weltweit4Eine kurze Analyse großer Satellitennavigationssysteme

Zusammenfassung: Zur weiteren Erforschung von Satellitennavigationssystemen wird eine vergleichende Analyse der vier bestehenden globalen Satellitennavigationssysteme Beidou (BDS), Global Positioning System (GPS), Galileo (Galileo) und GLONASS (GLONASS) durchgeführt. Die Systeme werden hinsichtlich Konstellation, Signalsystem, Koordinaten- und Zeitsystem sowie Servicequalität verglichen, wobei die Vorteile von BDS herausgearbeitet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass BDS große Vorteile in Bezug auf Systemkonstellation und Informationskodierung aufweist und eine vergleichbare Servicequalität wie GPS und Galileo, jedoch besser als GLONASS bietet. BDS basiert auf geostationären (GEO), geneigten geosynchronen (IGSO) und mesosphärischen (MEO) Umlaufbahnen, wodurch die Positionsgenauigkeit und Verfügbarkeit im asiatisch-pazifischen Raum verbessert werden können. Die von BDS verwendete LDPC-Kodierung (Low-Density Parity Check) mit 64 Basenpaaren ist den Kodierungsmethoden der anderen Systeme überlegen. Im Vergleich zur binären LDPC-Codierung von GPS kann ein zusätzlicher Gewinn von 0.6 bis 1.2 dB erzielt werden.

Schlüsselwörter: globales Satellitennavigationssystem; Systemkonstellation; Signalsystem; Koordinatensystem; Systemzeit; Dienstleistung

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目前有4大全球卫星导航系统 (Globales Navigationssatellitensystem, GNSS), 包括中国的北斗卫星导航系统 (BeiDou Navigationssatellitensystem, BDS）、美国的全球定位系统（Globales Positionierungssystem, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo-Navigationssatellitensystem, Galileo (globales umlaufendes Navigationssatellitensystem), GLONASS）Obwohl GLONASS weltweit im Einsatz ist, ist seine Leistung etwas geringer als die von BDS und GPS. Zudem weist die GLONASS-Umlaufbahn eine hohe Bahnneigung auf, was zu einer schlechten Genauigkeit in niedrigen Breitengraden führt. Die Qualität der Galileo-Beobachtungen ist besser, jedoch ist die Stabilität der Satellitenuhr etwas geringer, was die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt. 

GNSS besteht im Wesentlichen aus einem Weltraumsegment, einem Bodensegment und einem Nutzersegment. Sein Funktionsprinzipwie folgt:

1) Die gemäß der Konstellation im Weltraumsegment verteilten Navigationssatelliten empfangen vom Bodensegment über eine Uplink-Verbindung Taktkorrekturen, Ephemeriden und andere Informationen zur Signalmodulation und senden die Signale gemäß dem vorgeschriebenen Signalsystem zur Erde.

2) Das Bodensegment verfolgt und wartet Weltraumsatelliten, überwacht den Zustand der Satelliten, bewertet die Integrität der Satelliten und Signale, bestimmt die Umlaufbahn des Satelliten und speist die Uhrenkorrektur, Ephemeriden, Almanach, ionosphärischen Korrekturparameter und andere Informationen des Satelliten über bestimmte Frequenzen in den Satelliten ein.

3) Das Benutzersegment empfängt Signale von jedem sichtbaren Satelliten und führt Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitberechnungen (PVT) auf der Grundlage der aus dem Tracking-Signal gewonnenen Beobachtungen und der aus dem demodulierten Signal gewonnenen Ephemeriden- und Zeitinformationen durch, um die Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitinformationen des Benutzers zu bestimmen.Das Weltraumsegment des Navigationssystems umfasst im Wesentlichen zwei wichtige Merkmale:
① A space constellation that represents the spatial distribution of satellites;
② Eigenschaften von Satellitenrundfunksignalen. Für die Nutzer ist die Servicequalität des Gesamtsystems von größtem Interesse. Dieser Artikel vergleicht daher die Satellitenkonstellation, das Signalsystem, das Koordinaten- und Zeitsystem sowie die Servicequalität von GNSS und analysiert darauf aufbauend die Eigenschaften von BDS.

