CN105045086A - 一种改进的高精度rdss授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的高精度RDSS授时方法，一方面突破传统RDSS授时接收机利用整分点卫星位置及速度推算卫星位置的计算方法，采用一种改进的方法计算卫星位置；另一方面增加了多普勒频移对RDSS授时影响的修正，从而使授时服务精度有大幅度的提升；通过我们的试验分析及研究论证，采用本发明的改进方法，可以从传统RDSS授时接收机的50ns提高到优于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

一种改进的高精度RDSS授时方法

技术领域

本发明涉及RDSS授时技术，尤其涉及一种改进的高精度RDSS授时方法。

背景技术

RDSS(RadioDeterminationSatelliteService)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等卫星导航系统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系统时间完成授时用户时间修正。

传统RDSS授时接收机利用卫星速度推算卫星位置，进而计算下行时延，修正上行时延；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。

一种改进的高精度RDSS授时方法，包括以下步骤：

步骤1、获得整分点时刻的卫星位置、卫星速度以及时延修正参数；

步骤2、求解当前RDSS授时信号卫星转发时刻对应的卫星位置；

步骤3、利用步骤2获得的所述卫星位置计算当前修正时刻对应的上行时延；

步骤4、利用步骤2获得的所述卫星位置计算当前修正时刻对应的下行时延；

步骤5、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6、将RDSS授时信号发射时刻同时加上步骤3获得的上行时延、步骤4获得的下行时延以及步骤5获得的时延修正值，完成经初步修正的授时计算；

步骤7、完成多普勒频移对授时影响的修正，具体过程为：

S701：根据RDSS授时信号上行频率、中心站概略位置、步骤2获得的卫星位置以及步骤1获得的卫星速度，推算RDSS授时上行信号多普勒频移df_cs：

${\mathrm{df}}_{cs}=f_{Sr}-f_1=f_1\·\frac{v_{cs}}{c};$

其中，

式中，c为光速；f₁是RDSS授时信号从中心站到卫星传输路径的上行频率；是卫星速度；是卫星位置；是中心站概略位置，f_Sr指卫星所接收RDSS授时信号的频率，v_cs是卫星相对于中心站的径向速度；

S702：根据RDSS授时信号上行频率、上行信号多普勒频移df_cs、授时接收机时间修正周期，计算在该时间修正周期内上行信号多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ_U：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_U\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cs}}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\right)\·T\\ =\frac{v_{cs}}{c}\·f_1\·\frac{T}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\\ \≈\frac{v_{cs}}{c}\·T\end{array}$

其中，T是授时接收机时间修正周期；

S703：根据RDSS授时信号下行频率、步骤2获得的卫星位置、卫星速度以及用户位置，进一步估算RDSS授时下行信号多普勒频移df_su：

${\mathrm{df}}_{su}=f_r-f_2=f_2\·\frac{v_{su}}{c};$

其中，

式中，是用户位置，表示卫星与用户之间的距离，f_LO是卫星星载转发器本振频率，v_su是卫星相对于用户的径向运动速度，f₂表示下行频率；

S704：根据下行信号多普勒频移df_su、授时接收机时间修正周期，计算在该时间修正周期内多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ_D：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_D\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cu}}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\right)\·T\\ =f_2\·\frac{v_{su}}{c}\·\frac{T}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\\ \≈\frac{v_{su}}{c}\·T\end{array}$

S705：根据S702和S704的结果，求和计算整个多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差；

$\begin{array}{c}d\mathrm{\τ}={\mathrm{d\τ}}_U+{\mathrm{d\τ}}_D\\ \≈\frac{(v_{cs}+v_{su})}{c}\·T\end{array}$

S706：根据S705获得的多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ，对步骤6经过初步修正的授时结果进一步进行修正，以消除多普勒频移对授时影响产生的时延误差。

较佳的，所述步骤2包括如下具体过程：

S201：累计整分点时刻的卫星位置数据，并保留最近的设定时间段内的数据；

S202：判断累计卫星数据个数N；

S203：如果N≤5，利用整分点卫星位置及速度推算卫星位置；

S204:如果N>5,采用多项式拟和差值方法推算卫星位置。

较佳的，所述设定时间段为5分钟至30分钟，最好为15分钟。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的一种改进的高精度RDSS授时方法，一方面突破传统RDSS授时接收机利用卫星速度推算卫星位置的计算方法，采用一种改进的方法计算卫星位置；另一方面增加了多普勒频移对RDSS授时影响的修正，从而使授时服务精度有大幅度的提升；通过我们的试验分析及研究论证，采用本发明的改进方法，可以从传统RDSS授时接收机的50ns提高到优于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。

