di seluruh dunia4Analisis ringkas sistem navigasi satelit besar

Abstrak: Untuk mengkaji lebih lanjut sistem navigasi satelit, analisis perbandingan empat sistem navigasi satelit global sedia ada telah dijalankan: Sistem Navigasi Satelit Beidou (BDS), Sistem Penentududukan Global (GPS), Sistem Navigasi Satelit Galileo (Galileo) dan Sistem Navigasi Satelit GLONASS (GLONASS) dibandingkan dari aspek buruj, sistem isyarat, sistem koordinat dan masa serta prestasi perkhidmatan; kelebihan BDS ditunjukkan. Keputusan menunjukkan bahawa BDS mempunyai kelebihan yang besar dalam buruj sistem dan pengekodan maklumat, dan prestasi perkhidmatan sistem adalah setara dengan GPS dan Galileo, dan lebih baik daripada GLONASS; BDS adalah berdasarkan orbit geopegun (GEO), orbit geosegerak condong (IGSO) dan bumi mesosfera. Taburan orbit buruj (MEO) boleh meningkatkan ketepatan dan ketersediaan kedudukan di rantau Asia-Pasifik; pengekodan semakan pariti ketumpatan rendah (LDPC) 64-asas yang digunakan oleh BDS adalah lebih baik daripada kaedah pengekodan sistem lain. Berbanding dengan pengekodan LDPC binari GPS, ia boleh membawa 0.6~1.2 dB gandaan tambahan.

Kata kunci: sistem navigasi satelit global; buruj sistem; sistem isyarat; sistem koordinat; masa sistem; prestasi perkhidmatan

0 引言

目前有4大全球卫星导航系统（sistem satelit navigasi global, GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（Sistem navigasi BDS, BDS缈系统、图缈系统全球定位系统（sistem kedudukan global, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Sistem satelit navigasi Galileo, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（sistem satelit navigasi mengorbit global, GLONASS嶊中文，巴家中。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Walaupun GLONASS telah beroperasi di seluruh dunia, prestasinya sedikit lebih rendah daripada BDS dan GPS, dan orbit GLONASS mempunyai kecondongan yang besar, mengakibatkan prestasi yang lemah di latitud rendah. Kualiti pemerhatian Galileo adalah lebih baik, tetapi kestabilan jam satelit sedikit lebih buruk, mengakibatkan kebolehpercayaan sistem yang lemah. 

GNSS terutamanya terdiri daripada segmen angkasa, segmen tanah dan segmen pengguna. Prinsip kerjanyaseperti berikut:

1) Satelit navigasi yang diagihkan mengikut buruj dalam segmen angkasa menerima pembetulan jam, efemeris dan maklumat lain yang disuntik pautan naik dari segmen tanah untuk modulasi isyarat, dan menyiarkan isyarat ke tanah mengikut sistem isyarat yang ditetapkan.

2) Segmen darat menjejaki dan menyelenggara satelit angkasa lepas, memantau kesihatan satelit, menilai integriti satelit dan isyarat, menentukan orbit satelit dan menyuntik pembetulan jam satelit, efemeris, almanak, parameter pembetulan ionosfera dan maklumat lain yang dipautkan ke dalam satelit pada frekuensi tertentu.

3) Segmen pengguna menerima isyarat daripada setiap satelit yang boleh dilihat dan melakukan pengiraan kedudukan, halaju dan masa (PVT) berdasarkan pemerhatian yang diperoleh daripada isyarat pengesanan dan efemeris serta maklumat masa yang diperoleh daripada isyarat yang dinyahmodulasi untuk menentukan maklumat kedudukan, halaju dan masa pengguna.Segmen ruang sistem navigasi terutamanya merangkumi dua ciri penting:
① Sebuah buruj angkasa lepas yang mewakili taburan ruang satelit;
②Ciri-ciri isyarat siaran satelit. Bagi keseluruhan sistem, perkara yang paling dibimbangkan oleh pengguna ialah prestasi perkhidmatannya. Artikel ini terutamanya membandingkan buruj angkasa, sistem isyarat, sistem koordinat dan masa serta prestasi perkhidmatan GNSS, dan menganalisis ciri-ciri BDS berdasarkan ini.

