في جميع أنحاء العالم4تحليل موجز لأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الكبيرة

ملخص: بهدف دراسة أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية بشكل أعمق، أُجري تحليل مقارن لأربعة أنظمة عالمية قائمة للملاحة عبر الأقمار الصناعية: نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS)، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ونظام غاليليو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (Galileo)، ونظام غلوناس للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GLONASS). وقد تمت مقارنة هذه الأنظمة من حيث الكوكبة، ونظام الإشارة، ونظام الإحداثيات والوقت، وأداء الخدمة. وتم تسليط الضوء على مزايا نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS). أظهرت النتائج أن نظام بيدو يتمتع بمزايا كبيرة في كوكبة النظام وتشفير المعلومات، وأن أداء خدمة النظام يُعادل أداء نظامي GPS وGalileo، ويتفوق على أداء نظام غلوناس. يعتمد نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية على المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO)، والمدار المتزامن المائل بالنسبة للأرض (IGSO)، وتوزيع مدارات كوكبة الأرض في الغلاف الجوي المتوسط ​​(MEO)، مما يُحسّن دقة تحديد المواقع وتوافرها في منطقة آسيا والمحيط الهادئ. كما أن تشفير التحقق من التكافؤ منخفض الكثافة ذي 64 قاعدة (LDPC) المستخدم في نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) أفضل من طرق التشفير المستخدمة في الأنظمة الأخرى. بالمقارنة مع ترميز LDPC الثنائي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، فإنه يمكن أن يحقق مكسبًا إضافيًا يتراوح بين 0.6 و 1.2 ديسيبل.

الكلمات المفتاحية: نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمي؛ كوكبة النظام؛ نظام الإشارة؛ نظام الإحداثيات؛ توقيت النظام؛ أداء الخدمة

0 تعليقات

目前有4大全球卫星导航系统(النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية، GNSS)، BDS، نظام تحديد المواقع العالمي، نظام تحديد المواقع العالمي GPS، نظام غاليليو للملاحة عبر الأقمار الصناعية، غاليليو) والنظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية، GLONASS.على الرغم من أن نظام غلوناس يعمل في جميع أنحاء العالم، إلا أن أداءه أقل قليلاً من نظامي بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، كما أن مداره يميل بزاوية كبيرة، مما يؤدي إلى ضعف أدائه في خطوط العرض المنخفضة. أما نظام غاليليو، فرغم جودة بياناته، إلا أن استقرار ساعته الفضائية أقل قليلاً، مما يؤثر سلباً على موثوقية النظام. 

يتكون نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بشكل أساسي من قطاع فضائي، وقطاع أرضي، وقطاع مستخدم. ويعتمد مبدأ عمله على...كما يلي:

1) تتلقى أقمار الملاحة الموزعة وفقًا للكوكبة في القطاع الفضائي تصحيح الساعة والجداول الفلكية وغيرها من المعلومات التي يتم إدخالها في وصلة صاعدة من القطاع الأرضي لتعديل الإشارة، وتبث الإشارات إلى الأرض وفقًا لنظام الإشارة المحدد.

2) يقوم القطاع الأرضي بتتبع وصيانة الأقمار الصناعية الفضائية، ومراقبة حالة الأقمار الصناعية، وتقييم سلامة الأقمار الصناعية والإشارات، وتحديد مدار القمر الصناعي، وحقن تصحيح ساعة القمر الصناعي، والتقويم الفلكي، والتقويم الفلكي، ومعلمات تصحيح الغلاف الأيوني، وغيرها من المعلومات في وصلة الإرسال إلى القمر الصناعي بترددات محددة.

3) يستقبل جزء المستخدم إشارات من كل قمر صناعي مرئي، ويقوم بإجراء حسابات الموقع والسرعة والوقت (PVT) بناءً على الملاحظات التي تم الحصول عليها من إشارة التتبع ومعلومات التقويم والوقت التي تم الحصول عليها من الإشارة التي تم فك تشفيرها لتحديد موقع المستخدم وسرعته ومعلومات الوقت.يتضمن قطاع الفضاء لأنظمة الملاحة بشكل أساسي سمتين مهمتين:
① كوكبة فضائية تمثل التوزيع المكاني للأقمار الصناعية؛
٢- خصائص إشارات البث عبر الأقمار الصناعية. فيما يتعلق بالنظام ككل، فإن أكثر ما يشغل بال المستخدمين هو أداء الخدمة. تقارن هذه المقالة بشكل أساسي بين كوكبة الأقمار الصناعية، ونظام الإشارة، ونظام الإحداثيات والتوقيت، وأداء الخدمة لنظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، وتحلل خصائص نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) بناءً على ذلك.

