na całym świecie4Krótka analiza dużych systemów nawigacji satelitarnej

Streszczenie: Aby pogłębić badanie systemów nawigacji satelitarnej, przeprowadzono analizę porównawczą czterech istniejących globalnych systemów nawigacji satelitarnej: Beidou Satellite Navigation System (BDS), Global Positioning System (GPS), Galileo Satellite Navigation System (Galileo) i GLONASS Satellite Navigation System (GLONASS) porównano pod kątem konstelacji, systemu sygnału, systemu współrzędnych i czasu oraz wydajności usługi; wskazano zalety BDS. Wyniki pokazują, że BDS ma duże zalety w konstelacji systemu i kodowaniu informacji, a wydajność usługi systemu jest równoważna GPS i Galileo, a lepsza niż GLONASS; BDS opiera się na orbicie geostacjonarnej (GEO), nachylonej orbicie geostacjonarnej (IGSO) i mezosferycznej Ziemi. Rozkład konstelacji orbit (MEO) może poprawić dokładność i dostępność pozycjonowania w regionie Azji i Pacyfiku; 64-bazowe kodowanie kontroli parzystości o niskiej gęstości (LDPC) używane przez BDS jest lepsze niż metody kodowania innych systemów. W porównaniu z binarnym kodowaniem LDPC sygnału GPS, może ono zapewnić dodatkowe wzmocnienie rzędu 0.6–1.2 dB.

Słowa kluczowe: globalny system nawigacji satelitarnej; konstelacja systemu; system sygnałowy; układ współrzędnych; czas systemowy; wydajność usługi

0 komentarzy

目前有4大全球卫星导航系统 (globalny system nawigacji satelitarnej, GNSS), 包括中国的北斗卫星导航系统 (system nawigacji satelitarnej BeiDou, BDS).全球定位系统 (globalny system pozycjonowania, GPS) , 欧盟的伽利略卫星导航系统 (system nawigacji satelitarnej Galileo, Galileo) 和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(globalny orbitujący system nawigacji satelitarnej, GLONASS), BDS, 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Chociaż GLONASS jest używany na całym świecie, jego wydajność jest nieco gorsza od BDS i GPS, a orbita GLONASS ma duże nachylenie, co skutkuje słabą wydajnością na niskich szerokościach geograficznych. Jakość obserwacji Galileo jest lepsza, ale stabilność zegara satelitarnego jest nieco gorsza, co przekłada się na niską niezawodność systemu. 

GNSS składa się głównie z segmentu kosmicznego, naziemnego i użytkownika. Zasada działaniaw sposób następujący:

1) Satelity nawigacyjne rozmieszczone zgodnie z konstelacją w segmencie kosmicznym odbierają korektę zegara, efemerydy i inne informacje przesyłane łączem zwrotnym z segmentu naziemnego w celu modulacji sygnału i nadają sygnały na Ziemię zgodnie z ustalonym systemem sygnałowym.

2) Segment naziemny śledzi i konserwuje satelity kosmiczne, monitoruje ich stan techniczny, ocenia integralność satelitów i sygnałów, ustala orbitę satelity oraz przesyła do satelity korektę zegara, efemerydy, almanach, parametry korekcji jonosferycznej i inne informacje na określonych częstotliwościach.

3) Segment użytkownika odbiera sygnały z każdego widocznego satelity i wykonuje obliczenia położenia, prędkości i czasu (PVT) na podstawie obserwacji uzyskanych z sygnału śledzącego oraz informacji efemerydalnych i czasowych uzyskanych z sygnału demodulowanego w celu określenia informacji o położeniu, prędkości i czasie użytkownika.Segment kosmiczny systemu nawigacyjnego obejmuje głównie dwie ważne cechy:
① Konstelacja kosmiczna przedstawiająca rozmieszczenie przestrzenne satelitów;
② Charakterystyka sygnałów nadawczych satelitarnych. Z punktu widzenia całego systemu, użytkownicy są najbardziej zainteresowani wydajnością jego usług. Niniejszy artykuł porównuje głównie konstelację kosmiczną, system sygnałowy, system współrzędnych i czasu oraz wydajność usług GNSS, a także analizuje na tej podstawie charakterystykę BDS.