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授时方法中卫星位置求解流程图；

图4为本发明的高精度RDSS授时方法中多普勒频移对RDSS授时影响的修正流程图。

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系统指标要求，但是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，近两年经过数次分析、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：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，这个方面在传统接收机中一直是未加以考虑的；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；如果能够将这两方面加以改进会使RDSS授时服务精度大幅度提升。

首先，在此分析多普勒频移影响多年来未被考虑的原因如下：

第一，GPS等卫星导航系统采用基于星载原子钟时间基准的设计，为消除相对论效应误差，GPS把卫星原子钟上标准振荡频率减小4.37Hz，这样，加上相对论效应后卫星钟就和地面钟基本一致了。RDSS时间基准采用基于地面的高精度原子钟，这种设计不考虑此相对论效应问题。

第二，RDSS服务以定位用户为主体，授时用户相对较少，RDSS定位服务由于是基于信号传播时延测距，根据爱因斯坦光速不变性原理，定位不受卫星运动的影响，试验验证结果定位服务精度也不存在此问题。主体用户定位服务的状态良好性，从一定程度上影响授时服务判断，同理忽视了卫星运动引起的多普勒频移对授时的影响。

第三，RDSS授时服务指标为50ns，从一定的权威上显示了RDSS授时的评估潜力，RDSS授时原理上设计只考虑了大气时延、硬件零值、地球自转修正等修正，GEO卫星运动产生的多普勒频移对RDSS授时影响的修正多年来一直是不在考虑的范围，导致授时精度大为减弱，从一定层度上局限了授时接收机的进一步发展。

第四，GPS等卫星导航系统采用MEO星座设计，其运动速度快，RDSS采用GEO卫星星座设计，运动速度相比MEO卫星较慢，容易忽略卫星运动引起的影响。但是GEO卫星运动虽慢但是却不是静止不动的，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，受GEO卫星运动影响，RDSS授时信号的传输频率发生了变化。

第五，多普勒频移对RDSS授时的影响是复杂的，不容易被考虑。RDSS信号的传输路径是从地面中心站经卫星转发至地面用户，根据爱因斯坦光速不变性原理，RDSS授时信号始终以光速进行传播；但是受GEO卫星运动影响，RDSS授时信号的传输频率发生了变化(俗称多普勒频移)。RDSS定位服务由于是基于信号传播时延测距，因此不受该多普勒频移的影响。RDSS授时原理基于系统时间及其时延修正完成计算，位置推算距离时延并加以修正的基础之上，其距离时延及其修正同定位类似不受卫星运动引起的多普勒频移影响；授时接收机所接收的授时信号时间码对应的绝对时间也不受影响；但是RDSS授时是基于地面经卫星转发的授时时间码进行调整，当信号从地面中心站经卫星转发至用户时，由于卫星运动产生的多普勒频移的影响，该授时时间码发生畸变，即接收机接收的授时信号时间码对应的相对时间发生了变化，如果不加以修正，会对RDSS授时服务精度产生很大影响。

综上，国内近十余年对RDSS授时技术的研究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，但从未有考虑到RDSSGEO卫星运动引起的多普勒频移对授时产生的影响；国外相关研究无，因为RDSS是我国卫星导航系统的一个专有特色。本实验室在研究RDSS定位授时技术及其应用10年的基础上，工作组又历时两年时间，专门针对RDSS授时改进在分别北京、喀什、三亚等全国各地开展了大量的相关项目试验研究，通过多次的数据采集、试验分析、质量监测、改进研究及评估验证，最终研究发现GEO卫星运动产生的多普勒频移对RDSS授时具有很大的影响，如果能够加以消除会使RDSS授时服务精度大幅度提升。

本发明的一种高精度RDSS授时方法，包括以下步骤：

S1:接收解调授时数据并存储，包括整分点时刻的卫星位置、速度、以及时延修正参数等；

S2:当前对应转发时刻卫星位置求解：

传统RDSS授时用户机所采用的卫星位置求解方法是利用整分点卫星位置和速度推算当前修正时刻对应卫星转发时刻的卫星位置，即：

$\left(\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{s0}\\ Y_{s0}\\ Z_{s0}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{V}_{xs}\\ V_{ys}\\ V_{zs}\end{array}\right)\·\mathrm{\δ}t$

