no mundo todo4Uma breve análise de grandes sistemas de navegação por satélite.

Resumo: Para aprofundar o estudo dos sistemas de navegação por satélite, foi realizada uma análise comparativa dos quatro sistemas globais de navegação por satélite existentes: Beidou Satellite Navigation System (BDS), Global Positioning System (GPS), Galileo Satellite Navigation System (Galileo) e GLONASS Satellite Navigation System (GLONASS). Os aspectos analisados ​​foram a constelação, o sistema de sinal, o sistema de coordenadas e tempo e o desempenho do serviço. As vantagens do BDS foram destacadas. Os resultados mostram que o BDS apresenta grandes vantagens em termos de constelação e codificação de informações, e o desempenho do serviço é equivalente ao do GPS e do Galileo, sendo superior ao do GLONASS. O BDS, baseado em órbitas geoestacionárias (GEO), órbitas geossíncronas inclinadas (IGSO) e órbitas mesosféricas (MEO), pode melhorar a precisão e a disponibilidade do posicionamento na região Ásia-Pacífico. Além disso, a codificação LDPC (Low-Density Parity Check) de 64 bases utilizada pelo BDS é superior aos métodos de codificação dos demais sistemas. Em comparação com a codificação LDPC binária do GPS, pode proporcionar um ganho adicional de 0.6 a 1.2 dB.

Palavras-chave: sistema global de navegação por satélite; constelação do sistema; sistema de sinais; sistema de coordenadas; tempo do sistema; desempenho do serviço

0 引言

目前有4大全球卫星导航系统（sistema global de navegação por satélite, GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（Sistema de navegação por satélite BeiDou, BDS), Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（sistema global de navegação por satélite em órbita, 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Embora o GLONASS esteja em operação em todo o mundo, seu desempenho é ligeiramente inferior ao do BDS e do GPS, e a órbita do GLONASS possui uma grande inclinação, resultando em desempenho ruim em baixas latitudes. A qualidade das observações do Galileo é melhor, mas a estabilidade do relógio do satélite é ligeiramente inferior, resultando em baixa confiabilidade do sistema. 

O GNSS é composto principalmente por um segmento espacial, um segmento terrestre e um segmento de usuário. Seu princípio de funcionamentocomo se segue:

1) Os satélites de navegação distribuídos de acordo com a constelação no segmento espacial recebem correção de relógio, efemérides e outras informações injetadas no enlace ascendente do segmento terrestre para modulação de sinal e transmitem sinais para a Terra de acordo com o sistema de sinal prescrito.

2) O segmento terrestre rastreia e mantém os satélites espaciais, monitora o estado de saúde dos satélites, avalia a integridade dos satélites e dos sinais, determina a órbita do satélite e injeta a correção do relógio do satélite, efemérides, almanaque, parâmetros de correção ionosférica e outras informações de enlace ascendente no satélite em frequências específicas.

3) O segmento do usuário recebe sinais de cada satélite visível e realiza cálculos de posição, velocidade e tempo (PVT) com base nas observações obtidas do sinal de rastreamento e nas informações de efemérides e tempo obtidas do sinal demodulado para determinar a posição, a velocidade e as informações de tempo do usuário.O segmento espacial do sistema de navegação inclui principalmente duas características importantes:
① Uma constelação espacial que representa a distribuição espacial dos satélites;
②Características dos sinais de transmissão via satélite. No que diz respeito ao sistema como um todo, o que mais interessa aos usuários é o desempenho do serviço. Este artigo compara principalmente a constelação espacial, o sistema de sinais, o sistema de coordenadas e tempo e o desempenho do serviço do GNSS, e analisa as características do BDS com base nisso.

1. Análise comparativa de constelações GNSS

Os elementos de uma constelação espacial de um sistema de navegação por satélite incluem principalmente o tipo de constelação, o tipo de satélite, o número de satélites, a altitude orbital, a inclinação orbital, etc. A distribuição das constelações GPS, Galileo e GLONASS é aproximadamente a mesma, e todos os satélites são de órbita terrestre média (MEO). A constelação BDS inclui satélites MEO, satélites de órbita geoestacionária inclinada (IGSO) e satélites de órbita geoestacionária (GEO). Os três satélites GEO do BDS estão localizados acima do equador, distribuídos respectivamente a 80°E, 110.5°E e 140°E. Os três satélites IGSO do BDS estão distribuídos em três planos orbitais. Os 24 satélites MEO do BDS estão distribuídos uniformemente em três planos orbitais, e suas trajetórias pontuais de subsatélites cobrem o mundo. Através da configuração da constelação MEO/IGSO/GEO, o BDS consegue melhorar significativamente a visibilidade dos seus satélites na região da Ásia-Pacífico, aumentando assim a precisão e a disponibilidade do posicionamento.

