עולמי4ניתוח קצר של מערכות ניווט לווייניות גדולות

תקציר: על מנת לחקור לעומק מערכות ניווט לווייניות, נערך ניתוח השוואתי של ארבע מערכות ניווט לווייניות גלובליות קיימות: מערכת הניווט הלוויינית Beidou (BDS), מערכת מיקום גלובלית (GPS), מערכת הניווט הלוויינית Galileo (Galileo) ומערכת הניווט הלוויינית GLONASS (GLONASS) מושוות מבחינת קבוצות כוכבים, מערכת איתות, מערכת קואורדינטות וזמן וביצועי שירות; יתרונותיה של BDS מודגשים. התוצאות מראות של-BDS יש יתרונות גדולים בקביעת קבוצות כוכבים וקידוד מידע, וביצועי שירות המערכת שווים ל-GPS ול-Galilo, וטובים יותר מ-GLONASS; BDS מבוסס על מסלול גיאוסטציונרי (GEO), מסלול גיאוסינכרוני נוטה (IGSO) וכדור הארץ מזוספרי. חלוקת קבוצות כוכבים של מסלולים (MEO) יכולה לשפר את דיוק המיקום והזמינות באזור אסיה-פסיפיק; קידוד בדיקת הזוגיות בצפיפות נמוכה (LDPC) בעל 64 בסיסים המשמש את BDS טוב יותר משיטות הקידוד של מערכות אחרות. בהשוואה לקידוד הבינארי LDPC של GPS, הוא יכול להביא 0.6~1.2 dB של רווח נוסף.

מילות מפתח: מערכת ניווט לוויינית גלובלית; קבוצת מערכות; מערכת אותות; מערכת קואורדינטות; זמן מערכת; ביצועי שירות

0 引言

目前有4大全球卫星导航系统（מערכת לוויינית ניווט גלובלית, GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统 מערכת ניווט לוויינית,Dou（Bei BDS）、美国的全球定位系统（מערכת מיקום גלובלית, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（מערכת ניווט לוויינית גלילאו, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（מערכת לווייני ניווט במסלול עולמי, 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למרות ש-GLONASS נמצא בשירות ברחבי העולם, ביצועיו נמוכים במקצת מאלה של BDS ו-GPS, ולמסלול GLONASS יש נטייה גדולה, מה שמביא לביצועים ירודים בקווי רוחב נמוכים. איכות התצפיות של גלילאו טובה יותר, אך יציבות שעון הלוויין מעט ירודה יותר, מה שמביא לאמינות המערכת ירודה. 

GNSS מורכב בעיקר ממקטע חלל, מקטע קרקע ומקטע משתמש. עקרון הפעולה שלובאופן הבא:

1) לווייני הניווט המפוזרים לפי קבוצת הכוכבים במקטע החלל מקבלים מידע על תיקון שעון, אפמרי ומידע אחר המוזרק בקו העולה ממקטע הקרקע לצורך אפנון אותות, ומשדרים אותות לקרקע בהתאם למערכת האיתות שנקבעה.

2) מקטע הקרקע עוקב ומתחזק לווייני חלל, מנטר את תקינות הלוויינים, מעריך את שלמות הלוויינים והאותות, קובע את מסלול הלוויין ומזריק את תיקון השעון, האפמריס, האלמנך, פרמטרי התיקון היונוספרי ומידע נוסף של הלוויין בתדרים ספציפיים.

3) מקטע המשתמש מקבל אותות מכל לוויין נראה לעין, ומבצע חישובי מיקום, מהירות וזמן (PVT) בהתבסס על התצפיות המתקבלות מאות המעקב ועל מידע האפמרי והזמן המתקבל מהאות שעבר דה-מודולציה כדי לקבוע את מיקום המשתמש, מהירותו ומידע הזמן.מקטע החלל של מערכת הניווט כולל בעיקר שני מאפיינים חשובים:
① קבוצת חלל המייצגת את ההתפלגות המרחבית של לוויינים;
②מאפייני אותות שידור לווייניים. בכל הנוגע למערכת כולה, מה שמדאיג את המשתמשים ביותר הוא ביצועי השירות שלה. מאמר זה משווה בעיקר את קבוצת החלל, מערכת האותות, מערכת הקואורדינטות והזמן וביצועי השירות של GNSS, ומנתח את מאפייני BDS על בסיס זה.