1 Analisis perbandingan buruj GNSS

Unsur-unsur buruj angkasa sistem navigasi satelit terutamanya merangkumi jenis buruj, jenis satelit, bilangan satelit, ketinggian orbit, kecenderungan orbit, dan sebagainya. Taburan buruj GPS, Galileo dan GLONASS adalah lebih kurang sama, dan kesemua satelit tersebut adalah satelit orbit Bumi sederhana (MEO). Buruj BDS merangkumi satelit MEO, satelit orbit geosegerak condong (IGSO) dan satelit orbit geopegun (GEO). Tiga satelit GEO BDS terletak di atas khatulistiwa, masing-masing tersebar pada 80°T, 110.5°T dan 140°T. Tiga satelit IGSO BDS tersebar dalam tiga satah orbit.[3]24 satelit MEO BDS diagihkan secara sekata dalam tiga satah orbit, dan trajektori titik subsatelitnya meliputi dunia. Melalui susun atur buruj MEO/IGSO/GEO, BDS dapat meningkatkan keterlihatan satelit BDS di rantau Asia-Pasifik dengan ketara, sekali gus meningkatkan ketepatan kedudukan dan ketersediaan BDS.

                                          Jadual1 Perbandingan buruj angkasa sistem navigasi satelit global

2 Analisis perbandingan sistem GNSS

Setiap satu daripada empat sistem navigasi satelit utama mempunyai ciri-cirinya yang tersendiri. Bagi mekanisme berbilang akses, mekanisme berbilang akses BDS, GPS dan Galileo ialah akses berbilang pembahagian kod (CDMA). Mekanisme berbilang akses GLONASS kini ialah akses berbilang pembahagian frekuensi (FDMA). Rancangan pemodenannya adalah untuk berkembang ke arah CDMA. Setakat komponen isyarat berkenaan, selain beberapa komponen isyarat yang dibenarkan atau proprietari untuk tujuan khas, BDS, GPS dan Galileo telahSelepas tempoh penyelidikan dan penyelarasan, perjanjian kerjasama yang serasi dan boleh dikendalikan telah dicapai mengenai isyarat awam awam, merealisasikan kebolehkendalian antara BDS B1C dan B2a dengan GPS L1, L5 dan Galileo E1 dan E5a masing-masing, yang dapat meningkatkan prestasi perkhidmatan sistem navigasi satelit dengan ketara dan mengurangkan kos pembangunan terminal pengguna berbilang sistem.Jadual 2 terutamanya membandingkan dan menganalisis empat sistem isyarat navigasi satelit utama dari aspek frekuensi isyarat, cabang isyarat, kaedah modulasi, kaedah pengekodan maklumat, kadar simbol dan lebar jalur isyarat, supaya pembaca dapat memahami isyarat setiap sistem dengan komprehensif dan sistematik.

                                           Jadual2  GNSSPerbandingan sistem isyarat[4-9]

表2中：BPSK(pengkunci anjakan fasa perduaan）表示二相移相键控；QMBOC(pembawa offset perduaan berganda kuadratur)表示正交复用二进制偽囏正交复用二进制偽囏泧制偽偏糧pembawa offset)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(pembawa mengimbangi perduaan komposit)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示示班huri发现的二元线性循环码；CRC(semakan redundansi kitaran)表示循环冗余校验。Seperti yang dapat dilihat dari Jadual 2, isyarat B1C BDS, isyarat L1C GPS dan isyarat E1 Galileo berfungsi pada 1 575.42 MHz, dan kaedah penyahpepijatan adalah modulasi jenis pembawa ofset binari (BOC); isyarat B2a BDS, isyarat L5 GPS dan isyarat E5a Galileo berfungsi pada 1 176.45 MHz, di mana B2a dan L5 adalah kaedah modulasi penentuan anjakan fasa kuadratur (QPSK), dan E5a adalah kaedah modulasi pembawa ofset binari berselang-seli (AltBOC). Ketekalan frekuensi dan persamaan kaedah modulasi mewujudkan prasyarat untuk keserasian dan kebolehkendalian GNSS. Pada masa ini, keserasian dan kebolehkendalian boleh dicapai dengan sangat baik pada 1 575.42 MHz.Dari segi reka bentuk mesej navigasi, BDS memperkenalkan pengekodan semakan pariti ketumpatan rendah (LDPC) 64-asas sebagai ciri penting dalam pengekodan mesej navigasi. Skema pengekodan dan penyahkodannya dibangunkan secara bebas oleh China, dan prestasinya jauh lebih baik berbanding pengekodan LDPC binari GPS. Kerumitan pengekodan LDPC 64-asas dan pengekodan LDPC binari pada asasnya sama; dari segi penyahkodan, kerumitan penyahkodan 64-asas adalah kira-kira 6 kali ganda penyahkodan binari. Kadar ralat bit ialah 1×10-5Di bawah keadaan tersebut, gandaan pengekodan LDPC 64-ary adalah 0.6~1.2 dB lebih tinggi daripada gandaan pengekodan LDPC binari, yang membawa manfaat yang besar kepada penambahbaikan penunjuk berkaitan permulaan sejuk terminal pengguna..