                                          Quadro1 comparação de constelações espaciais do sistema global de navegação por satélite

2. Análise comparativa de sistemas GNSS

Cada um dos quatro principais sistemas de navegação por satélite possui características próprias. Quanto ao mecanismo de acesso múltiplo, o BDS, GPS e Galileo utilizam o acesso múltiplo por divisão de código (CDMA). O GLONASS, por sua vez, utiliza atualmente o acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA), com um plano de modernização que prevê a migração para o CDMA. Em relação aos componentes de sinal, além de alguns componentes autorizados ou proprietários para fins específicos, o BDS, GPS e Galileo possuem...Após um período de pesquisa e coordenação, foi alcançado um acordo de cooperação compatível e interoperável em sinais públicos civis, concretizando a interoperabilidade entre o BDS B1C e o B2a com o GPS L1, L5 e o Galileo E1 e E5a, respectivamente, o que pode melhorar significativamente o desempenho dos serviços de sistemas de navegação por satélite e reduzir o custo de desenvolvimento de terminais de usuário multissistema.A Tabela 2 compara e analisa principalmente os quatro principais sistemas de sinalização de navegação por satélite, considerando aspectos como frequência do sinal, ramificação do sinal, método de modulação, método de codificação da informação, taxa de símbolos e largura de banda do sinal, para que os leitores possam ter uma compreensão abrangente e sistemática dos sinais de cada sistema.

                                           Quadro2  GNSSComparação de sistemas de sinalização[4-9]

表2中：BPSK(binary phase shift keying）表示二相移相键控;QMBOC(portadora de deslocamento binário multiplexado em quadratura)表示正交复用二进制偏移载波调制;TMBOC(time portadora de deslocamento binário multiplexado)表示时分复用二进制偏移载波;CBOC(portadora de deslocamento binário composto)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 (verificação de redundância cíclica)表示循环冗余校验。Como pode ser observado na Tabela 2, o sinal B1C do BDS, o sinal L1C do GPS e o sinal E1 do Galileo operam em 1575,42 MHz, e o método de modulação utilizado é o BOC (Binary Offset Carrier). Já o sinal B2a do BDS, o sinal L5 do GPS e o sinal E5a do Galileo operam em 1176,45 MHz, onde B2a e L5 utilizam modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e E5a utiliza modulação AltBOC (Alternating Binary Offset Carrier). A consistência das frequências e a similaridade dos métodos de modulação criam pré-requisitos para a compatibilidade e interoperabilidade do GNSS. Atualmente, a compatibilidade e a interoperabilidade são bastante satisfatórias em 1575,42 MHz.Em termos de design de mensagens de navegação, o BDS introduziu a codificação LDPC (Low Density Parity Check) de 64 bases como um recurso importante. Seus esquemas de codificação e decodificação foram desenvolvidos independentemente pela China, e seu desempenho é significativamente superior ao da codificação LDPC binária do GPS. A complexidade da codificação LDPC de 64 bases e da codificação LDPC binária são basicamente as mesmas; em termos de decodificação, a complexidade da decodificação de 64 bases é cerca de 6 vezes maior que a da decodificação binária. A taxa de erro de bit é de 1×10⁻¹⁰.-5Nessas condições, o ganho de codificação LDPC de 64 níveis é de 0.6 a 1.2 dB maior do que o ganho de codificação LDPC binária, o que traz benefícios consideráveis ​​para a melhoria dos indicadores relacionados à inicialização a frio do terminal do usuário..

3. Análise comparativa de coordenadas GNSS e sistemas de tempo

3.1 Análise comparativa de sistemas de coordenadas

O sistema de coordenadas do sistema de navegação por satélite é particularmente importante. A posição e a velocidade do satélite, calculadas a partir dos parâmetros de efemérides e de almanaque, são representadas diretamente no sistema de coordenadas do sistema. O sistema de coordenadas do sistema define o elipsoide de referência necessário para estabelecer o sistema de coordenadas geodésicas correspondente, descreve o modelo do campo gravitacional da Terra correspondente ao geoide e fornece os parâmetros geodésicos básicos corrigidos. Os parâmetros geodésicos básicos corrigidos de cada sistema são apresentados na Tabela 3.

                                             Quadro3 Parâmetros geodésicos básicos de cada sistema de coordenadas[4-9]

O sistema de coordenadas BeiDou (BDCS) é um sistema de referência geocêntrico da Terra. A definição do BDCS está em conformidade com a especificação do Serviço Internacional de Rotação da Terra (IERS) e utiliza os parâmetros do elipsoide de referência do Sistema de Coordenadas Geodésicas da China 2000 (CGCS2000). A principal diferença em relação ao CGCS2000 é a frequência de atualização. O BDCS é um sistema de coordenadas específico para o BeiDou e pode ser atualizado anualmente ou semestralmente; o CGCS2000 é um sistema de coordenadas nacional com uma ampla gama de correlações e um longo intervalo de atualização. A implementação do BDCS será alinhada com o mais recente Sistema Internacional de Referência Terrestre (ITRF). O WGS84 (Sistema Geodésico Mundial 84) é o sistema de coordenadas geodésicas utilizado pelo GPS dos EUA; o GTRF (Sistema de Referência Terrestre Galileo) é o sistema de coordenadas geodésicas utilizado pelo Galileo da UE; o PZ-90 (Sistema Geodésico PZ-90) é o sistema de coordenadas geodésicas estabelecido pela Rússia.