1 Analiza porównawcza konstelacji GNSS

Elementy konstelacji kosmicznej systemu nawigacji satelitarnej obejmują głównie typ konstelacji, typ satelity, liczbę satelitów, wysokość orbity, nachylenie orbity itp. Rozkład konstelacji systemów GPS, Galileo i GLONASS jest mniej więcej taki sam, a wszystkie satelity znajdują się na średniej orbicie okołoziemskiej (MEO). Konstelacja BDS obejmuje satelity MEO, satelity na nachylonej orbicie geostacjonarnej (IGSO) i satelity na orbicie geostacjonarnej (GEO). Trzy satelity GEO systemu BDS znajdują się nad równikiem, odpowiednio na współrzędnych 80°E, 110.5°E i 140°E. Trzy satelity IGSO systemu BDS są rozmieszczone w trzech płaszczyznach orbitalnych.[3]24 satelity BDS na orbicie MEO są równomiernie rozmieszczone na trzech płaszczyznach orbitalnych, a ich trajektorie punktów podsatelitarnych pokrywają cały świat. Dzięki układowi konstelacji MEO/IGSO/GEO, BDS może znacznie poprawić widoczność satelitów BDS w regionie Azji i Pacyfiku, zwiększając tym samym dokładność pozycjonowania i dostępność BDS.

                                          Tabela1 Porównanie konstelacji kosmicznych globalnego systemu nawigacji satelitarnej

2 Analiza porównawcza systemów GNSS

Każdy z czterech głównych systemów nawigacji satelitarnej ma swoją własną charakterystykę. Jeśli chodzi o mechanizm wielodostępu, to w systemach BDS, GPS i Galileo stosuje się wielodostęp z podziałem kodu (CDMA). Mechanizm wielodostępu w systemie GLONASS to obecnie wielodostęp z podziałem częstotliwości (FDMA). Plan modernizacji systemu zakłada jego rozwój w kierunku CDMA. Jeśli chodzi o komponenty sygnału, oprócz niektórych autoryzowanych lub zastrzeżonych komponentów sygnału do celów specjalnych, BDS, GPS i Galileo posiadają…Po okresie badań i koordynacji osiągnięto porozumienie o współpracy zapewniającej kompatybilność i interoperacyjność w zakresie cywilnych sygnałów publicznych, zapewniające interoperacyjność BDS B1C i B2a z GPS L1, L5 oraz Galileo E1 i E5a, co może znacznie poprawić wydajność usług systemów nawigacji satelitarnej i obniżyć koszty rozwoju terminali użytkowników obsługujących wiele systemów.Tabela 2 głównie porównuje i analizuje cztery główne systemy sygnałów nawigacji satelitarnej pod kątem częstotliwości sygnału, gałęzi sygnału, metody modulacji, metody kodowania informacji, szybkości symboli i szerokości pasma sygnału, dzięki czemu czytelnicy mogą uzyskać kompleksową i systematyczną wiedzę na temat sygnałów każdego systemu.

                                           Tabela2  GNSSPorównanie systemów sygnalizacyjnych[4-9]

2: BPSK (binarne kluczowanie z przesunięciem fazowym) QMBOC (kwadraturowa multipleksowana binarna przesunięcie nośne) 表示 正交复用二 进制偏移载波调制; TMBOC (binarne przesunięcie czasowe multipleksowane przewoźnik)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC (kompozytowy binarny offsetowy nośnik)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(cykliczna kontrola nadmiarowa)表示循环冗余校验.Jak widać z tabeli 2, sygnał B1C systemu BDS, sygnał L1C systemu GPS oraz sygnał E1 systemu Galileo działają z częstotliwością 1575,42 MHz, a metodą debugowania jest modulacja typu binarnego przesunięcia nośnej (BOC); sygnał B2a systemu BDS, sygnał L5 systemu GPS oraz sygnał E5a systemu Galileo działają z częstotliwością 1176,45 MHz, gdzie B2a i L5 to metody modulacji z kwadraturowym kluczowaniem fazy (QPSK), a E5a to metoda modulacji z naprzemiennym przesunięciem nośnej (AltBOC). Spójność częstotliwości i podobieństwo metod modulacji stwarzają warunki wstępne dla kompatybilności i interoperacyjności GNSS. Obecnie kompatybilność i interoperacyjność można osiągnąć bardzo dobrze przy częstotliwości 1575,42 MHz.W zakresie projektowania komunikatów nawigacyjnych, BDS wprowadził 64-bitowe kodowanie z kontrolą parzystości o niskiej gęstości (LDPC) jako ważną funkcję w kodowaniu komunikatów nawigacyjnych. Jego schematy kodowania i dekodowania zostały opracowane niezależnie przez Chiny, a jego wydajność jest znacznie lepsza w porównaniu z binarnym kodowaniem LDPC w systemie GPS. Złożoność 64-bitowego kodowania LDPC i binarnego kodowania LDPC jest zasadniczo taka sama; jeśli chodzi o dekodowanie, złożoność dekodowania 64-bitowego jest około 6 razy większa niż dekodowania binarnego. Współczynnik błędów bitowych wynosi 1×10.-5W tych warunkach wzmocnienie 64-arnego kodowania LDPC jest o 0.6–1.2 dB wyższe od wzmocnienia binarnego kodowania LDPC, co przynosi znaczne korzyści w zakresie poprawy wskaźników związanych z zimnym startem terminala użytkownika..

