partout dans le monde4A brief analysis of large satellite navigation systems

Résumé : Afin d’approfondir l’étude des systèmes de navigation par satellite, une analyse comparative des quatre systèmes mondiaux de navigation par satellite existants a été menée : Beidou (BDS), GPS, Galileo et GLONASS. Cette analyse porte sur la constellation, le système de signalisation, le système de coordonnées et de temps, ainsi que les performances du service. Les avantages du BDS sont mis en évidence. Les résultats montrent que le BDS présente des atouts majeurs en matière de constellation et d’encodage de l’information. Ses performances sont équivalentes à celles du GPS et de Galileo, et supérieures à celles du GLONASS. Le BDS, basé sur l’orbite géostationnaire (GEO), l’orbite géosynchrone inclinée (IGSO) et l’orbite mésosphérique (MEO), permet d’améliorer la précision et la disponibilité du positionnement dans la région Asie-Pacifique. Enfin, l’encodage LDPC (Low-Density Parity Check) à 64 bases utilisé par le BDS surpasse les méthodes d’encodage des autres systèmes. Comparé au codage LDPC binaire du GPS, il peut apporter un gain supplémentaire de 0.6 à 1.2 dB.

Mots-clés : système mondial de navigation par satellite ; constellation de systèmes ; système de signalisation ; système de coordonnées ; heure système ; performance du service

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Système mondial de navigation par satellite, GNSS, système de navigation par satellite BeiDou, BDS, système de positionnement global, GPS, système de navigation par satellite Galileo, Galileo (système mondial de navigation par satellite en orbite), GLONASS）.. Although GLONASS has been in service around the world, its performance is slightly inferior to BDS and GPS, and the GLONASS orbit has a large inclination, resulting in poor performance in low latitudes. The quality of Galileo's observations is better, but the stability of the satellite clock is slightly poorer, resulting in poor system reliability. 

Le GNSS est principalement composé d'un segment spatial, d'un segment sol et d'un segment utilisateur. Son principe de fonctionnementcomme suit:

1) Les satellites de navigation répartis selon la constellation dans le segment spatial reçoivent la correction d'horloge, les éphémérides et d'autres informations injectées en liaison montante depuis le segment terrestre pour la modulation du signal, et diffusent des signaux vers le sol selon le système de signalisation prescrit.

2) Le segment sol suit et entretient les satellites spatiaux, surveille l'état des satellites, évalue l'intégrité des satellites et des signaux, détermine l'orbite du satellite et injecte dans le satellite, à des fréquences spécifiques, la correction d'horloge, les éphémérides, l'almanach, les paramètres de correction ionosphérique et d'autres informations de liaison montante.

3) The user segment receives signals from each visible satellite, and performs position, velocity, and time (PVT) calculations based on the observations obtained from the tracking signal and the ephemeris and time information obtained from the demodulated signal to determine the user's position, velocity, and time information.The navigation system space segment mainly includes two important characteristics:
① Une constellation spatiale qui représente la distribution spatiale des satellites ;
2. Caractéristiques des signaux de diffusion par satellite. Concernant l'ensemble du système, la performance du service est primordiale pour les utilisateurs. Cet article compare principalement la constellation spatiale, le système de signalisation, le système de coordonnées et de temps, ainsi que la performance du service GNSS, et analyse les caractéristiques du BDS sur cette base.

1. Analyse comparative des constellations GNSS

Les éléments d'une constellation spatiale de système de navigation par satellite comprennent principalement le type de constellation, le type de satellite, le nombre de satellites, l'altitude orbitale, l'inclinaison orbitale, etc. La distribution des constellations GPS, Galileo et GLONASS est sensiblement la même, et tous les satellites sont en orbite terrestre moyenne (MEO). La constellation BDS comprend des satellites MEO, des satellites en orbite géosynchrone inclinée (IGSO) et des satellites en orbite géostationnaire (GEO). Les trois satellites GEO du BDS sont situés au-dessus de l'équateur, respectivement à 80°E, 110.5°E et 140°E. Les trois satellites IGSO du BDS sont répartis sur trois plans orbitaux.[3]Les 24 satellites MEO du système BDS sont répartis uniformément sur trois plans orbitaux, et leurs trajectoires ponctuelles couvrent le globe. Grâce à cette constellation MEO/IGSO/GEO, le système BDS améliore considérablement la visibilité de ses satellites dans la région Asie-Pacifique, optimisant ainsi la précision et la disponibilité de son positionnement.