1 ניתוח השוואתי של קבוצות כוכבים של GNSS

מרכיבי קבוצת הכוכבים של מערכת ניווט לוויינית כוללים בעיקר את סוג קבוצת הכוכבים, סוג הלוויין, מספר הלוויינים, גובה המסלול, נטיית המסלול וכו'. פיזור קבוצות הכוכבים של GPS, גלילאו ו-GLONASS זהה פחות או יותר, וכל הלוויינים הם לוויינים במסלול בינוני סביב כדור הארץ (MEO). קבוצת הכוכבים BDS כוללת לווייני MEO, לווייני מסלול גיאוסינכרוני נוטה (IGSO) ולווייני מסלול גיאוסטציונרי (GEO). שלושת לווייני ה-GEO של BDS ממוקמים מעל קו המשווה, ומפוזרים בהתאמה ב-80°E, 110.5°E ו-140°E. שלושת לווייני ה-IGSO של BDS מפוזרים בשלושה מישורי מסלול.[3]24 לווייני ה-MEO של BDS מפוזרים באופן שווה בשלושה מישורי מסלול, ומסלולי הנקודות של תת-הלוויינים שלהם מכסים את העולם. באמצעות פריסת קבוצת הכוכבים MEO/IGSO/GEO, BDS יכול לשפר משמעותית את הנראות של לווייני BDS באזור אסיה-פסיפיק, ובכך לשפר את דיוק המיקום והזמינות של BDS.

                                          לוּחַ1 השוואה בין קבוצות כוכבים בחלל של מערכת ניווט לוויינית עולמית

2 ניתוח השוואתי של מערכות GNSS

לכל אחת מארבע מערכות הניווט הלווייניות העיקריות יש מאפיינים משלה. באשר למנגנון הגישה המרובה, מנגנון הגישה המרובה של BDS, GPS וגלילאו הוא גישה מרובה חלוקת קוד (CDMA). מנגנון הגישה המרובה של GLONASS כיום הוא גישה מרובה חלוקת תדרים (FDMA). תוכנית המודרניזציה שלו היא להתפתח לכיוון CDMA. באשר לרכיבי אותות, בנוסף לכמה רכיבי אותות מורשים או קנייניים למטרות מיוחדות, ל-BDS, GPS וגלילאו יש...לאחר תקופת מחקר ותיאום, הושג הסכם שיתוף פעולה תואם וניתן לפעולה הדדית בנושא אותות ציבוריים אזרחיים, המממש את יכולת הפעולה ההדדית בין BDS B1C ו-B2a עם GPS L1, L5 וגלילאו E1 ו-E5a בהתאמה, דבר שיכול לשפר משמעותית את ביצועי השירות של מערכות ניווט לווייני ולהפחית את עלות הפיתוח של מסופים מרובי מערכות.טבלה 2 משווה ומנתחת בעיקר את ארבע מערכות אותות הניווט הלווייני העיקריות מבחינת תדר האות, ענף האות, שיטת המודולציה, שיטת קידוד המידע, קצב הסמלים ורוחב הפס של האות, כך שהקוראים יוכלו לקבל הבנה מקיפה וסיסטמטית של האותות של כל מערכת.

                                           לוּחַ2  GNSSהשוואה בין מערכות איתות[4-9]

表2中：BPSK(מפתח שיפוץ שלב בינארי）表示二相移相键控；QMBOC(נשא מרובע בינארי אופסט)表示正交复用二进制偏綧制偏ספק אופסט)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)血劁焁Hem立发现的二元线性循环码；CRC(בדיקת יתירות מחזורית)表示循环冗余校验.כפי שניתן לראות בטבלה 2, אות B1C של BDS, אות L1C של GPS ואות E1 של גלילאו פועלים בתדר 1575.42 מגה-הרץ, ושיטת ניפוי השגיאות היא אפנון מסוג נושא גלאי אופסט בינארי (BOC); אות B2a של BDS, אות L5 של GPS ואות E5a של גלילאו פועלים בתדר 1176.45 מגה-הרץ, כאשר B2a ו-L5 הן שיטות אפנון מסוג QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), ו-E5a היא שיטת אפנון AltBOC (AltBOC). עקביות התדרים והדמיון בין שיטות האפנון יוצרים תנאים מוקדמים לתאימות ויכולת פעולה הדדית של GNSS. נכון לעכשיו, ניתן להשיג תאימות ויכולת פעולה הדדית בצורה טובה מאוד בתדר 1575.42 מגה-הרץ.מבחינת עיצוב הודעות ניווט, BDS הציגה קידוד בדיקת זוגיות בצפיפות נמוכה (LDPC) של 64 בסיסים כתכונה חשובה בקידוד הודעות ניווט. תוכניות הקידוד והפענוח שלה פותחו באופן עצמאי על ידי סין, והביצועים שלה השתפרו משמעותית בהשוואה לקידוד LDPC בינארי של GPS. מורכבות קידוד LDPC של 64 בסיסים וקידוד LDPC בינארי זהים בעיקרון; מבחינת פענוח, מורכבות פענוח 64 בסיסים היא בערך פי 6 מזו של פענוח בינארי. שיעור שגיאת הסיביות הוא 1×10-5בתנאים אלה, הגבר קידוד LDPC של 64 שנים גבוה ב-0.6~1.2 dB מהגבר קידוד LDPC בינארי, מה שמביא יתרונות ניכרים לשיפור האינדיקטורים הקשורים להפעלה קרה של מסוף המשתמש..

