北斗广义RDSS 定位服务性能分析

王丹丹， 魏春苗， 许 磊， 杨再秀

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081； 2.32034 部队， 四川 成都 610500）

引言

北斗RDSS 定位起源于北斗一代卫星导航系统，根据陈芳允院士提出的双星定位技术方案[1]，实现了我国卫星导航系统的自主可控，并成功应用于北斗二代、北斗三代卫星导航系统[2]，可充分作为RNSS 定位的补充和备份，为用户提供自身定位能力[3]。由于依据双星定位计算获得的是二维定位数据，北斗RDSS定位依赖于地理高程库得到用户完整的三维位置。对于区域性或国内领土范围内的用户，由于测控中心存储着高精度的高程数据，可以获得精度较高的定位结果。但随着北斗卫星导航系统正式开通，服务区域由亚太地区扩展到全球范围，北斗系统很难获得全球地区的高精度高程数据[4]。这就亟需一种摆脱地理高程库约束的定位方式实现全球范围内的RDSS 定位。

北斗广义RDSS 定位克服了北斗RDSS 定位依赖高精度高程数据的限制[5]，利用三颗卫星结合RDSS业务和RNSS 业务，完成用户位置确定[6]。本文将介绍北斗广义RDSS 定位的基本原理，并对其服务性能进行验证分析。

1 北斗RDSS 定位原理

北斗RDSS 定位即双星定位，定位系统包括两颗地球静止卫星、用户和测量控制中心（measurement control center，MCC）三部分。双星定位的具体工作过程如下：MCC 通过两颗地球静止卫星向用户播发连续出站信号；用户收到出站信号后，根据协议在指定时刻发射定位申请突发入站信号，经过卫星中转传送到MCC；MCC 接收到入站信号后，根据信号的时间延迟，计算出测量信号经MCC→卫星→用户→卫星→用户的双向传递时间，并由此计算出MCC→卫星→用户的距离，由于MCC→卫星的距离已知，即可得到用户和卫星的距离；根据上述方法计算两颗卫星与用户的距离，在MCC 存储的地理高程库中查找符合条件的用户设备所在大地高，得到用户坐标；MCC 将用户坐标信息经卫星发送给用户，完成一次定位业务。

2 北斗广义RDSS 定位原理

北斗广义RDSS 定位的系统组成包括三颗卫星、用户和MCC。其中一颗卫星为无线电定位（radio determination，RD）GEO 卫星，搭载RDSS 和RNSS 业务有效载荷，提供RDSS 和RNSS 业务两种导航信号；其余两颗卫星需符合搭载RNSS 业务有效载荷，提供RNSS 业务导航信号，如图1 所示。

北斗广义RDSS 定位属于RDSS 业务与RNSS 业务的结合，卫星到用户的RNSS 业务导航参数测量和用户位置计算由用户终端完成；卫星到用户的RDSS业务导航参数测量和用户位置解算由MCC 完成。用户终端需测量出GEO 卫星RNSS 信号与其它卫星RNSS 信号的时差，然后通过搭载RDSS 载荷的GEO卫星向MCC 发射携带时差信息的广义RDSS 定位入站申请信号，MCC 对该信号进行测量，计算出用户位置，并通过广义RDSS 定位出站信号反馈给用户。

3 北斗广义RDSS 定位算法

根据北斗广义RDSS 定位原理，通过观测RD 卫星建立一个RDSS 业务、一个RNSS 业务观测方程；通过观测两个RN 卫星建立两个RNSS 业务观测方程，由公式（1）给出：

式中：s1卫星搭载RDSS 和RNSS 业务有效载荷，s2和s3卫星搭载RNSS 业务有效载荷；Pu，s1RN、Pu，s2RN和Pu，s3RN为用户到卫星s1、s2和s3的RNSS 伪距观测量；t1为卫星s1广播的RDSS 业务出站信号时刻；t2为卫星s1接收用户RDSS业务入站信号时刻；（x，y，z）为用户位置坐标；（xsi，ysi，zsi）（i=1，2，3）为卫星位置坐标；δt为用户钟差。

将距离方程转化为时间方程，得到卫星si（i=1，2，3）到用户的传输时延方程tiu，如公式（2）所示：

式中：T0为MCC 经RD 卫星至用户的双向传输时延，由MCC 获得；t0为MCC 到RD 卫星的传输时延。用户根据式（1）、式（2）将计算得到的两个时差值∆、∆通过入站链路发送给MCC，MCC 根据卫星星历、钟差、电离层校正参数和用户观测量，完成对∆、∆的修正，进而得到三颗卫星到用户的距离，从而计算出用户位置，并通过出站链路将用户位置信息发送给用户。

由上可见，广义RDSS 定位无需高程数据辅助，用户仅需测量时差值，即可实现用户定位，设计简单操作简便。

4 北斗广义RDSS 定位服务性能

4.1 数据处理方法

为了评估北斗二号RDSS 定位、北斗三号RDSS定位、北斗三号广义RDSS 定位的服务性能，利用4个测站的监测接收机进行三种定位申请，4 个测站的坐标参数如表1 所示。用户机数据拷机时长均为24 h，数据间隔为1 s，三种定位申请采用循环入站方式，入站间隔为每5 s 一次。

表1 四个测站位置坐标

4.2 数据处理结果

北斗二号RDSS 定位要求定位精度优于水平20m；北斗三号RDSS 定位要求定位精度水平20 m；北斗三号广义RDSS 定位要求定位精度水平10 m、高程10 m。根据4 个测站的拷机结果，整理出三种定位方式的定位精度如表2 所示。其中每种定位的定位精度均满足指标要求，但从整体看来，北三广义RDSS 定位精度优于北三RDSS，北三RDSS 定位精度优于北二RDSS。除此之外，北三广义RDSS 定位不依赖于高程数据库，对定位高程精度亦可作出衡量。

表2 定位精度结果统计表m

对本地测站(东经114°，北纬38°)的数据进行分析，以经度、纬度、高程的真实值为参考，绘制北二RDSS 定位、北三RDSS 定位、北三广义RDSS 定位三种定位方式的经度、纬度、高程随时间的变化曲线，如图2 所示。其中红色实线代表的是北二RDSS 定位结果，蓝色“O”实线代表的是北三RDSS 定位结果，绿色“米”实线代表的是北三广义RDSS 定位结果，黑色“十”虚线代表的是真实值。

从图中曲线可以看出，三种RDSS 定位方式的定位结果中，北三广义RDSS 定位的定位经度、纬度与真实值更相近。对于定位高程如下页图2-3 所示，北二RDSS 定位和北三RDSS 定位的定位高程结果为一直线，由测控中心取自数字高程库中的一个固定值，无法对高程进行衡量，而北三广义RDSS 定位的高程与真实的高程大致相同，可对高程进行衡量。

5 结论

1）北斗广义RDSS 定位相较北斗RDSS 定位而言，增加了一个卫星的RNSS 业务观测方程，无需高程辅助，只需用户填写测量时差，实现简单；

2）北斗广义RDSS 定位的定位精度小于10 m，优于北二RDSS 定位和北三RDSS 定位，与真实值最为相近，且能对定位高程精度进行衡量。

3）北斗广义RDSS 定位兼具RNSS 和RDSS 业务特点，在实际应用中可使用GNSS 开放信号作为RNSS 信号，能够提供全球范围内的定位服务，具有广阔的应用前景。