                                          Table1 Comparaison des constellations spatiales des systèmes mondiaux de navigation par satellite

2 Comparative analysis of GNSS systems

Chacun des quatre principaux systèmes de navigation par satellite possède ses propres caractéristiques. Concernant le mécanisme d'accès multiple, celui du BDS, du GPS et de Galileo est l'accès multiple par répartition de code (AMRC). Le mécanisme d'accès multiple du GLONASS est actuellement l'accès multiple par répartition de fréquence (AMRF). Son plan de modernisation vise à évoluer vers l'AMRC. En ce qui concerne les composants du signal, outre certains composants autorisés ou propriétaires pour des usages spécifiques, le BDS, le GPS et Galileo disposent deAprès une période de recherche et de coordination, un accord de coopération compatible et interopérable a été conclu sur les signaux publics civils, réalisant l'interopérabilité entre BDS B1C et B2a avec GPS L1, L5 et Galileo E1 et E5a respectivement, ce qui peut grandement améliorer les performances de service des systèmes de navigation par satellite et réduire le coût de développement des terminaux utilisateurs multisystèmes.Le tableau 2 compare et analyse principalement les quatre principaux systèmes de signaux de navigation par satellite sous les aspects de la fréquence du signal, de la branche du signal, de la méthode de modulation, de la méthode de codage de l'information, du débit de symboles et de la bande passante du signal, afin que les lecteurs puissent avoir une compréhension complète et systématique des signaux de chaque système.

                                           Table2  GNSS Comparaison des systèmes de signalisation[4-9]

Section 2 : BPSK (modulation par décalage de phase binaire) QMBOC (porteuse à décalage binaire multiplexée en quadrature) TMBOC (porteuse à décalage binaire multiplexée dans le temps)表示时分复用CBOC (support composite binaire offset) CRC (contrôle de redondance cyclique)余校验。Comme le montre le tableau 2, les signaux B1C du BDS, L1C du GPS et E1 de Galileo fonctionnent à 1 575.42 MHz et utilisent la modulation BOC (Binary Offset Carrier). Les signaux B2a du BDS, L5 du GPS et E5a de Galileo fonctionnent à 1 176.45 MHz. Les signaux B2a et L5 utilisent la modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), tandis que le signal E5a utilise la modulation AltBOC (Alternating Binary Offset Carrier). La cohérence des fréquences et la similarité des méthodes de modulation sont essentielles à la compatibilité et à l'interopérabilité des systèmes GNSS. Actuellement, cette compatibilité et cette interopérabilité sont optimales à 1 575.42 MHz.Concernant la conception des messages de navigation, le BDS a introduit le codage LDPC (Low Density Parity Check) à 64 bases comme une caractéristique importante. Ses schémas de codage et de décodage ont été développés indépendamment en Chine, et ses performances sont nettement supérieures à celles du codage LDPC binaire du GPS. La complexité du codage LDPC à 64 bases et du codage LDPC binaire est sensiblement la même ; en revanche, la complexité du décodage à 64 bases est environ six fois supérieure à celle du décodage binaire. Le taux d'erreur binaire est de 1 × 10⁻⁵.-5Dans ces conditions, le gain de codage LDPC 64-aire est de 0.6 à 1.2 dB supérieur au gain de codage LDPC binaire, ce qui apporte des avantages considérables à l'amélioration des indicateurs liés au démarrage à froid du terminal utilisateur..

3. Analyse comparative des systèmes de coordonnées et de temps GNSS

3.1 Analyse comparative des systèmes de coordonnées

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.