1 Vergleichende Analyse von GNSS-Konstellationen

The elements of a satellite navigation system space constellation mainly include constellation type, satellite type, number of satellites, orbital altitude, orbital inclination, etc. The constellation distribution of GPS, Galileo and GLONASS is roughly the same, and the satellites are all medium Earth orbit (MEO) satellites. The BDS constellation includes MEO satellites, inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites and geostationary orbit (GEO) satellites. BDS's three GEO satellites are located above the equator, respectively distributed at 80°E, 110.5°E and 140°E. BDS’s three IGSO satellites are distributed in three orbital planes[3].Die 24 MEO-Satelliten von BDS sind gleichmäßig auf drei Orbitalebenen verteilt, und ihre Subsatellitenbahnen decken die Erde ab. Durch die Anordnung der MEO/IGSO/GEO-Satellitenkonstellation kann BDS die Sichtbarkeit seiner Satelliten im asiatisch-pazifischen Raum deutlich verbessern und somit die Positionsgenauigkeit und Verfügbarkeit des Systems erhöhen.

                                          Tisch1 Vergleich globaler Satellitennavigationssysteme und Weltraumkonstellationen

2 Vergleichende Analyse von GNSS-Systemen

Jedes der vier großen Satellitennavigationssysteme besitzt seine spezifischen Merkmale. BDS, GPS und Galileo nutzen den Mehrfachzugriffsmechanismus CDMA (Code Division Multiple Access). GLONASS verwendet derzeit FDMA (Frequency Division Multiple Access) und plant die Modernisierung hin zu CDMA. Hinsichtlich der Signalkomponenten verfügen BDS, GPS und Galileo – neben einigen autorisierten oder proprietären Komponenten für spezielle Zwecke – über …Nach einer Phase der Forschung und Koordinierung wurde eine kompatible und interoperable Kooperationsvereinbarung über zivile öffentliche Signale erzielt, die die Interoperabilität zwischen BDS B1C und B2a mit GPS L1, L5 bzw. Galileo E1 und E5a realisiert, was die Serviceleistung von Satellitennavigationssystemen erheblich verbessern und die Entwicklungskosten von Multisystem-Benutzerendgeräten senken kann.Tabelle 2 vergleicht und analysiert hauptsächlich die vier wichtigsten Satellitennavigationssignalsysteme hinsichtlich Signalfrequenz, Signalzweig, Modulationsverfahren, Informationskodierungsverfahren, Symbolrate und Signalbandbreite, damit die Leser ein umfassendes und systematisches Verständnis der Signale jedes Systems erhalten.

                                           Tisch2  GNSSVergleich der Signalsysteme[4-9]

Beispiel 2: BPSK (binäre Phasenumtastung), QMBOC (Quadratur-Multiplex-Binär-Offset-Träger). Multiplexed Binary Offset Carrier)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(Composite Binary Offset Carrier)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem) von Bose, Chaudhuri und Hocquendhem.Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, arbeiten das B1C-Signal von BDS, das L1C-Signal von GPS und das E1-Signal von Galileo bei 1575,42 MHz. Die verwendete Modulationsmethode ist die binäre Offset-Carrier-Modulation (BOC). Das B2a-Signal von BDS, das L5-Signal von GPS und das E5a-Signal von Galileo arbeiten bei 1176,45 MHz. B2a und L5 verwenden die Quadraturphasenumtastung (QPSK), während E5a die alternierende binäre Offset-Carrier-Modulation (AltBOC) nutzt. Die Übereinstimmung der Frequenzen und die Ähnlichkeit der Modulationsverfahren schaffen Voraussetzungen für die Kompatibilität und Interoperabilität von GNSS-Systemen. Aktuell lässt sich bei 1575,42 MHz eine sehr gute Kompatibilität und Interoperabilität erreichen.Im Bereich der Navigationsnachrichtengestaltung führte BDS die 64-Basen-LDPC-Codierung (Low Density Parity Check) als wichtiges Merkmal ein. Die Codierungs- und Decodierungsverfahren wurden unabhängig in China entwickelt und bieten eine deutlich verbesserte Leistung im Vergleich zur binären LDPC-Codierung von GPS. Die Komplexität der 64-Basen-LDPC-Codierung und der binären LDPC-Codierung ist im Wesentlichen gleich; die Decodierungskomplexität der 64-Basen-Decodierung ist jedoch etwa sechsmal so hoch wie die der binären Decodierung. Die Bitfehlerrate beträgt 1 × 10⁻⁶.-5Unter diesen Bedingungen ist der Gewinn der 64-ären LDPC-Codierung um 0.6 bis 1.2 dB höher als der Gewinn der binären LDPC-Codierung, was erhebliche Vorteile für die Verbesserung der Kaltstartindikatoren des Benutzerendgeräts mit sich bringt..

