en todo el mundo4Un breve análisis de los grandes sistemas de navegación por satélite.

Abstract: In order to further study satellite navigation systems, a comparative analysis of the four existing global satellite navigation systems is conducted: Beidou Satellite Navigation System (BDS), Global Positioning System (GPS), Galileo Satellite Navigation System (Galileo) and GLONASS Satellite Navigation System (GLONASS) are compared from the aspects of constellation, signal system, coordinate and time system and service performance; the advantages of BDS are pointed out. The results show that BDS has great advantages in system constellation and information encoding, and the system service performance is equivalent to GPS and Galileo, and better than GLONASS; BDS is based on geostationary orbit (GEO), inclined geosynchronous orbit (IGSO) and mesospheric earth The constellation distribution of orbits (MEO) can improve positioning accuracy and availability in the Asia-Pacific region; the 64-base low-density parity check (LDPC) encoding used by BDS is better than the encoding methods of other systems. Compared with the binary LDPC encoding of GPS, it can bring 0.6~1.2 dB of additional gain.

Palabras clave: sistema global de navegación por satélite; constelación del sistema; sistema de señales; sistema de coordenadas; tiempo del sistema; rendimiento del servicio

0 comentarios

目前有4大全球卫星导航系统（sistema global de navegación por satélite, GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（sistema de navegación por satélite BeiDou, BDS）、美国的全球定位系统（sistema de posicionamiento global, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Sistema de navegación por satélite Galileo, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（sistema global de navegación por satélite en órbita, GLONASS）。其中，BDS和GPS已服务全球，性能相当；功能方面，BDS较GPS多了区域短报文和全球短报文功能Aunque GLONASS lleva tiempo en servicio en todo el mundo, su rendimiento es ligeramente inferior al de BDS y GPS, y su órbita tiene una gran inclinación, lo que resulta en un rendimiento deficiente en latitudes bajas. La calidad de las observaciones de Galileo es mejor, pero la estabilidad del reloj del satélite es algo menor, lo que se traduce en una menor fiabilidad del sistema. 

El GNSS se compone principalmente de un segmento espacial, un segmento terrestre y un segmento de usuario. Su principio de funcionamientocomo sigue:

1) The navigation satellites distributed according to the constellation in the space segment receive clock correction, ephemeris and other information injected uplink from the ground segment for signal modulation, and broadcast signals to the ground according to the prescribed signal system.

2) The ground segment tracks and maintains space satellites, monitors the health of the satellites, evaluates the integrity of the satellites and signals, determines the satellite's orbit, and injects the satellite's clock correction, ephemeris, almanac, ionospheric correction parameters and other information uplink into the satellite at specific frequencies.

3) El segmento de usuario recibe señales de cada satélite visible y realiza cálculos de posición, velocidad y tiempo (PVT) basados ​​en las observaciones obtenidas de la señal de seguimiento y la información de efemérides y tiempo obtenida de la señal demodulada para determinar la información de posición, velocidad y tiempo del usuario.El segmento espacial del sistema de navegación incluye principalmente dos características importantes:
① A space constellation that represents the spatial distribution of satellites;
②Características de las señales de transmisión por satélite. En lo que respecta al sistema en su conjunto, lo que más preocupa a los usuarios es el rendimiento del servicio. Este artículo compara principalmente la constelación espacial, el sistema de señales, el sistema de coordenadas y tiempo y el rendimiento del servicio GNSS, y analiza las características del BDS sobre esta base.

1. Análisis comparativo de constelaciones GNSS

Los elementos de una constelación espacial de sistemas de navegación por satélite incluyen principalmente el tipo de constelación, el tipo de satélite, el número de satélites, la altitud orbital, la inclinación orbital, etc. La distribución de las constelaciones GPS, Galileo y GLONASS es prácticamente la misma, y ​​todos los satélites son de órbita terrestre media (MEO). La constelación BDS incluye satélites MEO, satélites de órbita geosíncrona inclinada (IGSO) y satélites de órbita geoestacionaria (GEO). Los tres satélites GEO de BDS se encuentran sobre el ecuador, distribuidos respectivamente a 80°E, 110.5°E y 140°E. Los tres satélites IGSO de BDS se distribuyen en tres planos orbitales.[ 3 ]Los 24 satélites MEO de BDS están distribuidos uniformemente en tres planos orbitales, y sus trayectorias puntuales subsatelitales cubren todo el mundo. Gracias a la configuración de la constelación MEO/IGSO/GEO, BDS puede mejorar significativamente la visibilidad de sus satélites en la región de Asia-Pacífico, lo que a su vez mejora la precisión y la disponibilidad del posicionamiento de BDS.