3 ניתוח השוואתי של קואורדינטות ומערכות זמן של GNSS

3.1 ניתוח השוואתי של מערכות קואורדינטות

מערכת הקואורדינטות של מערכת הניווט הלווייני חשובה במיוחד. מיקום הלוויין ומהירות הלוויין המחושבים מפרמטרי האפמריס של הלוויין ופרמטרי האלמנך מיוצגים ישירות במערכת הקואורדינטות של המערכת. מערכת הקואורדינטות של המערכת מגדירה את אליפסואיד הדאטום הנדרש לקביעת מערכת הקואורדינטות הגיאודטית המתאימה, מתארת ​​את מודל שדה הכבידה של כדור הארץ התואם לגיאויד, ומספקת פרמטרים גיאודטיים בסיסיים מתוקנים. הפרמטרים הגיאודטיים הבסיסיים המתוקנים של כל מערכת מוצגים בטבלה 3.

                                             לוּחַ3 פרמטרים גיאודטים בסיסיים של כל מערכת קואורדינטות[4-9]

מערכת הקואורדינטות BeiDou (BDCS) היא מערכת ייחוס גיאוצנטרית לכדור הארץ. הגדרת BDCS תואמת את מפרט שירות סיבוב כדור הארץ הבינלאומי (IERS) ומשתמשת בפרמטרי אליפסואידים של מערכת הקואורדינטות הגיאודטית הסינית 2000 (CGCS2000). ההבדל העיקרי מ-CGCS2000 הוא תדירות העדכון. BDCS היא מערכת קואורדינטות מיוחדת עבור BDS וניתנת לעדכון פעם בשנה או חצי שנה; CGCS2000 היא מערכת קואורדינטות לאומית עם מגוון רחב של קורלציות ומרווח עדכון ארוך. יישום BDCS יהיה מיושר עם מסגרת הייחוס היבשתית הבינלאומית העדכנית ביותר (ITRF). WGS84 (מערכת גיאודטית עולמית 84) היא מערכת הקואורדינטות הגיאודטית בה משתמש ה-GPS האמריקאי; GTRF (מסגרת ייחוס יבשתית גלילאו) היא מערכת הקואורדינטות הגיאודטית בה משתמש גלילאו של האיחוד האירופי; PZ-90 (מערכת גיאודטית PZ-90) היא מערכת הקואורדינטות הגיאודטית שנקבעה על ידי רוסיה.