3 Vergleichende Analyse von GNSS-Koordinaten- und Zeitsystemen

3.1 Comparative analysis of coordinate systems

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.

                                             Tisch3 Grundlegende geodätische Parameter jedes Koordinatensystems[4-9]

Das BeiDou-Koordinatensystem (BDCS) ist ein geozentrisches Erdreferenzsystem. Die Definition des BDCS entspricht der Spezifikation des International Earth Rotation Service (IERS) und verwendet die Referenzellipsoidparameter des chinesischen geodätischen Koordinatensystems 2000 (CGCS2000). Der Hauptunterschied zum CGCS2000 liegt in der Aktualisierungsfrequenz. Das BDCS ist ein spezielles Koordinatensystem für das BeiDou-System und kann jährlich oder halbjährlich aktualisiert werden; das CGCS2000 ist ein nationales Koordinatensystem mit einem breiten Spektrum an Korrelationen und einem langen Aktualisierungsintervall. Die Implementierung des BDCS wird an das neueste internationale terrestrische Referenzsystem (ITRF) angepasst. WGS84 (World Geodetic System 84) ist das vom US-amerikanischen GPS verwendete geodätische Koordinatensystem; GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) ist das vom europäischen Galileo-Programm verwendete geodätische Koordinatensystem; PZ-90 (PZ-90 Geodetic System) ist das von Russland etablierte geodätische Koordinatensystem.

3.2 Vergleichende Analyse von Zeitsystemen

Das Zeitsystem ist der Kern des Satellitennavigationssystems und die Grundlage für dessen ordnungsgemäßen Betrieb. BDS, GPS und Galileo haben jeweils eigene Zeitsysteme auf Basis der Atomzeit (AT) etabliert. Ihre Sekundenlängen werden anhand der Messungen von Atomuhren und Satellitenatomuhren an ihren Bodenstationen ermittelt. Sie basieren im Wesentlichen auf Atomzeit und sind daher kontinuierlich, ohne Schaltsekunden wie die koordinierte Weltzeit (UTC). Die GLONASS-Systemzeit (GLONASST) unterscheidet sich von den anderen drei Systemen. Sie ist ein Atomzeitsystem, ähnlich der koordinierten Weltzeit (UTC). Sie führt während des Betriebs Schaltsekunden ein, verwendet die Moskauer Zeit als Bezugspunkt und leitet ihren Ursprung von der koordinierten Weltzeit UTC (SU) des Russischen Instituts für Zeitmetrologie ab.Die BeiDou-Zeit (BDT) wird von der BDS-Hauptleitstelle generiert und verwaltet und ist auf die vom National Time Service Center verwaltete Koordinierte Weltzeit (NTSC) rückführbar. Die GPS-Zeit (GPS-Zeit, GPST) wird von der GPS-Hauptleitstelle generiert und verwaltet und ist auf die vom US Naval Observatory verwaltete Koordinierte Weltzeit UTC (USNO) rückführbar.[12].。Galileo时（Galileo-Zeit, GST）直接溯源到国际计量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。Die Internationale Atomzeit (TAI) wird in Atomsekunden gemessen und beginnt am 1. Januar 1958 um 0:00 Uhr Weltzeit (UT). Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Differenz zwischen Weltzeit und Internationaler Atomzeit null und nimmt seitdem jährlich zu. Um die Unterschiede zwischen Internationaler Atomzeit und Weltzeit zu harmonisieren, wurde 1972 ein Kompromiss vorgeschlagen: die Koordinierte Weltzeit (UTC). Die Koordinierte Weltzeit basiert auf der exakten Länge einer TAI-Sekunde. Überschreitet die Differenz zur Weltzeit 0.9 Sekunden, wird künstlich eine Schaltsekunde von 1 Sekunde eingefügt, sodass die Differenz zwischen Weltzeit und Koordinierter Weltzeit stets unter 0.9 Sekunden liegt.[13].Der Systemzeitvergleich der vier wichtigsten Satellitennavigationssysteme ist in Tabelle 4 dargestellt.