其中，X_s,Y_s,Z_s分别是卫星转发时刻对应卫星位置，X_s0,Y_s0,Z_s0，V_xs,V_ys,V_zs分别是整分点时刻对应卫星位置，δt是卫星转发时刻相对整分点时刻的时间差。传统RDSS授时用户机所采用的这种利用速度推算卫星位置的方法的优势是方法简单、启动时间快，缺点是有很大的误差。

在GNSS导航中，卫星轨道标准化处理方法有采用多项式拟合差值的方式，比如GLONASS系统采用拉格朗日多项式插值，RDSS系统端采用且比雪夫拟合算法，此外也可以采用其他的拟合差值算法，比如内维尔多项式插值，只是没有应用于RDSS授时用户机。利用多项式拟和差值的方法在RDSS授时终端求解卫星位置的优点是精度高，缺点是需要数据累计，启动时间慢。

基于上述，通过试验分析验证，本发明采用一种新的卫星位置求解方法，其特征在于采用速度推算位置和多项式拟和折中的方法，具体原理如下：用户机开机后开始接收解调授时数据，同时累计一定时间段的整分点卫星位置，当累计数据小于5分钟时，利用整分点卫星位置和速度推算卫星位置；当累计数据超过5分钟时，利用多项式拟合插值的方法递推卫星转发时刻对应卫星位置。

一种新的RDSS授时终端卫星位置求解方法，包括如下步骤：

S201：累计整分点卫星位置，保留最新15分钟内数据；

S202：判断累计卫星数据个数N；

S203：如果N≤5，采用整分点卫星位置和速度推算卫星位置；

S204:如果N>5,采用多项式拟和差值方法推算卫星位置。

S3：上行时延计算：利用步骤2获得的当前转发时刻的卫星位置计算当前修正时刻对应的上行时延；

S4：下行时延计算：利用步骤2获得的当前转发时刻的卫星位置计算当前修正时刻对应的下行时延；

S5：电离层、对流层、地球自转、用户机零值的时延修正计算：利用所接收的时延修正参数、用户机零值等进行时延修正计算，包括电离层、对流层、Sagnac效应、零值的修正。

S6：授时计算：利用接收机所解算信号发射时刻+上行时延+下行时延+时延修正值，完成整个授时计算；

S7：多普勒频移对授时影响的修正，采用一种多普勒频移对RDSS授时影响的修正方法，包括如下步骤：

S701：RDSS授时信号上行多普勒频移计算

根据RDSS授时信号上行频率、卫星位置和速度、中心站概略位置推算RDSS授时上行信号多普勒频移；

$f_{Sr}=f_1\·(1-\frac{v_{cs}}{c})$

${\mathrm{df}}_{cs}=f_{Sr}-f_1=f_1\·\frac{v_{cs}}{c}$

其中，f₁是授时信号从中心站到卫星传输路径的上行发射频率；是GEO卫星运动速度；是GEO卫星位置；是中心站概略位置，f_Sr指卫星所接收RDSS授时信号的频率，v_cs是卫星相对于中心站的径向速度；df_cs是RDSS授时上行信号多普勒频移。

S702：计算上行多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差：

根据RDSS授时信号上行频率、上行多普勒频移、授时接收机时间修正周期，计算在该时间内上行多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_U\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cs}}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\right)\·T\\ =\frac{v_{cs}}{c}\·f_1\·\frac{T}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\\ \≈\frac{v_{cs}}{c}\·T\end{array}$

其中，T是授时接收机时间修正周期，dτ_U是行多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差。

S703：RDSS授时信号下行多普勒频移计算

根据RDSS授时信号下行频率、卫星位置速度、用户位置，进一步估算RDSS授时下行信号多普勒频移；

$\begin{array}{c}{f}_r=(f_1-\frac{v_{su}}{c}\·f_1-f_{LO})\·(1-\frac{v_{su}}{c})\\ \≈f_2\·(1-\frac{v_{su}}{c})\end{array}$

${\mathrm{df}}_{su}=f_r-f_2=f_2\·\frac{v_{su}}{c}$

其中，是用户位置，表示卫星与用户之间的距离，f_LO是卫星星载转发器本振频率，v_su是卫星相对于用户的径向运动速度，f₂表示下行频率，df_su是RDSS授时下行信号多普勒频移。