3 Analiza porównawcza współrzędnych i układów czasu GNSS

3.1 Analiza porównawcza układów współrzędnych

Układ współrzędnych systemu nawigacji satelitarnej jest szczególnie istotny. Pozycja i prędkość satelity, obliczone na podstawie parametrów efemeryd i parametrów almanachu, są bezpośrednio reprezentowane w układzie współrzędnych systemu. Układ współrzędnych systemu definiuje elipsoidę odniesienia wymaganą do ustalenia odpowiadającego jej układu współrzędnych geodezyjnych, opisuje model pola grawitacyjnego Ziemi odpowiadający geoidzie oraz dostarcza skorygowane podstawowe parametry geodezyjne. Skorygowane podstawowe parametry geodezyjne każdego układu przedstawiono w tabeli 3.

                                             Tabela3 Podstawowe parametry geodezyjne każdego układu współrzędnych[4-9]

Układ współrzędnych BeiDou (BDCS) jest geocentrycznym układem odniesienia Ziemi. Definicja BDCS jest zgodna ze specyfikacją Międzynarodowej Służby Obrotu Ziemi (IERS) i wykorzystuje parametry elipsoidy odniesienia chińskiego układu współrzędnych geodezyjnych 2000 (CGCS2000). Główną różnicą w stosunku do CGCS2000 jest częstotliwość aktualizacji. BDCS to specjalny układ współrzędnych dla BDS, który może być aktualizowany raz na rok lub pół roku; CGCS2000 to krajowy układ współrzędnych o szerokim zakresie korelacji i długim interwale aktualizacji. Implementacja BDCS będzie zgodna z najnowszym międzynarodowym układem odniesienia Ziemi (ITRF). WGS84 (światowy układ geodezyjny 84) to układ współrzędnych geodezyjnych używany przez amerykański GPS; GTRF (naziemny układ odniesienia Galileo) to układ współrzędnych geodezyjnych używany przez unijny Galileo; PZ-90 (geodezyjny układ PZ-90) to układ współrzędnych geodezyjnych ustanowiony przez Rosję.

