北斗卫星导航系统时空参考系| 韩春好

The space-time references of BeiDou Navigation Satellite System

Chunhao Han, Li Liu*, Zhiwu Cai and Yuting Lin

Satellite Navigation(2021)2: 18

引用文章:

Han, C. H., Liu, L., Cai, Z. W. et al. The space-time references of BeiDou Navigation Satellite System. Satell Navig 2, 18 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00044-0.

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Editorial Summary

BDS: Space-time references

The BeiDou Navigation Satellite System(BDS) is essentially a precise time measurement and time synchronization system for a large-scale space near the Earth. General relativity is the basic theoretical framework  for the informationprocessing in the master control station of BDS. Having introduced the basicconceptions of relativistic space-time reference systems, the space-timereferences of BDS are analyzed and the function and acquisition method of the Earth Orientation Parameters (EOP) are briefly discussed. The basic spacereference of BDS is BeiDou Coordinate System (BDCS), and the time standard is the BDS Time (BDT). BDCS and BDT are the realizations of the Geocentric Terrestrial Reference System (GTRS) and the Terrestrial Time (TT) for BDS, respectively. The station coordinates in the BDCS are consistent with those in ITRF2014 at the cm level and the difference in scale is  about 1.1ⅹ10^-8 .The time deviation of BDT relative to International Atomic Time（TAI） is lessthan 50ns and the frequency deviation is less than 2ⅹ10^-14. The Geocentric Celestial Reference System (GCRS) and the solar Barycentric Celestial Reference System (BCRS) are also involved in the operation of BDS.The observation models for time synchronization and precise orbit determinationare established within the GCRS framework. The coordinate transformation between BDCS and GCRS is consistent with the International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS). In the autonomous operation mode without the support of the ground master control station, EOP is obtained by means of long-term prediction and on-board observation. The observation models for the on-board astrometry should be established within the BCRS framework.

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本文亮点

1. 介绍了牛顿时空参考系与相对论时空参考系的基本概念，全面总结了局域惯性参考系、太阳系质心天球参考系、地心天球参考系、地心地固参考系等常用相对论性时空参考系的定义及其内涵。

2. 详细讨论了北斗卫星导航系统（BDS）的时空参考，明确了BDS时空基准北斗时（BDT）和北斗坐标系（BDCS）分别是地球时和地心地球参考系的具体实现，并指出时间同步与精密定轨观测模型建立在地心天球参考系下，BDCS与地心天球参考系之间的坐标转换符合国际地球自转服务规范。

3. 分析了北斗卫星导航系统时空基准实现精度，BDCS参考框架点坐标与ITRF2014在厘米级水平保持一致，尺度因子的差异在1.1ⅹ10^-8左右；BDT与国际原子时的时间偏差小于50ns，频率偏差小于2ⅹ10^-14。

内容简介

北斗卫星导航系统本质上是一个近地大尺度空间的精密时间测量和时间同步系统。广义相对论是北斗卫星导航系统主控站信息处理的基本理论框架。文章介绍了相对论性时空参考系的基本概念，分析了北斗卫星导航系统的时空参考，简要讨论了地球定向参数的作用和获取方法。北斗卫星导航系统的空间参考基准是北斗坐标系，时间基准是北斗时。北斗坐标系和北斗时分别是地心地球参考系和地球时在北斗卫星导航系统的具体实现。北斗坐标系参考框架点坐标与ITRF2014在厘米级水平保持一致，尺度因子的差异在1.1ⅹ10^-8左右。北斗时与国际原子时的时间偏差小于50ns，频率偏差小于2ⅹ10^-14。北斗卫星导航系统的运行控制还涉及地心天球参考系和太阳系质心天球参考系，时间同步与精密定轨观测模型建立在地心天球参考系框架下，北斗坐标系与地心天球参考系之间的坐标转换符合国际地球自转服务规范。在无地面主控站支持的自主运行模式下，地球自转参数通过长期预报或星上观测来获得，星上天体测量的观测模型应该建立在太阳系质心天球参考系框架下。

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                     图文导读 

I.北斗坐标系定义常数以及与ITRF2014转换参数

BDCS相关的参考椭球定义常数如下表所示。

利用北斗监测站和全球100多个IGS站的BDS数据计算了北斗坐标系，利用30多个未参加解算的IGS站数据计算了BDCS与ITRF2014的7个转换参数，结果表明：BDCS与ITRF2014在厘米级水平保持一致，尺度因子的差异约为1.1ⅹ10^-8。

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II.北斗时定义以及与协调世界时（UTC）偏差

BDT是一个连续的时间尺度，由主控台的原子钟组以综合原子时形式实现，其时间起点是UTC时间2006年1月1日00:00:00。在BDS无线电导航卫星服务（RNSS）中，BDT以周数和周内秒计算。BDS设计的整周计数重复周期是GPS的8倍，最大重复周期为8192。在BDS无线电测定卫星服务（RDSS）中，BDT以年数和年内分钟数计算。BDT整秒数比国际原子时慢33秒，秒以内小数时间偏差小于50ns，频率偏差小于2ⅹ10^-14。BDT与UTC之间的秒内小数时间偏差如下图所示。

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作者简介

  韩春好 研究员

  本文第一作者

      中国科学院上海天文台/北京卫星导航中心

▍第一作者简介韩春好，研究员，博士生导师，长期从事相对论时空参考系、卫星导航及时间频率领域的教学科研和工程研制建设工作，曾任 IAU/BIPM“计量学与时空参考系相对论”联合委员会成员，ITU“UTC未来”议题中方代表和亚太电联协调人及起草组主席，主持国家和军队重大项目多项，荣获“新中国军事测绘60年突出贡献奖”、“中国天文学会90年突出贡献奖”，“北斗二号工程建设突出贡献奖”、“时间频率领域杰出贡献奖”，享受国务院政府特贴，代表作《时空测量原理》。

刘利 博士

 本文通讯作者

 北京卫星导航中心

▍通讯作者简介

本文通讯作者是北京卫星导航中心正高级工程师，主要从事卫星导航信息处理方向研究，先后任中国卫星导航年会专业学术分会主席，卫星导航重大专项质量可靠性专家组专家，ICG兼容与互操作组坐标系子工作组负责人，主持和参加国家重大工程、自然科学基金、863等科研课题50多项，获军队和省部级特等奖、一等奖等10多项，在国内外核心刊物发表学术论文80余篇。

撰稿：刘利 博士

编辑：《卫星导航（英文）》编辑部

审校：韩教授

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