3.2 ניתוח השוואתי של מערכות זמן

מערכת הזמן היא ליבת מערכת הניווט הלווייני ואבן הפינה של הפעולה הרגילה של מערכת הניווט הלווייני. BDS, GPS וגלילאו כולן הקימו מערכות זמן ייעודיות המבוססות על זמן אטומי (AT). אורכי השניות שלהן מסונתזים על סמך תצפיות של שעונים אטומיים ושעוני אטום לווייניים המותקנים בתחנות הניטור הקרקעיות שלהם. הם עדיין זמן אטומי במהותו ולכן רציפים, ללא צורך בשניות מעוברות כמו זמן אוניברסלי מתואם. זמן מערכת GLONASS (GLONASST) שונה משלוש מערכות הזמנים האחרות. זוהי מערכת זמן אטומית הדומה לזמן אוניברסלי מתואם (UTC). היא מציגה שניות מעוברות במהלך הפעולה, משתמשת בשעון מוסקבה כנקודת ייחוס, ועוקבת אחר מקורה לזמן אוניברסלי מתואם UTC (SU) המתוחזק על ידי המכון הרוסי למטרולוגיית זמן.זמן BeiDou (BDT) נוצר ומתוחזק על ידי תחנת הבקרה הראשית של BDS, וניתן לייחס אותו לזמן אוניברסלי מתואם (NTSC) המתוחזק על ידי מרכז שירותי הזמן הלאומי. זמן GPS (זמן GPS, GPST) נוצר ומתוחזק על ידי תחנת הבקרה הראשית של GPS וניתן לייחס אותו לזמן אוניברסלי מתואם UTC (USNO) המתוחזק על ידי מצפה הכוכבים של חיל הים האמריקאי.[12]。Galileo时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的协调世畂זמן אטומי בינלאומי (TAI) נמדד בשניות אטומיות ומצטבר החל מהשעה 0:00 של הזמן האוניברסלי (UT) ב-1 בינואר 1958. בשלב זה, ההפרש בין הזמן האוניברסלי לזמן האטומי הבינלאומי הוא אפס, ולאחר מכן עולה משנה לשנה. בשנת 1972, על מנת ליישר קו בין הזמן האטומי הבינלאומי לזמן האוניברסלי, הוצעה תוכנית פשרה, דהיינו זמן אוניברסלי מתואם. זמן אוניברסלי מתואם מבוסס על אורך השניות המדויק של TAI. כאשר ההפרש בינו לבין הזמן האוניברסלי עולה על 0.9 שניות, שנייה מעוברת נוספת באופן מלאכותי ב-1 שנייה, כך שההפרש בין הזמן האוניברסלי לזמן האוניברסלי המתואם יהיה תמיד בטווח של 0.9 שניות.[13]השוואת זמן המערכת של ארבע מערכות הניווט הלווייניות העיקריות מוצגת בטבלה 4.

                                                      לוּחַ4 GNSSהשוואת מערכות זמן

לפי ניתוח השוואתי, תקופת ההתחלה של GST נקבעה ל-13 שניות לפני 22 באוגוסט 1999 בשעה 00:00:00 (UTC) על מנת להיות עקבית עם GPST. גם GST וגם GPST מפגרים ב-19 שניות אחרי TAI.

יחסי ההמרה בין כל זמן מערכת מוצגים באיור 1.

תמונה1 מערכת יחסי המרה בזמן מערכת

4 ניתוח השוואתי של ביצועי שירותי GNSS

ביצועי השירות של מערכות ניווט לווייניות כוללים דיוק, שלמות, המשכיות וזמינות, אשר מה שמדאיג את המשתמשים בעיקר לגבי דיוק וזמינות.דיוק השירות כולל דיוק מיקום, דיוק מדידת מהירות ודיוק מדידת זמן. דיוק מיקום הוא הערך הסטטיסטי של ההפרש בין המיקום שנקבע על ידי המשתמש באמצעות אותות לוויין לבין מיקומו האמיתי, כולל דיוק מיקום אופקי ודיוק מיקום אנכי. דיוק מדידת מהירות הוא הערך הסטטיסטי של ההפרש בין המהירות שנקבעה על ידי המשתמש באמצעות אותות לוויין לבין מהירותו האמיתית, שהיא בדרך כלל שגיאת מהירות תלת-ממדית בחלל. דיוק מדידת זמן הוא הערך הסטטיסטי של ההפרש בין הזמן שנקבע באמצעות אותות לוויין לבין הזמן של מערכת הניווט הלווייני.זמינות שירות היא היחס בין זמן שירות המערכת לזמן השירות הצפוי. זמן השירות הוא הזמן שבו זמינות דילול הדיוק (PDOP) וזמינות המיקום באזור שצוין עומדות בדרישות. זמינות PDOP היא אחוז הזמן שבו ערך ה-PDOP עומד בדרישות הסף באזור גיאוגרפי או מרחבי ותקופת זמן שצוינו. זמינות מיקום היא אחוז הזמן שבו דיוק המיקום עומד בדרישות הסף באזור השירות ותקופת הזמן שצוינו.דיוק המיקום של מערכת הניווט נקבע בעיקר על ידי שני גורמים: ① ערך PDOP; ② שגיאת טווח שווה ערך של המשתמש (UERE). UERE מורכב משגיאת טווח משתמש (URE) ושגיאת ציוד משתמש (UEE). ביניהם: URE הוא סכום השגיאות בתצפית המרחק מהלוויין למסוף המשתמש הנגרמות משגיאות במסלול לוויין הניווט ושגיאת שעון לוויין, אשר נקבעת בעיקר על ידי מערכת הניווט הלווינית; UEE היא השגיאה הנגרמת מאפקטים של ריבוי נתיבים קרקעיים ורעשי לולאת מקלט המשתמש וכו', אשר נקבעת בעיקר על ידי סביבת השימוש ותכנון המקלט המקומי.בהתבסס על מפרטי ביצועי השירות וחומרי הכנס הרשמיים העדכניים ביותר מ-BDS, GPS, Galileo ו-GLONASS[3,14-17], פרמטרי ביצועי השירות הציבורי של כל מערכת ניווט לוויינית עולמית מוינו, והתוצאות מוצגות בטבלה 5. בטבלה 5, RMS (שורש ממוצע הריבועים) מייצג את שורש ממוצע הריבועים.