3 Analisis perbandingan koordinat dan sistem masa GNSS

3.1 Analisis perbandingan sistem koordinat

Sistem koordinat sistem navigasi satelit amat penting. Kedudukan satelit dan kelajuan satelit yang dikira daripada parameter efemeris satelit dan parameter almanak diwakili secara langsung dalam sistem koordinat sistem. Sistem koordinat sistem mentakrifkan datum ellipsoid yang diperlukan untuk mewujudkan sistem koordinat geodetik yang sepadan, menerangkan model medan graviti Bumi yang sepadan dengan geoid, dan menyediakan parameter geodetik asas yang telah dibetulkan. Parameter geodetik asas yang telah dibetulkan bagi setiap sistem ditunjukkan dalam Jadual 3.

                                             Jadual3 Parameter geodetik asas bagi setiap sistem koordinat[4-9]

Sistem koordinat BeiDou (BDCS) ialah sistem rujukan bumi geosentrik. Takrifan BDCS mematuhi spesifikasi Perkhidmatan Putaran Bumi Antarabangsa (IERS) dan menggunakan parameter elipsoid rujukan sistem koordinat geodetik China 2000 (CGCS2000). Perbezaan utama daripada CGCS2000 ialah kekerapan kemas kini. BDCS ialah sistem koordinat khas untuk BDS dan boleh dikemas kini sekali setahun atau setengah tahun; CGCS2000 ialah sistem koordinat kebangsaan dengan pelbagai korelasi dan selang kemas kini yang panjang. Pelaksanaan BDCS akan diselaraskan dengan kerangka rujukan terestrial antarabangsa (ITRF) terkini. WGS84 (sistem geodetik dunia 84) ialah sistem koordinat geodetik yang digunakan oleh GPS AS; GTRF (kerangka rujukan terestrial Galileo) ialah sistem koordinat geodetik yang digunakan oleh Galileo EU; PZ-90 (sistem geodetik PZ-90) ialah sistem koordinat geodetik yang ditubuhkan oleh Rusia.

