In tutto il mondo4Breve analisi dei grandi sistemi di navigazione satellitare

Abstract: Al fine di approfondire lo studio dei sistemi di navigazione satellitare, è stata condotta un'analisi comparativa dei quattro sistemi globali di navigazione satellitare esistenti: il sistema di navigazione satellitare Beidou (BDS), il sistema di posizionamento globale (GPS), il sistema di navigazione satellitare Galileo (Galileo) e il sistema di navigazione satellitare GLONASS (GLONASS). I sistemi sono stati confrontati in termini di costellazione, sistema di segnale, sistema di coordinate e tempo e prestazioni del servizio; sono stati evidenziati i vantaggi del BDS. I risultati mostrano che il BDS presenta notevoli vantaggi in termini di costellazione del sistema e codifica delle informazioni, e che le prestazioni del servizio sono equivalenti a quelle del GPS e di Galileo, e migliori di quelle del GLONASS; il BDS, basato su orbite geostazionarie (GEO), orbite geosincrone inclinate (IGSO) e costellazioni mesosferiche terrestri (MEO), può migliorare la precisione e la disponibilità del posizionamento nella regione Asia-Pacifico; la codifica LDPC (Low-Density Parity Check) a 64 basi utilizzata dal BDS è superiore ai metodi di codifica degli altri sistemi. Rispetto alla codifica LDPC binaria del GPS, può fornire un guadagno aggiuntivo di 0.6~1.2 dB.

Keywords: global satellite navigation system; system constellation; signal system; coordinate system; system time; service performance

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目前有4大全球卫星导航系统（sistema satellitare di navigazione globale, GNSS）, 包括中国的北斗卫星导航系统（sistema di navigazione satellitare BeiDou, BDS）、美国的全球定位系统（sistema di posizionamento globale, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Sistema di navigazione satellitare Galileo, Galileo) e il sistema satellitare di navigazione orbitante globale, 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. 

Il GNSS è composto principalmente da un segmento spaziale, un segmento terrestre e un segmento utente. Il suo principio di funzionamentocome segue:

1) I satelliti di navigazione, distribuiti secondo la costellazione nel segmento spaziale, ricevono correzioni dell'orologio, effemeridi e altre informazioni iniettate in uplink dal segmento terrestre per la modulazione del segnale e trasmettono i segnali a terra secondo il sistema di segnalazione prescritto.

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) 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.Il segmento spaziale del sistema di navigazione comprende principalmente due caratteristiche importanti:
① Una costellazione spaziale che rappresenta la distribuzione spaziale dei satelliti;
②Characteristics of satellite broadcast signals. As far as the entire system is concerned, what users are most concerned about is its service performance. This article mainly compares the space constellation, signal system, coordinate and time system and service performance of GNSS, and analyzes the characteristics of BDS on this basis.

1 Analisi comparativa delle costellazioni GNSS

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]I 24 satelliti MEO del sistema BDS sono distribuiti uniformemente su tre piani orbitali e le loro traiettorie di punti subsatellitari coprono l'intero globo. Grazie alla configurazione della costellazione MEO/IGSO/GEO, il sistema BDS può migliorare notevolmente la visibilità dei suoi satelliti nella regione Asia-Pacifico, incrementando così la precisione e la disponibilità del posizionamento.

                                          表1 Global satellite navigation system space constellation comparison

2 Comparative analysis of GNSS systems

Ciascuno dei quattro principali sistemi di navigazione satellitare ha le proprie caratteristiche. Per quanto riguarda il meccanismo di accesso multiplo, il meccanismo di accesso multiplo di BDS, GPS e Galileo è l'accesso multiplo a divisione di codice (CDMA). Il meccanismo di accesso multiplo di GLONASS è attualmente l'accesso multiplo a divisione di frequenza (FDMA). Il suo piano di modernizzazione è quello di evolversi verso il CDMA. Per quanto riguarda i componenti del segnale, oltre ad alcuni componenti del segnale autorizzati o proprietari per scopi speciali, BDS, GPS e Galileo hannoAfter 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.Table 2 mainly compares and analyzes the four major satellite navigation signal systems from the aspects of signal frequency, signal branch, modulation method, information encoding method, symbol rate and signal bandwidth, so that readers can have a comprehensive and systematic understanding of the signals of each system.

                                           表2  GNSSConfronto dei sistemi di segnalazione[4-9]

表2中：BPSK (keying a spostamento di fase binario)表示二相移相键控；QMBOC(portante offset binario multiplex in quadratura)表示正交复用二进制偏移载波调制；TMBOC(time multiplexing vettore di offset binario)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(vettore di offset binario composito)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 (controllo di ridondanza ciclica)表示循环冗余校验.Come si può osservare dalla Tabella 2, il segnale B1C del BDS, il segnale L1C del GPS e il segnale E1 di Galileo operano a 1575,42 MHz, e il metodo di debug è la modulazione di tipo BOC (Binary Offset Carrier); il segnale B2a del BDS, il segnale L5 del GPS e il segnale E5a di Galileo operano a 1176,45 MHz, dove B2a e L5 sono metodi di modulazione QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e E5a è un metodo di modulazione AltBOC (Alternating Binary Offset Carrier). La coerenza delle frequenze e la similarità dei metodi di modulazione creano i prerequisiti per la compatibilità e l'interoperabilità del GNSS. Attualmente, la compatibilità e l'interoperabilità possono essere raggiunte in modo ottimale 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 1×10-5In tali condizioni, il guadagno della codifica LDPC a 64 livelli è superiore di 0.6~1.2 dB rispetto al guadagno della codifica LDPC binaria, il che apporta notevoli vantaggi al miglioramento degli indicatori relativi all'avvio a freddo del terminale utente..