                                                 לוּחַ5  GMSSחשיפת פרמטרים של ביצועי שירות

למעשה, הביצועים הנמדדים של כל מערכת ניווט לוויינית טובים יותר מביצועי השירות הציבורי שהובטחו. על פי דו"ח משרד ניהול הלוויינים של סין בכנס הוועדה הבינלאומית ה-14 למערכת ניווט לוויינית גלובלית (ICG) בשנת 2019.[18], דיוק המיקום האופקי הנמדד של BDS B1I/B3I הוא 3.6 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), דיוק המיקום בגובה הוא 6.6 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), דיוק מדידת המהירות הוא 0.05 מטר/שנייה (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), ודיוק התזמון הוא 9.8 ננו-שניות (תוצאה מתחת לאמינות של 95%). דיוק המיקום האופקי הנמדד של B1C/B2a הוא 2.4 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), דיוק המיקום בגובה הוא 4.3 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), דיוק מדידת המהירות הוא 0.06 מטר/שנייה (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), ודיוק התזמון הוא 19.1 ננו-שניות (תוצאה מתחת לאמינות של 95%).על פי משרד התיאום הלאומי של ועידת ICG ה-14 בשנת 2019室（משרד התיאום הלאומי, מש"ק）的报告[19], התוצאות הסטטיסטיות מ-14/11/2018 עד 13/11/2019 מראות כי ה-URE הממוצע של GPS הוא 0.514 מטר, ה-URE הטוב ביותר ביום הוא 0.362 מטר, וה-URE הגרוע ביותר ביום הוא 0.666 מטר. על פי דו"ח סוכנות החלל האירופית בכנס ה-ICG ה-14 בשנת 2019.[20-21], לוויין גלילאו URE שחושב בספטמבר 2019 היה 0.27 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%), ודיוק המיקום הגרוע ביותר שנבדק באזור המשווה היה 2.79 מטר (תוצאה מתחת לאמינות של 95%).

סיכום 5

מאמר זה עורך השוואה מפורטת של ארבעת מערכות ה-GNSS הקיימות, מנתח את מאפייני קבוצות התקשורת של המערכת, ומצביע על היתרונות של קבוצות התקשורת המשולבות BOS MEO/IGSO/GEO; מסכם את מערכת האיתות של כל מערכת ניווט, תוך הדגשת היתרונות של תאימות רב-מערכתית ויכולת פעולה הדדית וקידוד מידע BDS; מבצע ניתוח השוואתי של מערכת הקואורדינטות ומערכת הזמן של כל מערכת; מנתח את ביצועי השירות של מערכת הניווט הלווייני.פרמטרי ביצועי השירות של כל מערכת ניווט מסוכמים.באמצעות ניתוח השוואתי, ניתן לראות כי לאחר הגלובליזציה של BDS, יש לו טכנולוגיה מתקדמת, פונקציות מלאות, ביצועים מצוינים, תאימות מצוינת ויכולת פעולה הדדית עם GPS וגלילאו, ויש לו זכויות קניין רוחני עצמאיות לחלוטין. הוא נמצא בשלב של פעולה לצד GPS, מה שמספק ערובה חשובה ל-BDS להפוך גלובלית ולהפוך לזרם המרכזי הבינלאומי. ככל שהמדינה ממשיכה להשקיע רבות במשאבים ובכוח אדם, צפוי ש-BDS תוביל את תחום ה-GNSS בחו"ל בעתיד הקרוב.

מאמר זה נדפס מחדש מתוך "סקר ומיפוי מידע אקדמי" כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.