1. تحليل مقارن لمجموعات الأقمار الصناعية GNSS

تشمل عناصر كوكبة نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية بشكل أساسي نوع الكوكبة، ونوع القمر الصناعي، وعدد الأقمار الصناعية، وارتفاع المدار، وميل المدار، وما إلى ذلك. يتشابه توزيع كوكبات أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) وجاليليو وجلوناس تقريبًا، وجميعها أقمار صناعية في مدار أرضي متوسط ​​(MEO). تتضمن كوكبة نظام بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) أقمارًا صناعية في مدار أرضي متوسط، وأقمارًا صناعية في مدار أرضي متزامن مائل (IGSO)، وأقمارًا صناعية في مدار أرضي ثابت (GEO). تقع أقمار بيدو الثلاثة في مدار أرضي ثابت فوق خط الاستواء، موزعة على التوالي عند 80 درجة شرقًا، و110.5 درجة شرقًا، و140 درجة شرقًا. أما أقمار بيدو الثلاثة في مدار أرضي متزامن مائل، فتتوزع في ثلاثة مستويات مدارية.[3]تتوزع أقمار نظام بيدو للملاحة الفضائية (BDS) البالغ عددها 24 قمراً في المدار المتوسط ​​(MEO) بالتساوي في ثلاثة مستويات مدارية، وتغطي مساراتها الفرعية العالم بأسره. وبفضل تصميم كوكبة الأقمار MEO/IGSO/GEO، يستطيع نظام بيدو تحسين رؤية أقماره بشكل كبير في منطقة آسيا والمحيط الهادئ، مما يُحسّن دقة تحديد المواقع وتوافر النظام.

                                          表1 مقارنة بين مجموعات الأقمار الصناعية لنظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمي

2. التحليل المقارن لأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية (GNSS)

لكل نظام من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأربعة الرئيسية خصائصه المميزة. أما بالنسبة لآلية الوصول المتعدد، فإن آلية الوصول المتعدد لأنظمة بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام غاليليو هي الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA). بينما تعتمد آلية الوصول المتعدد لنظام غلوناس حاليًا على الوصول المتعدد بتقسيم التردد (FDMA)، وتتمثل خطة تحديثه في تطويره نحو الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة (CDMA). وفيما يتعلق بمكونات الإشارة، فبالإضافة إلى بعض مكونات الإشارة المصرح بها أو الخاصة لأغراض محددة، فإن أنظمة بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام غاليليو تمتلكAfter a period of research and coordination, a compatible and interoperable cooperation agreement was reached on civil public signals, realizing the interoperability between BDS B1C and B2a with GPS L1, L5 and Galileo E1 and E5a respectively, which can greatly improve the service performance of satellite navigation systems and reduce the development cost of multi-system user terminals.يقارن الجدول 2 ويحلل بشكل أساسي أنظمة إشارات الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأربعة الرئيسية من حيث تردد الإشارة، وفرع الإشارة، وطريقة التضمين، وطريقة ترميز المعلومات، ومعدل الرموز، وعرض نطاق الإشارة، بحيث يمكن للقراء الحصول على فهم شامل ومنهجي لإشارات كل نظام.

                                           表2  GNSSمقارنة أنظمة الإشارة[4-9]