                                                      Tisch4 GNSSZeitsystemvergleich

Laut vergleichender Analyse wurde der Startzeitpunkt von GST auf 13 Sekunden vor dem 22.08.1999, 00:00:00 UTC, festgelegt, um mit GPST konsistent zu sein. Sowohl GST als auch GPST hinken TAI um 19 Sekunden hinterher.

Die Umrechnungsbeziehung zwischen den einzelnen Systemzeiten ist in Abbildung 1 dargestellt.

ein Bild1 Systemzeitkonvertierungsbeziehung

4 Vergleichende Analyse der GNSS-Dienstleistung

The service performance of satellite navigation systems includes accuracy, integrity, continuity and availability, of which users are most concerned about accuracy and availability.Die Genauigkeit des Dienstes umfasst die Genauigkeit der Positionsbestimmung, der Geschwindigkeitsmessung und der Zeitmessung. Die Positionsbestimmungsgenauigkeit ist der statistische Wert der Differenz zwischen der vom Nutzer mithilfe von Satellitensignalen ermittelten Position und seiner tatsächlichen Position, einschließlich der horizontalen und vertikalen Positionsbestimmungsgenauigkeit. Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung ist der statistische Wert der Differenz zwischen der vom Nutzer mithilfe von Satellitensignalen ermittelten Geschwindigkeit und seiner tatsächlichen Geschwindigkeit, im Allgemeinen der dreidimensionale Geschwindigkeitsfehler. Die Genauigkeit der Zeitmessung ist der statistische Wert der Differenz zwischen der mithilfe von Satellitensignalen ermittelten Zeit und der Zeit des Satellitennavigationssystems.Die Verfügbarkeit eines Dienstes ist das Verhältnis der tatsächlichen zur erwarteten Dienstzeit. Die verfügbare Dienstzeit ist die Zeit, in der die Positionsgenauigkeit (PDOP) und die Positionsverfügbarkeit innerhalb des festgelegten Bereichs die Anforderungen erfüllen. Die PDOP-Verfügbarkeit gibt den prozentualen Anteil der Zeit an, in der der PDOP-Wert die Schwellenwertanforderungen innerhalb eines festgelegten geografischen oder räumlichen Bereichs und Zeitraums erfüllt. Die Positionsverfügbarkeit gibt den prozentualen Anteil der Zeit an, in der die Positionsgenauigkeit die Schwellenwertanforderungen innerhalb des festgelegten Dienstebereichs und Zeitraums erfüllt.The positioning accuracy of the navigation system is mainly determined by two factors: ① PDOP value; ② user equivalent range error (UERE). UERE consists of user range error (URE) and user equipment error (UEE). Among them: URE is the sum of errors in the distance observation from the satellite to the user terminal caused by errors in the navigation satellite orbit and satellite clock error, which is mainly determined by the satellite navigation system; UEE is the error caused by ground multipath effects and user receiver loop noise, etc., which is mainly determined by the use environment and the design of the local receiver.Basierend auf den Leistungsspezifikationen und den neuesten offiziellen Konferenzmaterialien von BDS, GPS, Galileo und GLONASS[3,14-17]Die Leistungsparameter der einzelnen globalen Satellitennavigationssysteme für den öffentlichen Dienst wurden ermittelt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. In Tabelle 5 steht RMS (Root Mean Square) für den quadratischen Mittelwert.