                                          Mesa1 Global satellite navigation system space constellation comparison

2. Análisis comparativo de sistemas GNSS

Each of the four major satellite navigation systems has its own characteristics. As for the multi-access mechanism, the multi-access mechanism of BDS, GPS and Galileo is code division multiple access (CDMA). The multi-access mechanism of GLONASS is currently frequency division multiple access (FDMA). Its modernization plan is to develop towards CDMA. As far as signal components are concerned, in addition to some authorized or proprietary signal components for special purposes, BDS, GPS and Galileo haveTras un período de investigación y coordinación, se alcanzó un acuerdo de cooperación compatible e interoperable sobre señales públicas civiles, logrando la interoperabilidad entre BDS B1C y B2a con GPS L1, L5 y Galileo E1 y E5a respectivamente, lo que puede mejorar en gran medida el rendimiento del servicio de los sistemas de navegación por satélite y reducir el coste de desarrollo de terminales de usuario multisistema.La Tabla 2 compara y analiza principalmente los cuatro principales sistemas de señales de navegación por satélite desde los aspectos de frecuencia de señal, rama de señal, método de modulación, método de codificación de información, tasa de símbolos y ancho de banda de la señal, para que los lectores puedan tener una comprensión integral y sistemática de las señales de cada sistema.

                                           Mesa2  GNSSComparación de sistemas de señalización[4 9-]

表2中：BPSK(codificación por desplazamiento de fase binaria）表示二相移相键控；QMBOC(portadora de compensación binaria multiplexada en cuadratura)表示正交复用二进制偏移载波调制；TMBOC(portadora de compensación binaria multiplexada en tiempo)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(portadora de compensación binaria compuesta)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem各自独立发现的二元线性循环码；CRC(verificación de redundancia cíclica)表示循环冗余校验.Como se puede observar en la Tabla 2, la señal B1C de BDS, la señal L1C de GPS y la señal E1 de Galileo operan a 1575,42 MHz, y el método de depuración es la modulación de portadora con desplazamiento binario (BOC). La señal B2a de BDS, la señal L5 de GPS y la señal E5a de Galileo operan a 1176,45 MHz, donde B2a y L5 son métodos de modulación de desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), y E5a es un método de modulación de portadora con desplazamiento binario alternante (AltBOC). La consistencia de las frecuencias y la similitud de los métodos de modulación crean las condiciones previas para la compatibilidad e interoperabilidad de los sistemas GNSS. Actualmente, la compatibilidad e interoperabilidad se logran de manera muy eficiente a 1575,42 MHz.In terms of navigation message design, BDS introduced 64-base low density parity check (LDPC) encoding as an important feature into navigation message encoding. Its encoding and decoding schemes were independently developed by China, and its performance is greatly improved compared to the binary LDPC encoding of GPS. The complexity of 64-base LDPC encoding and binary LDPC encoding are basically the same; in terms of decoding, the complexity of 64-base decoding is about 6 times that of binary decoding. Bit error rate is 1×10-5Under the conditions, the 64-ary LDPC coding gain is 0.6~1.2 dB higher than the binary LDPC coding gain, which brings considerable benefits to the improvement of cold start related indicators of the user terminal..

3 Comparative analysis of GNSS coordinates and time systems

3.1 Análisis comparativo de sistemas de coordenadas

El sistema de coordenadas del sistema de navegación por satélite es de suma importancia. La posición y la velocidad del satélite, calculadas a partir de los parámetros de las efemérides y del almanaque, se representan directamente en el sistema de coordenadas del sistema. Este sistema define el elipsoide de referencia necesario para establecer el sistema de coordenadas geodésicas correspondiente, describe el modelo del campo gravitatorio terrestre correspondiente al geoide y proporciona parámetros geodésicos básicos corregidos. Los parámetros geodésicos básicos corregidos de cada sistema se muestran en la Tabla 3.

                                             Mesa3 Parámetros geodésicos básicos de cada sistema de coordenadas.[4 9-]

El sistema de coordenadas BeiDou (BDCS) es un sistema de referencia terrestre geocéntrico. La definición de BDCS cumple con la especificación del Servicio Internacional de Rotación Terrestre (IERS) y utiliza los parámetros del elipsoide de referencia del sistema de coordenadas geodésicas de China 2000 (CGCS2000). La principal diferencia con CGCS2000 es la frecuencia de actualización. BDCS es un sistema de coordenadas especial para BDS y puede actualizarse una vez al año o semestralmente; CGCS2000 es un sistema de coordenadas nacional con un amplio rango de correlaciones y un intervalo de actualización prolongado. La implementación de BDCS se alineará con el último marco de referencia terrestre internacional (ITRF). WGS84 (Sistema Geodésico Mundial 84) es el sistema de coordenadas geodésicas utilizado por el GPS de EE. UU.; GTRF (Marco de Referencia Terrestre Galileo) es el sistema de coordenadas geodésicas utilizado por Galileo de la UE; PZ-90 (Sistema Geodésico PZ-90) es el sistema de coordenadas geodésicas establecido por Rusia.