3.2 Analiza porównawcza układów czasowych

System czasu jest rdzeniem systemu nawigacji satelitarnej i podstawą jego normalnego działania. BDS, GPS i Galileo ustanowiły dedykowane systemy czasu oparte na czasie atomowym (AT). Ich długości sekund są syntetyzowane na podstawie obserwacji zegarów atomowych i satelitarnych zegarów atomowych zainstalowanych na naziemnych stacjach monitorujących. Nadal są to zasadniczo czasy atomowe, a zatem ciągłe, bez potrzeby sekund przestępnych, jak w przypadku koordynowanego czasu uniwersalnego. Czas systemu GLONASS (GLONASST) różni się od pozostałych trzech czasów systemowych. Jest to system czasu atomowego podobny do koordynowanego czasu uniwersalnego (UTC). Wprowadza sekundy przestępne podczas działania, wykorzystuje czas moskiewski jako punkt odniesienia i wywodzi się ze koordynowanego czasu uniwersalnego UTC (SU) prowadzonego przez Rosyjski Instytut Metrologii Czasu.Czas BeiDou (BDT) jest generowany i utrzymywany przez główną stację sterowania BDS i jest śledzony względem czasu uniwersalnego koordynowanego (NTSC) utrzymywanego przez Narodowe Centrum Czasu (National Time Service Center). Czas GPS (czas GPS, GPST) jest generowany i utrzymywany przez główną stację sterowania GPS i jest śledzony względem czasu uniwersalnego koordynowanego UTC (USNO) utrzymywanego przez Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (US Naval Observatory).[12]。Galileo时（Czas Galileo, GST）直接溯源到国际计量局（Międzynarodowe Biuro Miar i Wag, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。Międzynarodowy czas atomowy (TAI) jest mierzony w sekundach atomowych i narasta od godziny 0:00 czasu uniwersalnego (UT) 1 stycznia 1958 roku. W tym czasie różnica między czasem uniwersalnym a międzynarodowym czasem atomowym wynosi zero, a następnie rośnie z roku na rok. W 1972 roku, w celu zharmonizowania różnic między czasem atomowym a czasem uniwersalnym, zaproponowano rozwiązanie kompromisowe, mianowicie skoordynowany czas uniwersalny (Coordinated Universal Time). Skoordynowany czas uniwersalny (Coordinated Universal Time) opiera się na dokładnej długości sekundy TAI. Gdy różnica między nim a czasem uniwersalnym przekracza 0.9 s, sztucznie dodaje się sekundę przestępną o 1 s, tak aby różnica między czasem uniwersalnym a skoordynowanym czasem uniwersalnym zawsze mieściła się w granicach 0.9 s.[13]Porównanie czasu systemowego czterech głównych systemów nawigacji satelitarnej przedstawiono w tabeli 4.

                                                      Tabela4 GNSSPorównanie systemu czasu

Zgodnie z analizą porównawczą, epoka początkowa GST została ustawiona na 13 sekund przed godziną 00:00:00 (UTC) 22.08.1999 r., aby zapewnić spójność z GPST. Zarówno GST, jak i GPST opóźniają się o 19 sekund względem TAI.

Relację konwersji pomiędzy poszczególnymi czasami systemowymi pokazano na rysunku 1.

obraz1 Relacja konwersji czasu systemowego

4 Analiza porównawcza wydajności usług GNSS

Wydajność systemów nawigacji satelitarnej obejmuje dokładność, integralność, ciągłość i dostępność, a użytkownicy najbardziej interesują się dokładnością i dostępnością.Dokładność usługi obejmuje dokładność pozycjonowania, dokładność pomiaru prędkości i dokładność pomiaru czasu. Dokładność pozycjonowania to wartość statystyczna różnicy między pozycją określoną przez użytkownika za pomocą sygnałów satelitarnych a jego pozycją rzeczywistą, obejmująca dokładność pozycjonowania poziomego i dokładność pozycjonowania pionowego. Dokładność pomiaru prędkości to wartość statystyczna różnicy między prędkością określoną przez użytkownika za pomocą sygnałów satelitarnych a jego prędkością rzeczywistą, która jest zazwyczaj trójwymiarowym błędem prędkości przestrzennej. Dokładność pomiaru czasu to wartość statystyczna różnicy między czasem określonym za pomocą sygnałów satelitarnych a czasem systemu nawigacji satelitarnej.Dostępność usługi to stosunek czasu usługi systemu do oczekiwanego czasu usługi. Czas zdatności do użycia to czas, w którym dostępność precyzji rozmycia pozycji (PDOP) i dostępność pozycjonowania w określonym obszarze spełniają wymagania. Dostępność PDOP to procent czasu, w którym wartość PDOP spełnia wymagania progowe w określonym obszarze geograficznym lub przestrzennym oraz w określonym czasie. Dostępność pozycjonowania to procent czasu, w którym dokładność pozycjonowania spełnia wymagania progowe w określonym obszarze usługi i w określonym czasie.Dokładność pozycjonowania systemu nawigacyjnego zależy głównie od dwóch czynników: 1) wartości PDOP; 2) równoważnego błędu zasięgu użytkownika (UERE). UERE składa się z błędu zasięgu użytkownika (URE) i błędu sprzętu użytkownika (UEE). Wśród nich: URE to suma błędów w pomiarze odległości od satelity do terminala użytkownika, spowodowanych błędami orbity satelity nawigacyjnego i błędem zegara satelitarnego, która jest głównie określana przez system nawigacji satelitarnej; UEE to błąd spowodowany efektami wielodrożności naziemnej i szumem pętli odbiornika użytkownika itp., który jest głównie określany przez środowisko użytkowania i konstrukcję lokalnego odbiornika.Na podstawie specyfikacji wydajności usługi i najnowszych oficjalnych materiałów konferencyjnych BDS, GPS, Galileo i GLONASS[3,14-17], parametry wydajności usług publicznych każdego globalnego systemu nawigacji satelitarnej zostały uporządkowane, a wyniki przedstawiono w Tabeli 5. W Tabeli 5 RMS (średnia kwadratowa) oznacza średnią kwadratową.