S704：计算下行多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差：

根据下行多普勒频移、授时接收机时间修正周期，计算在该时间内多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_D\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cu}}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\right)\·T\\ =f_2\·\frac{v_{su}}{c}\·\frac{T}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\\ \≈\frac{v_{su}}{c}\·T\end{array}$

其中，dτ_D是下行多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差。

S705：求和计算整个RDSS信号传输过程中多普勒频移对授时影响产生的时延误差；

根据步骤702和步骤704结果，求和计算整个多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差；

$\begin{array}{c}d\mathrm{\τ}={\mathrm{d\τ}}_U+{\mathrm{d\τ}}_D\\ \≈\frac{(v_{cs}+v_{su})}{c}\·T\end{array}$

其中，dτ是整个多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差。

S706：根据S705获得的多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ，对步骤6经过初步修正的授时结果做进一步修正，以消除多普勒频移对授时影响产生的时延误差。

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 (4)

1.一种RDSS授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得整分点时刻的卫星位置、卫星速度以及时延修正参数；

步骤2、求解当前RDSS授时信号卫星转发时刻对应的卫星位置；

步骤3、利用步骤2获得的所述卫星位置计算当前修正时刻对应的上行时延；

步骤4、利用步骤2获得的所述卫星位置计算当前修正时刻对应的下行时延；

步骤5、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6、将RDSS授时信号发射时刻同时加上步骤3获得的上行时延、步骤4获得的下行时延以及步骤5获得的时延修正值，完成经初步修正的授时计算；

步骤7、完成多普勒频移对授时影响的修正，具体过程为：

S701：根据RDSS授时信号上行频率、中心站概略位置、步骤2获得的卫星位置以及步骤1获得的卫星速度，推算RDSS授时上行信号多普勒频移df_cs：

${\mathrm{df}}_{cs}=f_{Sr}-f_1=f_1\·\frac{v_{cs}}{c};$

其中，

式中，c为光速；f₁是RDSS授时信号从中心站到卫星传输路径的上行频率；是卫星速度；是卫星位置；是中心站概略位置，f_Sr指卫星所接收RDSS授时信号的频率，v_cs是卫星相对于中心站的径向速度；

S702：根据RDSS授时信号上行频率、上行信号多普勒频移df_cs、授时接收机时间修正周期，计算在该时间修正周期内上行信号多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ_U：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_U\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cs}}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\right)\·T\\ =\frac{v_{cs}}{c}\·f_1\·\frac{T}{f_1+{\mathrm{df}}_{cs}}\\ \≈\frac{v_{cs}}{c}\·T\end{array}$

其中，T是授时接收机时间修正周期；

S703：根据RDSS授时信号下行频率、步骤2获得的卫星位置、卫星速度以及用户位置，进一步估算RDSS授时下行信号多普勒频移df_su：

${\mathrm{df}}_{su}=f_r-f_2=f_2\·\frac{v_{su}}{c};$

其中，

式中，是用户位置，表示卫星与用户之间的距离，f_LO是卫星星载转发器本振频率，v_su是卫星相对于用户的径向运动速度，f₂表示下行频率；

S704：根据下行信号多普勒频移df_su、授时接收机时间修正周期，计算在该时间修正周期内多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ_D：

$\begin{array}{c}{\mathrm{d\τ}}_D\≈\left(\frac{{\mathrm{df}}_{cu}}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\right)\·T\\ =f_2\·\frac{v_{su}}{c}\·\frac{T}{f_2+{\mathrm{df}}_{su}}\\ \≈\frac{v_{su}}{c}\·T\end{array}$

S705：根据S702和S704的结果，求和计算整个多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差；

$\begin{array}{c}d\mathrm{\τ}={\mathrm{d\τ}}_U+{\mathrm{d\τ}}_D\\ \≈\frac{(v_{cs}+v_{su})}{c}\·T\end{array}$

S706：根据S705获得的多普勒频移对RDSS授时影响产生的时延误差dτ，对步骤6经过初步修正的授时结果进一步进行修正，以消除多普勒频移对授时影响产生的时延误差。

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2包括如下具体过程：

S201：累计整分点时刻的卫星位置数据，并保留最近的设定时间段内的数据；

S202：判断累计卫星数据个数N；

S203：如果N≤5，利用整分点卫星位置及速度推算卫星位置；

S204:如果N>5,采用多项式拟和差值方法推算卫星位置。

3.如权利要求2所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，所述设定时间段为5分钟至30分钟。

4.如权利要求3所述的一种RDSS授时方法，其特征在于，所述设定时间段为15分钟。