الخيار الثاني: BPSK (مفتاح إزاحة الطور الثنائي) QMBOC (حامل الإزاحة الثنائي التربيعي المتعدد) QMBOC (ثنائي مضاعفة الإرسال الزمني) ناقل الإزاحة)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(حامل الإزاحة الثنائي المركب)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem) هو Bose وChaudhuri وHocquendhem وHocquendhem.As can be seen from Table 2, the B1C signal of BDS, the L1C signal of GPS and the E1 signal of Galileo work at 1 575.42 MHz, and the debugging method is binary offset carrier (BOC) type modulation; the B2a signal of BDS, the L5 signal of GPS and the E5a signal of Galileo work at 1 176.45 MHz, where B2a and L5 are quadrature phase shift keying (QPSK) modulation methods, and E5a is alternating binary offset carrier (AltBOC) modulation method. The consistency of frequencies and the similarity of modulation methods create prerequisites for GNSS compatibility and interoperability. Currently, compatibility and interoperability can be achieved very well at 1 575.42 MHz.فيما يتعلق بتصميم رسائل الملاحة، أدخل نظام بيدو للملاحة الفضائية (BDS) ترميز التحقق من التكافؤ منخفض الكثافة ذي 64 قاعدة (LDPC) كميزة أساسية في ترميز رسائل الملاحة. وقد طورت الصين بشكل مستقل مخططات الترميز وفك الترميز الخاصة به، وقد تحسن أداؤه بشكل كبير مقارنةً بترميز LDPC الثنائي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يتشابه تعقيد ترميز LDPC ذي 64 قاعدة مع ترميز LDPC الثنائي بشكل أساسي؛ أما من حيث فك الترميز، فإن تعقيد فك ترميز LDPC ذي 64 قاعدة يزيد بنحو 6 أضعاف عن فك ترميز LDPC الثنائي. ويبلغ معدل خطأ البت 1×10⁻⁶-5في ظل هذه الظروف، يكون كسب ترميز LDPC ذو 64 مستوى أعلى بمقدار 0.6 إلى 1.2 ديسيبل من كسب ترميز LDPC الثنائي، مما يحقق فوائد كبيرة لتحسين مؤشرات بدء التشغيل البارد لمحطة المستخدم..

3. التحليل المقارن لأنظمة إحداثيات وتوقيت نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية

3.1 التحليل المقارن لأنظمة الإحداثيات

The coordinate system of the satellite navigation system is particularly important. The satellite position and satellite speed calculated from the satellite ephemeris parameters and almanac parameters are directly represented in the system coordinate system. The system coordinate system defines the datum ellipsoid required to establish the corresponding geodetic coordinate system, describes the Earth's gravity field model corresponding to the geoid, and provides corrected basic geodetic parameters. The corrected basic geodetic parameters of each system are shown in Table 3.

                                             表3 المعلمات الجيوديسية الأساسية لكل نظام إحداثي[4-9]

نظام إحداثيات بيدو (BDCS) هو نظام إحداثيات أرضي مركزي. يتوافق تعريف BDCS مع مواصفات الخدمة الدولية لدوران الأرض (IERS)، ويستخدم معلمات القطع الناقص المرجعي لنظام الإحداثيات الجيوديسية الصيني لعام 2000 (CGCS2000). يكمن الاختلاف الرئيسي بين BDCS وCGCS2000 في وتيرة التحديث؛ فنظام BDCS هو نظام إحداثيات خاص بنظام بيدو للملاحة الفضائية (BDS) ويمكن تحديثه مرة واحدة سنويًا أو نصف سنويًا؛ بينما نظام CGCS2000 هو نظام إحداثيات وطني ذو نطاق واسع من الارتباطات وفترة تحديث طويلة. سيتم مواءمة تطبيق BDCS مع أحدث إطار مرجعي أرضي دولي (ITRF). نظام WGS84 (النظام الجيوديسي العالمي 84) هو نظام الإحداثيات الجيوديسية المستخدم في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الأمريكي؛ ونظام GTRF (الإطار المرجعي الأرضي لنظام غاليليو) هو نظام الإحداثيات الجيوديسية المستخدم في نظام غاليليو التابع للاتحاد الأوروبي؛ ونظام PZ-90 (نظام PZ-90 الجيوديسي) هو نظام الإحداثيات الجيوديسية الذي أنشأته روسيا.