3 Analisi comparativa delle coordinate GNSS e dei sistemi temporali

3.1 Analisi comparativa dei sistemi di coordinate

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 Parametri geodetici di base di ciascun sistema di coordinate[4-9]

Il sistema di coordinate BeiDou (BDCS) è un sistema di riferimento terrestre geocentrico. La definizione del BDCS è conforme alle specifiche dell'International Earth Rotation Service (IERS) e utilizza i parametri dell'ellissoide di riferimento del sistema di coordinate geodetiche cinese 2000 (CGCS2000). La principale differenza rispetto al CGCS2000 risiede nella frequenza di aggiornamento. Il BDCS è un sistema di coordinate specifico per il BDS e può essere aggiornato una volta all'anno o ogni sei mesi; il CGCS2000 è un sistema di coordinate nazionale con un'ampia gamma di correlazioni e un lungo intervallo di aggiornamento. L'implementazione del BDCS sarà allineata con il più recente sistema di riferimento terrestre internazionale (ITRF). Il WGS84 (World Geodetic System 84) è il sistema di coordinate geodetiche utilizzato dal GPS statunitense; il GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) è il sistema di coordinate geodetiche utilizzato dal Galileo europeo; il PZ-90 (PZ-90 Geodetic System) è il sistema di coordinate geodetiche stabilito dalla Russia.

3.2 Analisi comparativa dei sistemi temporali

Il sistema orario è il fulcro del sistema di navigazione satellitare e la pietra angolare del suo normale funzionamento. BDS, GPS e Galileo hanno tutti adottato sistemi orari dedicati basati sul tempo atomico (AT). La loro durata in secondi è sintetizzata a partire dalle osservazioni di orologi atomici e orologi atomici satellitari installati sulle rispettive stazioni di monitoraggio a terra. Si tratta essenzialmente di tempo atomico e quindi continuo, senza la necessità di secondi intercalari come nel tempo universale coordinato (UTC). Il sistema orario GLONASS (GLONASST) è diverso dagli altri tre sistemi. È un sistema orario atomico simile al tempo universale coordinato (UTC). Introduce secondi intercalari durante il funzionamento, utilizza l'ora di Mosca come riferimento e trae origine dal tempo universale coordinato UTC (SU) gestito dall'Istituto Russo di Metrologia del Tempo.L'ora BeiDou (BDT) viene generata e gestita dalla stazione di controllo principale BDS ed è riconducibile al Tempo Coordinato Universale (NTSC) gestito dal National Time Service Center. L'ora GPS (ora GPST) viene generata e gestita dalla stazione di controllo principale GPS ed è riconducibile al Tempo Coordinato Universale UTC (USNO) gestito dall'Osservatorio Navale degli Stati Uniti.[12]。Galileo时（Ora Galileo, GST）直接溯源到国际计量局（Ufficio internazionale dei pesi e delle misure, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。Il tempo atomico internazionale (TAI) si misura in secondi atomici e si accumula a partire dalle 0:00 del tempo universale (UT) del 1° gennaio 1958. A quell'ora, la differenza tra il tempo universale e il tempo atomico internazionale era pari a zero, per poi aumentare di anno in anno. Nel 1972, al fine di armonizzare le differenze tra il tempo atomico internazionale e il tempo universale, fu proposto un piano di compromesso, ovvero il tempo universale coordinato (CUT). Il CUT si basa sulla durata precisa del secondo TAI. Quando la differenza tra il CUT e il tempo universale supera 0.9 secondi, viene aggiunto artificialmente un secondo intercalare di 1 secondo, in modo che la differenza tra il tempo universale e il CUT rimanga sempre entro 0.9 secondi.[13]Il confronto temporale dei quattro principali sistemi di navigazione satellitare è riportato nella Tabella 4.

                                                      表4 GNSSConfronto tra sistemi temporali

Secondo un'analisi comparativa, l'epoca di inizio di GST è fissata a 13 secondi prima del 22/08/1999 alle 00:00:00 (UTC) per essere coerente con GPST. Sia GST che GPST sono in ritardo rispetto a TAI di 19 secondi.

