)/(t0-t1)＝(CS0-CS1)/dT
Vcs1＝(CS1-CS2)/(t1-t2)＝(CS1-CS2)/dT
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；
S203：根据S202所推算的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，推算上行时延的加速度：
Acs＝(Vcs0-Vcs1)/dT
S204：根据S202所推算的中心站到卫星上行时延的变化速度Vcs，以及S203所推算的上行时延的加速度，计算当时授时卫星转发时刻的上行时延值CS：
CS＝CS0+(Vcs0+Acs×dt)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+(Vcs0-Vcs1)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+((CS0-CS1)/dT+((CS0-CS1)/dT-(CS1-CS2)/dT)×dt/dT)×dt
CS＝CS0+(CS0-CS1)×dt/dT+(CS0+CS2-2CS1)×dt2/dT2
其中，dt＝t-t0表示当前授时卫星转发时刻t时刻相对t0时刻的时间差；
步骤3、计算卫星到用户下行时延；
步骤4、利用用户机零值以及步骤1中的所述时延修正参数，计算包括电离层、对流层、Sagnac效应和用户机零值对时延的影响，即得到时延修正值；
步骤5、将RDSS授时信号发射时刻同时加上步骤2获得的上行时延、步骤3获得的下行时延以及步骤4获得的时延修正值，完成经修正的授时计算。
2.如权利要求1所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，所述步骤3计算卫星到用户下行时延的步骤如下：
S301：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)；
S302：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻卫星位置：
Xs＝Xs0+(Xs0-Xs1)×dt/dT+(Xs0+Xs2-2 Xs1)×dt2/dT2
Ys＝Ys0+(Ys0-Ys1)×dt/dT+(Ys0+Ys2-2 Ys1)×dt2/dT2
Zs＝Zs0+(Zs0-Zs1)×dt/dT+(Zs0+Zs2-2 Zs1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0；
S303：利用S302所推算的卫星转发时刻卫星位置的St(Xs,Ys,Zs)以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu)计算卫星到用户时延SU：
SU＝[(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)2]1/2。
3.如权利要求1所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，所述步骤3计算卫星到用户下行时延的步骤如下：
S311：累积步骤1所述的距离当前时刻最新的三个整分点时刻播发的卫星位置；假设当前授时卫星转发时刻为t时刻，距离当前时刻最新的三个整分点时刻t0、t1、t2，三个整分点时刻离当前时刻由新及远，所播发的整分点时刻卫星位置分别为S0(Xs0,Ys0,Zx0)、S1(Xs1,Ys1,Zx1)、S2(Xs2,Ys2,Zx2)；
S312：利用S311所述的整分点所播发的卫星位置以及已知点用户位置U(Xu,Yu,Zu)计算t0、t1、t2整分点时刻对应的卫星到用户时延：
SU0＝[(Xs0-Xu)2+(Ys0-Yu)2+(Zs0-Zu)2]1/2
SU1＝[(Xs1-Xu)2+(Ys1-Yu)2+(Zs1-Zu)2]1/2
SU2＝[(Xs2-Xu)2+(Ys2-Yu)2+(Zs2-Zu)2]1/2
S313：利用类似步骤2所述推算方法推算当前卫星转发时刻对应的卫星到用户的下行时延SU：
SU＝SU0+(SU0-SU1)×dt/dT+(SU0+SU2-2 SU1)×dt2/dT2
其中，dT是指RDSS授时播发时间间隔；dt为t时刻相对t0时刻的时间差dt＝t-t0。
4.如权利要求1所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，当针对北斗二号的授时时，dT＝1min。
5.如权利要求1所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，当针对北斗三号的授时时，dT＝6s。
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