3.2 Análisis comparativo de sistemas de tiempo

The time system is the core of the satellite navigation system and the cornerstone of the normal operation of the satellite navigation system. BDS, GPS and Galileo have all established dedicated time systems based on atomic time (AT). Their second lengths are synthesized based on the observations of atomic clocks and satellite atomic clocks installed on their ground monitoring stations. They are still essentially atomic time and therefore continuous, without the need for leap seconds like coordinated universal time. GLONASS system time (GLONASST) is different from the other three system times. It is an atomic time system similar to coordinated universal time (UTC). It introduces leap seconds during operation, uses Moscow time as the benchmark, and traces its origin to the coordinated universal time UTC (SU) maintained by the Russian Institute of Time Metrology.BeiDou time (BDT) is generated and maintained by the BDS master control station, and is traceable to Coordinated Universal Time (NTSC) maintained by the National Time Service Center. GPS time (GPS time, GPST) is generated and maintained by the GPS master control station and is traceable to Coordinated Universal Time UTC (USNO) maintained by the U.S. Naval Observatory.[ 12 ]。Galileo时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（Oficina Internacional de Pesas y Medidas, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。International atomic time (TAI) is measured in atomic seconds and accumulates from universal time (UT) 0:00 on January 1, 1958. At this time, the difference between universal time and international atomic time is zero, and then increases year by year. In 1972, in order to harmonize the differences between International Atomic Time and Universal Time, a compromise plan was proposed, namely Coordinated Universal Time. Coordinated Universal Time is based on the precise TAI second length. When the difference between it and Universal Time exceeds 0.9 s, a leap second is added artificially by 1 s, so that the difference between Universal Time and Coordinated Universal Time is always within 0.9 s.[ 13 ]La comparación del tiempo de respuesta de los cuatro principales sistemas de navegación por satélite se muestra en la Tabla 4.

                                                      Mesa4 GNSSComparación del sistema de tiempo

According to comparative analysis, the starting epoch of GST is set to 13 seconds before 1999-08-22T 00:00:00 (UTC) in order to be consistent with GPST. Both GST and GPST lag TAI by 19 seconds.

La relación de conversión entre cada tiempo del sistema se muestra en la Figura 1.

imagen1 Relación de conversión de hora del sistema

4 Comparative analysis of GNSS service performance

The service performance of satellite navigation systems includes accuracy, integrity, continuity and availability, of which users are most concerned about accuracy and availability.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.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.Based on service performance specifications and latest official conference materials from BDS, GPS, Galileo and GLONASS[3,14 17-], the public service performance parameters of each global satellite navigation system were sorted out, and the results are shown in Table 5. In Table 5, RMS (root mean square) represents the root mean square.

                                                 Mesa5  SMSSMExponer los parámetros de rendimiento del servicio.

De hecho, el rendimiento medido de cada sistema de navegación por satélite es mejor que el rendimiento del servicio público prometido. Según el informe de la Oficina de Gestión de Satélites de China en la 14.ª reunión del Comité Internacional sobre Sistemas Globales de Navegación por Satélite (ICG) en 2019.[ 18 ], the measured horizontal positioning accuracy of BDS B1I/B3I is 3.6 m (result under 95% reliability), the altitude positioning accuracy is 6.6 m (result under 95% reliability), the speed measurement accuracy is 0.05 m/s (result under 95% reliability), and the timing accuracy is 9.8 ns (result under 95% reliability). The measured horizontal positioning accuracy of B1C/B2a is 2.4 m (95 The result under 95% reliability), the altitude positioning accuracy is 4.3 m (the result under 95% reliability), the speed measurement accuracy is 0.06 m/s (the result under 95% reliability), and the timing accuracy is 19.1 ns (the result under 95% reliability).According to the National Coordination Office of the 14th ICG Conference in 2019室（Oficina de Coordinación Nacional, Suboficiales）的报告[ 19 ]Los resultados estadísticos del 14/11/2018 al 13/11/2019 muestran que el URE promedio del GPS es de 0.514 m, el mejor día URE es de 0.362 m y el peor día URE es de 0.666 m. Según el informe de la Agencia Espacial Europea en la 14.ª Conferencia ICG en 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).

Conclusión 5

Este artículo realiza una comparación detallada de los cuatro GNSS existentes, analiza las características de constelación del sistema y señala las ventajas de la constelación combinada BOS MEO/IGSO/GEO; resume el sistema de señales de cada sistema de navegación, destacando las ventajas de la compatibilidad e interoperabilidad de múltiples sistemas y la codificación de información BDS; realiza un análisis comparativo del sistema de coordenadas y el sistema de tiempo de cada sistema; analiza el rendimiento del servicio del sistema de navegación por satélite,Se resumen los parámetros de rendimiento del servicio de cada sistema de navegación.Mediante un análisis comparativo, se observa que, tras la globalización del BDS, este cuenta con tecnología avanzada, funciones completas, un rendimiento excelente, una compatibilidad e interoperabilidad óptimas con GPS y Galileo, y derechos de propiedad intelectual totalmente independientes. Se encuentra en la fase de coexistencia con el GPS, lo que garantiza su expansión global y su consolidación como tecnología dominante a nivel internacional. A medida que el país continúa invirtiendo fuertemente en recursos y personal, se prevé que el BDS lidere el sector GNSS internacional en un futuro próximo.

Este artículo se reproduce de «Surveying and Mapping Academic Information» para proteger los derechos de propiedad intelectual. Al reproducirlo, por favor, indique la fuente original y el autor. Si detecta alguna infracción, contáctenos para que lo eliminemos.