The conversion relationship between each system time is shown in Figure 1.

immagine1 Relazione di conversione dell'ora 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.L'accuratezza del servizio comprende l'accuratezza del posizionamento, l'accuratezza della misurazione della velocità e l'accuratezza della misurazione del tempo. L'accuratezza del posizionamento è il valore statistico della differenza tra la posizione determinata dall'utente tramite segnali satellitari e la sua posizione reale, includendo l'accuratezza del posizionamento orizzontale e verticale. L'accuratezza della misurazione della velocità è il valore statistico della differenza tra la velocità determinata dall'utente tramite segnali satellitari e la sua velocità reale, che generalmente corrisponde all'errore di velocità nello spazio tridimensionale. L'accuratezza della misurazione del tempo è il valore statistico della differenza tra il tempo determinato tramite segnali satellitari e il tempo del sistema di navigazione satellitare.La disponibilità del servizio è il rapporto tra il tempo di servizio del sistema e il tempo di servizio previsto. Il tempo di servizio effettivo è il tempo in cui la disponibilità della diluizione della precisione di posizione (PDOP) e la disponibilità di posizionamento all'interno dell'area specificata soddisfano i requisiti. La disponibilità PDOP è la percentuale di tempo in cui il valore PDOP soddisfa i requisiti di soglia all'interno di un'area geografica o spaziale e di un periodo di tempo specificati. La disponibilità di posizionamento è la percentuale di tempo in cui la precisione di posizionamento soddisfa i requisiti di soglia all'interno dell'area di servizio e del periodo di tempo specificati.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]I parametri di prestazione del servizio pubblico di ciascun sistema globale di navigazione satellitare sono stati analizzati e i risultati sono riportati nella Tabella 5. Nella Tabella 5, RMS (root mean square) rappresenta la radice quadrata della media dei quadrati.

                                                 表5  GMSEsporre i parametri delle prestazioni del servizio

In realtà, le prestazioni misurate di ciascun sistema di navigazione satellitare sono migliori delle prestazioni di servizio pubblico promesse. Secondo il rapporto dell'Ufficio cinese per la gestione satellitare presentato alla 14a riunione del Comitato internazionale sui sistemi globali di navigazione satellitare (ICG) nel 2019.[18]La precisione di posizionamento orizzontale misurata del BDS B1I/B3I è di 3.6 m (risultato con affidabilità inferiore al 95%), la precisione di posizionamento in altitudine è di 6.6 m (risultato con affidabilità inferiore al 95%), la precisione di misurazione della velocità è di 0.05 m/s (risultato con affidabilità inferiore al 95%) e la precisione di temporizzazione è di 9.8 ns (risultato con affidabilità inferiore al 95%). La precisione di posizionamento orizzontale misurata del B1C/B2a è di 2.4 m (risultato con affidabilità inferiore al 95%), la precisione di posizionamento in altitudine è di 4.3 m (risultato con affidabilità inferiore al 95%), la precisione di misurazione della velocità è di 0.06 m/s (risultato con affidabilità inferiore al 95%) e la precisione di temporizzazione è di 19.1 ns (risultato con affidabilità inferiore al 95%).Secondo l'Ufficio di coordinamento nazionale della 14a Conferenza ICG del 2019室（Ufficio di coordinamento nazionale, NCO）的报告[19]I risultati statistici dal 14/11/2018 al 13/11/2019 mostrano che l'URE medio del GPS è di 0.514 m, l'URE del giorno migliore è di 0.362 m e l'URE del giorno peggiore è di 0.666 m. Secondo il rapporto dell'Agenzia Spaziale Europea alla 14a Conferenza ICG del 2019[20-21], l'URE del satellite Galileo calcolato a settembre 2019 era di 0.27 m (risultato con un'affidabilità inferiore al 95%) e la peggiore precisione di posizionamento monitorata nella regione equatoriale era di 2.79 m (risultato con un'affidabilità inferiore al 95%).

Conclusione 5

Questo articolo effettua un confronto dettagliato dei quattro GNSS esistenti, analizza le caratteristiche della costellazione del sistema e sottolinea i vantaggi della costellazione combinata BOS MEO/IGSO/GEO; riassume il sistema di segnale di ciascun sistema di navigazione, evidenziando i vantaggi della compatibilità multisistema e dell'interoperabilità e della codifica delle informazioni BDS; conduce un'analisi comparativa del sistema di coordinate e del sistema temporale di ciascun sistema; analizza le prestazioni del servizio del sistema di navigazione satellitare,Vengono riepilogati i parametri di prestazione del servizio di ciascun sistema di navigazione.Attraverso un'analisi comparativa, si può osservare che, dopo la globalizzazione, il BDS vanta una tecnologia avanzata, funzionalità complete, prestazioni eccellenti, un'ottima compatibilità e interoperabilità con GPS e Galileo, e possiede diritti di proprietà intellettuale completamente indipendenti. Si trova nella fase di affiancamento al GPS, il che rappresenta un'importante garanzia per la sua diffusione globale e per la sua affermazione come standard internazionale. Poiché il Paese continua a investire massicciamente in risorse e personale, si prevede che il BDS diventerà leader nel settore dei sistemi GNSS a livello internazionale nel prossimo futuro.

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