3.2 التحليل المقارن للأنظمة الزمنية

يُعدّ نظام التوقيت جوهر نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية وركيزة أساسية لعمله الطبيعي. وقد أنشأت أنظمة بيدو للملاحة عبر الأقمار الصناعية (BDS) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام غاليليو أنظمة توقيت مخصصة تعتمد على التوقيت الذري. ويتم توليد أطوال الثواني فيها بناءً على رصد الساعات الذرية والساعات الذرية الفضائية المثبتة في محطات الرصد الأرضية. وهي في جوهرها توقيت ذري، وبالتالي فهي متصلة، دون الحاجة إلى ثوانٍ كبيسة كما هو الحال في التوقيت العالمي المنسق. أما توقيت نظام غلوناس (GLONASST) فيختلف عن أنظمة التوقيت الثلاثة الأخرى. فهو نظام توقيت ذري مشابه للتوقيت العالمي المنسق (UTC). ويُدخل ثوانٍ كبيسة أثناء التشغيل، ويستخدم توقيت موسكو كمرجع، ويعود أصله إلى التوقيت العالمي المنسق (UTC) الذي يُشرف عليه المعهد الروسي لعلم قياس التوقيت.يتم توليد توقيت بيدو (BDT) وصيانته بواسطة محطة التحكم الرئيسية لنظام بيدو للملاحة الفضائية، ويمكن تتبعه إلى التوقيت العالمي المنسق (NTSC) الذي يتولى صيانته المركز الوطني لخدمات التوقيت. أما توقيت نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) (GPST) فيتم توليده وصيانته بواسطة محطة التحكم الرئيسية لنظام تحديد المواقع العالمي، ويمكن تتبعه إلى التوقيت العالمي المنسق (UTC) الذي يتولى صيانته المرصد البحري الأمريكي.[12].يعتمد توقيت غاليليو (توقيت غاليليو، ضريبة السلع والخدمات) على المكتب الدولي للأوزان والمقاييس، BIPM.يُقاس التوقيت الذري الدولي (TAI) بالثواني الذرية، ويبدأ حسابه من الساعة 0:00 بالتوقيت العالمي (UT) في 1 يناير 1958. في ذلك الوقت، كان الفرق بين التوقيت العالمي والتوقيت الذري الدولي صفرًا، ثم ازداد تدريجيًا عامًا بعد عام. في عام 1972، ولتوحيد الفروقات بين التوقيت الذري الدولي والتوقيت العالمي، اقتُرح حل وسط يُعرف بالتوقيت العالمي المنسق. يعتمد التوقيت العالمي المنسق على طول الثواني في التوقيت الذري الدولي بدقة. عندما يتجاوز الفرق بينه وبين التوقيت العالمي 0.9 ثانية، تُضاف ثانية كبيسة بمقدار ثانية واحدة، بحيث يكون الفرق بين التوقيت العالمي والتوقيت العالمي المنسق دائمًا في حدود 0.9 ثانية.[13]. The system time comparison of the four major satellite navigation systems is shown in Table 4.

                                                      表4 GNSSمقارنة نظام الوقت

بحسب التحليل المقارن، تم تحديد بداية فترة التوقيت العالمي المنسق (GST) قبل 13 ثانية من 22 أغسطس 1999 الساعة 00:00:00 (UTC) لتتوافق مع التوقيت العالمي المنسق (GPST). ويتأخر كل من التوقيت العالمي المنسق (GST) والتوقيت العالمي المنسق (GPST) عن التوقيت الذري (TAI) بمقدار 19 ثانية.

يوضح الشكل 1 العلاقة التحويلية بين كل وقت من أوقات النظام.

صورة1 علاقة تحويل وقت النظام

4. تحليل مقارن لأداء خدمة نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية

يشمل أداء خدمة أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الدقة والسلامة والاستمرارية والتوافر، والتي يهتم المستخدمون بها أكثر من غيرها فيما يتعلق بالدقة والتوافر.Service accuracy includes positioning accuracy, speed measurement accuracy and time measurement accuracy. Positioning accuracy is the statistical value of the difference between the position determined by the user using satellite signals and its true position, including horizontal positioning accuracy and vertical positioning accuracy. Speed ​​measurement accuracy is the statistical value of the difference between the speed determined by the user using satellite signals and its true speed, which is generally the three-dimensional space speed error. Time measurement accuracy is the statistical value of the difference between the time determined using satellite signals and the time of the satellite navigation system.Service availability is the ratio of system service time to expected service time. The serviceable time is the time when the position dilution of precision (PDOP) availability and positioning availability within the specified area meet the requirements. PDOP availability is the percentage of time that the PDOP value meets the threshold requirements within a specified geographical or spatial area and time period. Positioning availability is the percentage of time that the positioning accuracy meets the threshold requirements within the specified service area and time period.تعتمد دقة تحديد المواقع في نظام الملاحة بشكل أساسي على عاملين: ① قيمة PDOP؛ ② خطأ المدى المكافئ للمستخدم (UERE). يتكون خطأ المدى المكافئ للمستخدم من خطأ المدى للمستخدم (URE) وخطأ جهاز المستخدم (UEE). يمثل URE مجموع أخطاء قياس المسافة من القمر الصناعي إلى جهاز المستخدم، والناتجة عن أخطاء في مدار القمر الصناعي وساعة القمر، وهو ما يحدده نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية بشكل رئيسي. أما UEE، فهو الخطأ الناتج عن تأثيرات تعدد المسارات الأرضية وضوضاء حلقة استقبال المستخدم، وغيرها، وهو ما يحدده بيئة الاستخدام وتصميم جهاز الاستقبال المحلي بشكل رئيسي.استنادًا إلى مواصفات أداء الخدمة وأحدث مواد المؤتمرات الرسمية من BDS وGPS وGalileo وGLONASS[3,14-17]تم فرز معايير أداء الخدمة العامة لكل نظام من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية، وتظهر النتائج في الجدول 5. في الجدول 5، يمثل RMS (متوسط ​​الجذر التربيعي) متوسط ​​الجذر التربيعي.