                                                 Tisch5  GMSSLegen Sie Serviceleistungsparameter offen

Tatsächlich ist die gemessene Leistung jedes Satellitennavigationssystems besser als die vom öffentlichen Dienst versprochene Leistung. Dies geht aus dem Bericht des chinesischen Satellitenmanagementbüros auf der 14. Sitzung des Internationalen Komitees für globale Navigationssatellitensysteme (ICG) im Jahr 2019 hervor.[18].Die gemessene horizontale Positionsgenauigkeit des BDS B1I/B3I beträgt 3.6 m (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit), die Höhenpositionsgenauigkeit 6.6 m (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit), die Geschwindigkeitsmessgenauigkeit 0.05 m/s (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit) und die Zeitgenauigkeit 9.8 ns (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit). Die gemessene horizontale Positionsgenauigkeit des B1C/B2a beträgt 2.4 m (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit), die Höhenpositionsgenauigkeit 4.3 m (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit), die Geschwindigkeitsmessgenauigkeit 0.06 m/s (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit) und die Zeitgenauigkeit 19.1 ns (Ergebnis mit 95 % Zuverlässigkeit).Laut dem Nationalen Koordinierungsbüro der 14. ICG-Konferenz im Jahr 2019室 (National Coordination Office, NCO)的报告[19].Die statistischen Ergebnisse vom 14.11.2018 bis zum 13.11.2019 zeigen, dass die durchschnittliche URE von GPS 0.514 m beträgt, die beste Tages-URE 0.362 m und die schlechteste Tages-URE 0.666 m. (Laut Bericht der Europäischen Weltraumorganisation auf der 14. ICG-Konferenz 2019)[20-21], the Galileo satellite URE calculated in September 2019 was 0.27 m (result under 95% reliability), and the worst positioning accuracy monitored in the equatorial region was 2.79 m (result under 95% reliability).

5 Fazit

Dieser Artikel vergleicht detailliert die vier bestehenden GNSS-Systeme, analysiert deren Konstellationsmerkmale und hebt die Vorteile der kombinierten BOS MEO/IGSO/GEO-Konstellation hervor; er fasst die Signalsysteme der einzelnen Navigationssysteme zusammen und betont die Vorteile der Multi-System-Kompatibilität und Interoperabilität sowie der BDS-Informationskodierung; er führt eine vergleichende Analyse der Koordinaten- und Zeitsysteme der einzelnen Systeme durch; und er analysiert die Leistungsfähigkeit der Satellitennavigationssysteme.Die Serviceleistungsparameter jedes Navigationssystems werden zusammengefasst.Durch vergleichende Analysen lässt sich feststellen, dass BDS nach der Globalisierung über fortschrittliche Technologie, umfassende Funktionen, hervorragende Leistung, exzellente Kompatibilität und Interoperabilität mit GPS und Galileo sowie über vollständig unabhängige Schutzrechte verfügt. Es befindet sich in der Phase des parallelen Betriebs mit GPS, was eine wichtige Voraussetzung für die globale Expansion und die Etablierung als internationaler Standard darstellt. Da das Land weiterhin massiv in Ressourcen und Personal investiert, wird erwartet, dass BDS in naher Zukunft eine führende Rolle im internationalen GNSS-Markt einnehmen wird.

Dieser Artikel wurde aus „Surveying and Mapping Academic Information“ übernommen, um den Schutz urheberrechtlich geschützter Werke zu unterstützen. Bitte geben Sie bei einer Weiterveröffentlichung die Originalquelle und den Autor an. Sollten Urheberrechte verletzt werden, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.