3.2 Analisis perbandingan sistem masa

Sistem masa merupakan teras sistem navigasi satelit dan asas operasi normal sistem navigasi satelit. BDS, GPS dan Galileo semuanya telah mewujudkan sistem masa khusus berdasarkan masa atom (AT). Panjang kedua mereka disintesis berdasarkan pemerhatian jam atom dan jam atom satelit yang dipasang di stesen pemantauan darat mereka. Ia pada asasnya masih merupakan masa atom dan oleh itu berterusan, tanpa memerlukan saat lompat seperti masa universal terkoordinasi. Masa sistem GLONASS (GLONASST) berbeza daripada tiga masa sistem yang lain. Ia merupakan sistem masa atom yang serupa dengan masa universal terkoordinasi (UTC). Ia memperkenalkan saat lompat semasa operasi, menggunakan masa Moscow sebagai penanda aras, dan menjejaki asal usulnya kepada masa universal terkoordinasi UTC (SU) yang diselenggarakan oleh Institut Metrologi Masa Rusia.Waktu BeiDou (BDT) dijana dan diselenggara oleh stesen kawalan induk BDS, dan boleh dikesan kepada Waktu Sejagat Terselaras (NTSC) yang diselenggara oleh Pusat Perkhidmatan Waktu Negara. Waktu GPS (waktu GPS, GPST) dijana dan diselenggara oleh stesen kawalan induk GPS dan boleh dikesan kepada Waktu Sejagat Terselaras UTC (USNO) yang diselenggara oleh Balai Cerap Tentera Laut AS.[12]。Galileo时（Masa Galileo, GST）直接溯源到国际计量局（Biro Timbang dan Sukat Antarabangsa, BIPM）保持的协调世(BIPM时)。Masa atom antarabangsa (TAI) diukur dalam saat atom dan terkumpul dari masa universal (UT) 0:00 pada 1 Januari 1958. Pada masa ini, perbezaan antara masa universal dan masa atom antarabangsa adalah sifar, dan kemudian meningkat dari tahun ke tahun. Pada tahun 1972, untuk mengharmonikan perbezaan antara Masa Atom Antarabangsa dan Masa Universal, satu pelan kompromi telah dicadangkan, iaitu Masa Universal Terselaras. Masa Universal Terselaras adalah berdasarkan panjang saat TAI yang tepat. Apabila perbezaan antara ia dan Masa Universal melebihi 0.9 s, satu saat lompat ditambah secara buatan sebanyak 1 s, supaya perbezaan antara Masa Universal dan Masa Universal Terselaras sentiasa dalam lingkungan 0.9 s.[13]Perbandingan masa sistem bagi empat sistem navigasi satelit utama ditunjukkan dalam Jadual 4.

                                                      Jadual4 GNSSPerbandingan sistem masa

Menurut analisis perbandingan, zaman permulaan GST ditetapkan kepada 13 saat sebelum 1999-08-22T 00:00:00 (UTC) agar konsisten dengan GPST. Kedua-dua GST dan GPST ketinggalan TAI sebanyak 19 saat.

Hubungan penukaran antara setiap masa sistem ditunjukkan dalam Rajah 1.

gambar1 Hubungan penukaran masa sistem

4 Analisis perbandingan prestasi perkhidmatan GNSS

Prestasi perkhidmatan sistem navigasi satelit merangkumi ketepatan, integriti, kesinambungan dan ketersediaan, yang mana pengguna paling mementingkan ketepatan dan ketersediaan.Ketepatan perkhidmatan merangkumi ketepatan kedudukan, ketepatan pengukuran kelajuan dan ketepatan pengukuran masa. Ketepatan kedudukan ialah nilai statistik perbezaan antara kedudukan yang ditentukan oleh pengguna menggunakan isyarat satelit dan kedudukan sebenarnya, termasuk ketepatan kedudukan mendatar dan ketepatan kedudukan menegak. Ketepatan pengukuran kelajuan ialah nilai statistik perbezaan antara kelajuan yang ditentukan oleh pengguna menggunakan isyarat satelit dan kelajuan sebenarnya, yang secara amnya merupakan ralat kelajuan ruang tiga dimensi. Ketepatan pengukuran masa ialah nilai statistik perbezaan antara masa yang ditentukan menggunakan isyarat satelit dan masa sistem navigasi satelit.Ketersediaan perkhidmatan ialah nisbah masa perkhidmatan sistem kepada masa perkhidmatan yang dijangkakan. Masa boleh diservis ialah masa apabila ketersediaan pencairan ketepatan kedudukan (PDOP) dan ketersediaan kedudukan dalam kawasan yang ditentukan memenuhi keperluan. Ketersediaan PDOP ialah peratusan masa nilai PDOP memenuhi keperluan ambang dalam kawasan dan tempoh masa geografi atau ruang yang ditentukan. Ketersediaan kedudukan ialah peratusan masa ketepatan kedudukan memenuhi keperluan ambang dalam kawasan dan tempoh masa perkhidmatan yang ditentukan.Ketepatan kedudukan sistem navigasi ditentukan terutamanya oleh dua faktor: ① nilai PDOP; ② ralat julat setara pengguna (UERE). UERE terdiri daripada ralat julat pengguna (URE) dan ralat peralatan pengguna (UEE). Antaranya: URE ialah jumlah ralat dalam pemerhatian jarak dari satelit ke terminal pengguna yang disebabkan oleh ralat dalam orbit satelit navigasi dan ralat jam satelit, yang ditentukan terutamanya oleh sistem navigasi satelit; UEE ialah ralat yang disebabkan oleh kesan berbilang laluan tanah dan hingar gelung penerima pengguna, dsb., yang ditentukan terutamanya oleh persekitaran penggunaan dan reka bentuk penerima tempatan.Berdasarkan spesifikasi prestasi perkhidmatan dan bahan persidangan rasmi terkini daripada BDS, GPS, Galileo dan GLONASS[3,14-17], parameter prestasi perkhidmatan awam bagi setiap sistem navigasi satelit global telah disusun, dan hasilnya ditunjukkan dalam Jadual 5. Dalam Jadual 5, RMS (punca min kuasa dua) mewakili punca min kuasa dua.