                                                 表5  جي إم إس إسفضح معلمات أداء الخدمة

في الواقع، يتجاوز الأداء الفعلي لكل نظام من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية الأداءَ المُعلن عنه للخدمة العامة. وذلك وفقًا لتقرير مكتب إدارة الأقمار الصناعية الصيني في الاجتماع الرابع عشر للجنة الدولية لأنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (ICG) عام 2019.[18]تبلغ دقة تحديد الموقع الأفقي المقاسة لـ BDS B1I/B3I 3.6 متر (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة تحديد الموقع الارتفاعي 6.6 متر (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة قياس السرعة 0.05 متر/ثانية (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة التوقيت 9.8 نانوثانية (بنسبة موثوقية 95%). أما دقة تحديد الموقع الأفقي المقاسة لـ B1C/B2a فتبلغ 2.4 متر (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة تحديد الموقع الارتفاعي 4.3 متر (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة قياس السرعة 0.06 متر/ثانية (بنسبة موثوقية 95%)، ودقة التوقيت 19.1 نانوثانية (بنسبة موثوقية 95%).وفقًا للمكتب الوطني للتنسيق للمؤتمر الدولي الرابع عشر للمجموعات الاستشارية في عام 2019(مكتب التنسيق الوطني، NCO).[19]تُظهر النتائج الإحصائية للفترة من 14 نوفمبر 2018 إلى 13 نوفمبر 2019 أن متوسط ​​خطأ تحديد الموقع (URE) لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يبلغ 0.514 متر، وأن أفضل يوم بلغ فيه خطأ تحديد الموقع 0.362 متر، بينما بلغ أسوأ يوم 0.666 متر. وذلك وفقًا لتقرير وكالة الفضاء الأوروبية في المؤتمر الدولي الرابع عشر لأنظمة الاتصالات (ICG) عام 2019.[20-21]، وكان خطأ تحديد الموقع بواسطة قمر جاليليو الصناعي الذي تم حسابه في سبتمبر 2019 هو 0.27 متر (النتيجة تحت موثوقية 95٪)، وكانت أسوأ دقة لتحديد الموقع تم رصدها في المنطقة الاستوائية هي 2.79 متر (النتيجة تحت موثوقية 95٪).

5 الخاتمة

This article makes a detailed comparison of the four existing GNSS, analyzes the constellation characteristics of the system, and points out the advantages of the BOS MEO/IGSO/GEO combined constellation; summarizes the signal system of each navigation system, highlighting the advantages of multi-system compatibility and interoperability and BDS information encoding; conducts a comparative analysis of the coordinate system and time system of each system; analyzes the service performance of the satellite navigation system,يتم تلخيص معلمات أداء الخدمة لكل نظام ملاحي.من خلال التحليل المقارن، يتضح أنه بعد عولمة نظام بيدو للملاحة الفضائية (BDS)، أصبح يتمتع بتقنية متقدمة، ووظائف متكاملة، وأداء ممتاز، وتوافقية عالية مع نظامي تحديد المواقع العالمي (GPS) وجاليليو، فضلاً عن امتلاكه حقوق ملكية فكرية مستقلة تماماً. وهو الآن في مرحلة التشغيل جنباً إلى جنب مع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، مما يوفر ضمانة هامة لانتشاره عالمياً ليصبح النظام الرائد دولياً. ومع استمرار الدولة في الاستثمار بكثافة في الموارد والكوادر البشرية، يُتوقع أن يتصدر نظام بيدو للملاحة الفضائية (BDS) أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) الأجنبية في المستقبل القريب.

This article is reprinted from "Surveying and Mapping Academic Information" to support the protection of intellectual property rights. Please indicate the original source and author when reprinting. If there is any infringement, please contact us to delete it.