                                                 Tabela5  GMSUjawnij parametry wydajności usługi

W rzeczywistości zmierzona wydajność każdego systemu nawigacji satelitarnej jest lepsza niż obiecywana wydajność usług publicznych. Według raportu Chińskiego Biura Zarządzania Satelitarnego z 14. posiedzenia Międzynarodowego Komitetu Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (ICG) w 2019 roku.[18]Zmierzona dokładność pozycjonowania poziomego BDS B1I/B3I wynosi 3.6 m (wynik poniżej 95% niezawodności), dokładność pozycjonowania wysokości wynosi 6.6 m (wynik poniżej 95% niezawodności), dokładność pomiaru prędkości wynosi 0.05 m/s (wynik poniżej 95% niezawodności), a dokładność pomiaru czasu wynosi 9.8 ns (wynik poniżej 95% niezawodności). Zmierzona dokładność pozycjonowania poziomego B1C/B2a wynosi 2.4 m (95% niezawodności), dokładność pozycjonowania wysokości wynosi 4.3 m (wynik poniżej 95% niezawodności), dokładność pomiaru prędkości wynosi 0.06 m/s (wynik poniżej 95% niezawodności), a dokładność pomiaru czasu wynosi 19.1 ns (wynik poniżej 95% niezawodności).Zgodnie z Krajowym Biurem Koordynacyjnym 14. Konferencji ICG w 2019 r.室 (Krajowe Biuro Koordynacji, NCO) 的报告[19]Wyniki statystyczne z okresu od 14.11.2018 r. do 13.11.2019 r. pokazują, że średni dzienny URE dla GPS wynosi 0.514 m, najlepszy dzienny URE wynosi 0.362 m, a najgorszy dzienny URE wynosi 0.666 m. Zgodnie z raportem Europejskiej Agencji Kosmicznej z 14. Konferencji ICG w 2019 r.[20-21]Obliczona we wrześniu 2019 r. dokładność pozycjonowania satelity Galileo wyniosła 0.27 m (wynik poniżej 95% niezawodności), a najgorsza dokładność pozycjonowania monitorowana w regionie równikowym wyniosła 2.79 m (wynik poniżej 95% niezawodności).

Wnioski 5

W artykule tym szczegółowo porównano cztery istniejące systemy GNSS, przeanalizowano charakterystykę konstelacji systemu i wskazano zalety połączonej konstelacji BOS MEO/IGSO/GEO; podsumowano system sygnałowy każdego systemu nawigacyjnego, podkreślając zalety kompatybilności i interoperacyjności wielu systemów oraz kodowania informacji BDS; przeprowadzono analizę porównawczą układu współrzędnych i układu czasu każdego systemu; przeanalizowano wydajność usług systemu nawigacji satelitarnej,Podsumowano parametry wydajności usług każdego systemu nawigacyjnego.Analiza porównawcza pokazuje, że po globalizacji BDS posiada zaawansowaną technologię, kompletne funkcje, doskonałą wydajność, doskonałą kompatybilność i interoperacyjność z GPS i Galileo oraz posiada całkowicie niezależne prawa własności intelektualnej. Jest na etapie współpracy z GPS, co stanowi ważną gwarancję globalizacji BDS i stania się globalnym liderem. Ponieważ kraj nadal intensywnie inwestuje w zasoby i siłę roboczą, oczekuje się, że BDS będzie liderem w dziedzinie GNSS w niedalekiej przyszłości.

Niniejszy artykuł został przedrukowany z „Surveying and Mapping Academic Information” w celu ochrony praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.