                                             Table3 Paramètres géodésiques de base de chaque système de coordonnées[4-9]

Le système de coordonnées BeiDou (BDCS) est un système de référence géocentrique. Sa définition est conforme aux spécifications du Service international de la rotation terrestre (IERS) et utilise les paramètres de l'ellipsoïde de référence du système de coordonnées géodésiques chinois 2000 (CGCS2000). La principale différence avec le CGCS2000 réside dans la fréquence de mise à jour. Le BDCS est un système de coordonnées spécifique au système BeiDou et peut être mis à jour annuellement ou semestriellement ; le CGCS2000 est un système de coordonnées national offrant un large éventail de corrélations et un intervalle de mise à jour plus long. La mise en œuvre du BDCS sera alignée sur le système de référence terrestre international le plus récent (ITRF). Le WGS84 (Système géodésique mondial 84) est le système de coordonnées géodésiques utilisé par le GPS américain ; le GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) est le système de coordonnées géodésiques utilisé par Galileo (Union européenne) ; et le PZ-90 (Système géodésique PZ-90) est le système de coordonnées géodésiques établi par la Russie.

3.2 Analyse comparative des systèmes temporels

Le système de temps est au cœur du système de navigation par satellite et la pierre angulaire de son fonctionnement normal. BDS, GPS et Galileo ont tous établi des systèmes de temps dédiés, basés sur le temps atomique (TA). Leurs durées en secondes sont synthétisées à partir des observations d'horloges atomiques et d'horloges atomiques satellitaires installées sur leurs stations de surveillance au sol. Il s'agit essentiellement de temps atomique, et donc continu, sans nécessiter de secondes intercalaires comme le temps universel coordonné (UTC). Le système de temps GLONASS (GLONASST) diffère des trois autres. C'est un système de temps atomique similaire au temps universel coordonné (UTC). Il introduit des secondes intercalaires pendant son fonctionnement, utilise l'heure de Moscou comme référence et son origine remonte au temps universel coordonné (UTC ou SU) maintenu par l'Institut russe de métrologie du temps.L'heure BeiDou (BDT) est générée et maintenue par la station de contrôle principale BDS et est rattachée au Temps universel coordonné (NTSC) maintenu par le Centre national de service du temps. L'heure GPS (GPST) est générée et maintenue par la station de contrôle principale GPS et est rattachée au Temps universel coordonné UTC (UTC-USNO) maintenu par l'Observatoire naval des États-Unis.[12]。Galileo时(Heure Galileo, GST)直接溯源到国际计量局(Bureau international des poids et mesures, BIPM)保持的协调世界时UTC(BIPM)。Le Temps Atomique International (TAI) est mesuré en secondes atomiques et s'accumule à partir du temps universel (TU) 0 h 00 le 1er janvier 1958. À cette date, la différence entre le temps universel et le TAI est nulle, puis elle augmente chaque année. En 1972, afin d'harmoniser les différences entre le Temps Atomique International et le Temps Universel, un compromis a été proposé : le Temps Universel Coordonné (TUC). Le TUC est basé sur la durée précise de la seconde TAI. Lorsque la différence entre le TUC et le Temps Universel dépasse 0.9 s, une seconde intercalaire d'une seconde est ajoutée artificiellement, de sorte que la différence entre le Temps Universel et le TUC reste toujours inférieure à 0.9 s.[13]. Le tableau 4 présente la comparaison des temps système des quatre principaux systèmes de navigation par satellite.

                                                      Table4 GNSS Comparaison du système horaire

D'après une analyse comparative, l'époque de départ de GST est fixée à 13 secondes avant le 22 août 1999 à 00:00:00 (UTC) afin d'être cohérente avec GPST. GST et GPST accusent tous deux un retard de 19 secondes par rapport à TAI.

La relation de conversion entre chaque temps système est illustrée dans la figure 1.