                                                 Jadual5  GMSSDedahkan parameter prestasi perkhidmatan

Malah, prestasi setiap sistem navigasi satelit yang diukur adalah lebih baik daripada prestasi perkhidmatan awam yang dijanjikan. Menurut laporan Pejabat Pengurusan Satelit China pada mesyuarat Jawatankuasa Antarabangsa mengenai Sistem Satelit Navigasi Global (ICG) ke-14 pada tahun 2019[18], ketepatan kedudukan mendatar yang diukur bagi BDS B1I/B3I ialah 3.6 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), ketepatan kedudukan altitud ialah 6.6 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), ketepatan pengukuran kelajuan ialah 0.05 m/s (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), dan ketepatan pemasaan ialah 9.8 ns (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%). Ketepatan kedudukan mendatar yang diukur bagi B1C/B2a ialah 2.4 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), ketepatan kedudukan altitud ialah 4.3 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), ketepatan pengukuran kelajuan ialah 0.06 m/s (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), dan ketepatan pemasaan ialah 19.1 ns (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%).Menurut Pejabat Penyelarasan Kebangsaan Persidangan ICG ke-14 pada tahun 2019室（Pejabat Penyelarasan Kebangsaan, NCO）的报告[19], keputusan statistik dari 2018-11-14 hingga 2019-11-13 menunjukkan bahawa purata URE GPS ialah 0.514 m, hari terbaik URE ialah 0.362 m, dan hari terburuk URE ialah 0.666 m. Menurut laporan Agensi Angkasa Eropah pada Persidangan ICG ke-14 pada tahun 2019[20-21], satelit Galileo URE yang dikira pada September 2019 ialah 0.27 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%), dan ketepatan kedudukan terburuk yang dipantau di kawasan khatulistiwa ialah 2.79 m (keputusan di bawah kebolehpercayaan 95%).

Kesimpulan 5

Artikel ini membuat perbandingan terperinci antara empat GNSS sedia ada, menganalisis ciri-ciri buruj sistem, dan menunjukkan kelebihan buruj gabungan BOS MEO/IGSO/GEO; meringkaskan sistem isyarat setiap sistem navigasi, menonjolkan kelebihan keserasian dan kebolehkendalian berbilang sistem dan pengekodan maklumat BDS; menjalankan analisis perbandingan sistem koordinat dan sistem masa setiap sistem; menganalisis prestasi perkhidmatan sistem navigasi satelit,Parameter prestasi perkhidmatan setiap sistem navigasi diringkaskan.Melalui analisis perbandingan, dapat dilihat bahawa selepas globalisasi BDS, ia mempunyai teknologi canggih, fungsi lengkap, prestasi cemerlang, keserasian dan kebolehkendalian yang sangat baik dengan GPS dan Galileo, dan mempunyai hak harta intelek yang bebas sepenuhnya. Ia berada dalam peringkat berjalan bersama GPS, yang memberikan jaminan penting untuk BDS berkembang ke peringkat global dan menjadi arus perdana antarabangsa. Memandangkan negara terus melabur banyak dalam sumber dan tenaga kerja, dijangkakan BDS akan menerajui GNSS asing dalam masa terdekat.

Artikel ini dicetak semula daripada "Surveying and Mapping Academic Information" untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan pengarang semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.