image1 Relation de conversion de l'heure système

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.La précision du service comprend la précision du positionnement, la précision de la mesure de la vitesse et la précision de la mesure du temps. La précision du positionnement correspond à la valeur statistique de l'écart entre la position déterminée par l'utilisateur à l'aide des signaux satellitaires et sa position réelle. Elle inclut la précision du positionnement horizontal et vertical. La précision de la mesure de la vitesse correspond à la valeur statistique de l'écart entre la vitesse déterminée par l'utilisateur à l'aide des signaux satellitaires et sa vitesse réelle, généralement l'erreur de vitesse spatiale tridimensionnelle. La précision de la mesure du temps correspond à la valeur statistique de l'écart entre le temps déterminé à l'aide des signaux satellitaires et le temps du système de navigation par satellite.La disponibilité de service correspond au rapport entre le temps de service du système et le temps de service prévu. Le temps de service est celui pendant lequel la disponibilité de la précision de positionnement (PDOP) et la disponibilité du positionnement dans la zone spécifiée satisfont aux exigences. La disponibilité PDOP représente le pourcentage de temps pendant lequel la valeur PDOP atteint les seuils requis dans une zone géographique ou spatiale et une période données. La disponibilité du positionnement représente le pourcentage de temps pendant lequel la précision du positionnement atteint les seuils requis dans la zone de service et la période données.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.D'après les spécifications de performance du service et les derniers documents officiels des conférences BDS, GPS, Galileo et GLONASS[3,14-17], les paramètres de performance du service public de chaque système mondial de navigation par satellite ont été triés, et les résultats sont présentés dans le tableau 5. Dans le tableau 5, RMS (racine carrée moyenne) représente la racine carrée moyenne.

                                                 Table5  GMSSExposer les paramètres de performances du service

En réalité, les performances mesurées de chaque système de navigation par satellite sont supérieures aux performances promises en matière de service public. Selon le rapport du Bureau chinois de gestion des satellites présenté lors de la 14e réunion du Comité international sur le système mondial de navigation par satellite (ICG) en 2019.[18]Pour les systèmes BDS B1I/B3I, la précision de positionnement horizontal mesurée est de 3.6 m (fiabilité de 95 %), la précision de positionnement en altitude est de 6.6 m (fiabilité de 95 %), la précision de mesure de vitesse est de 0.05 m/s (fiabilité de 95 %) et la précision temporelle est de 9.8 ns (fiabilité de 95 %). Pour les systèmes BDS B1C/B2a, la précision de positionnement horizontal mesurée est de 2.4 m (fiabilité de 95 %), la précision de positionnement en altitude est de 4.3 m (fiabilité de 95 %), la précision de mesure de vitesse est de 0.06 m/s (fiabilité de 95 %) et la précision temporelle est de 19.1 ns (fiabilité de 95 %).According to the National Coordination Office of the 14th ICG Conference in 2019室（Bureau National de Coordination, NCO）的报告[19]Les résultats statistiques du 14 novembre 2018 au 13 novembre 2019 montrent que l'erreur relative moyenne (URE) du GPS est de 0.514 m, l'URE du meilleur jour est de 0.362 m et celle du pire jour est de 0.666 m. Ces données proviennent du rapport de l'Agence spatiale européenne présenté lors de la 14e conférence ICG en 2019.[20-21], l'URE du satellite Galileo calculée en septembre 2019 était de 0.27 m (résultat avec une fiabilité de 95 %), et la pire précision de positionnement observée dans la région équatoriale était de 2.79 m (résultat avec une fiabilité de 95 %).

Conclusion 5

Cet article compare en détail les quatre systèmes GNSS existants, analyse les caractéristiques de leurs constellations et met en évidence les avantages de la constellation combinée BOS MEO/IGSO/GEO ; il résume le système de signalisation de chaque système de navigation, en soulignant les avantages de la compatibilité et de l’interopérabilité multisystèmes ainsi que du codage des informations BDS ; il effectue une analyse comparative des systèmes de coordonnées et de temps de chaque système ; et il analyse les performances du service de navigation par satellite.Les paramètres de performances de service de chaque système de navigation sont résumés.L'analyse comparative révèle qu'après sa mondialisation, le BDS bénéficie d'une technologie avancée, de fonctionnalités complètes, d'excellentes performances, d'une compatibilité et d'une interopérabilité optimales avec le GPS et Galileo, et possède des droits de propriété intellectuelle totalement indépendants. Il est actuellement en phase de fonctionnement parallèle au GPS, ce qui constitue un atout majeur pour son déploiement mondial et son intégration au marché international. Grâce aux investissements importants que le pays continue de réaliser en ressources humaines et matérielles, le BDS devrait devenir un leader des systèmes GNSS internationaux dans un avenir proche.

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