3.2 Análise comparativa de sistemas de tempo

O sistema de tempo é o núcleo do sistema de navegação por satélite e a base do seu funcionamento normal. BDS, GPS e Galileo estabeleceram sistemas de tempo dedicados baseados no tempo atômico (TA). Suas durações em segundos são sintetizadas a partir das observações de relógios atômicos e de relógios atômicos instalados em suas estações de monitoramento terrestre. Eles ainda são essencialmente tempo atômico e, portanto, contínuos, sem a necessidade de segundos intercalares como o tempo universal coordenado (UTC). O tempo do sistema GLONASS (GLONASST) é diferente dos outros três sistemas de tempo. É um sistema de tempo atômico semelhante ao tempo universal coordenado (UTC). Ele introduz segundos intercalares durante a operação, usa o tempo de Moscou como referência e tem sua origem no tempo universal coordenado UTC (SU) mantido pelo Instituto Russo de Metrologia do Tempo.O tempo BeiDou (BDT) é gerado e mantido pela estação de controle mestre do BDS e é rastreável ao Tempo Universal Coordenado (NTSC) mantido pelo Centro Nacional de Serviço de Tempo. O tempo GPS (tempo GPS, GPST) é gerado e mantido pela estação de controle mestre do GPS e é rastreável ao Tempo Universal Coordenado UTC (USNO) mantido pelo Observatório Naval dos EUA. 。Galileo时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（Bureau Internacional de Pesos e Medidas, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。O Tempo Atômico Internacional (TAI) é medido em segundos atômicos e começa a ser contabilizado a partir das 0h00 do Tempo Universal Coordenado (UT) de 1º de janeiro de 1958. Nesse momento, a diferença entre o Tempo Universal Coordenado e o Tempo Atômico Internacional era zero, aumentando a cada ano. Em 1972, com o objetivo de harmonizar as diferenças entre o Tempo Atômico Internacional e o Tempo Universal Coordenado, foi proposto um plano de compromisso, denominado Tempo Universal Coordenado (UTC). O Tempo Universal Coordenado baseia-se na duração precisa do segundo TAI. Quando a diferença entre ele e o Tempo Universal Coordenado ultrapassa 0.9 s, um segundo intercalar de 1 s é adicionado artificialmente, de modo que a diferença entre o Tempo Universal Coordenado e o Tempo Universal Coordenado permaneça sempre dentro de 0.9 s. A comparação do tempo de sistema dos quatro principais sistemas de navegação por satélite é apresentada na Tabela 4.

                                                      Quadro4 GNSSComparação de sistemas de tempo

De acordo com a análise comparativa, a época inicial do GST foi definida para 13 segundos antes de 22/08/1999 às 00:00:00 (UTC), a fim de ser consistente com o GPST. Tanto o GST quanto o GPST estão defasados ​​em relação ao TAI em 19 segundos.

A relação de conversão entre cada tempo do sistema é mostrada na Figura 1.

fotografia1 Relação de conversão de tempo do sistema

4. Análise comparativa do desempenho do serviço GNSS

O desempenho dos serviços de sistemas de navegação por satélite inclui precisão, integridade, continuidade e disponibilidade, sendo que os usuários estão mais preocupados com a precisão e a disponibilidade.A precisão do serviço inclui a precisão do posicionamento, a precisão da medição de velocidade e a precisão da medição de tempo. A precisão do posicionamento é o valor estatístico da diferença entre a posição determinada pelo usuário usando sinais de satélite e sua posição real, incluindo a precisão do posicionamento horizontal e a precisão do posicionamento vertical. A precisão da medição de velocidade é o valor estatístico da diferença entre a velocidade determinada pelo usuário usando sinais de satélite e sua velocidade real, que geralmente é o erro de velocidade no espaço tridimensional. A precisão da medição de tempo é o valor estatístico da diferença entre o tempo determinado usando sinais de satélite e o tempo do sistema de navegação por satélite.A disponibilidade do serviço é a proporção entre o tempo de serviço do sistema e o tempo de serviço esperado. O tempo de serviço é o período em que a disponibilidade da diluição da precisão da posição (PDOP) e a disponibilidade do posicionamento dentro da área especificada atendem aos requisitos. A disponibilidade da PDOP é a porcentagem de tempo em que o valor da PDOP atende aos requisitos de limite dentro de uma área geográfica ou espacial e período de tempo especificados. A disponibilidade do posicionamento é a porcentagem de tempo em que a precisão do posicionamento atende aos requisitos de limite dentro da área de serviço e período de tempo especificados.A precisão do posicionamento do sistema de navegação é determinada principalmente por dois fatores: ① valor PDOP; ② erro de alcance equivalente do usuário (UERE). O UERE consiste no erro de alcance do usuário (URE) e no erro do equipamento do usuário (UEE). Dentre eles: o URE é a soma dos erros na observação da distância do satélite até o terminal do usuário, causados ​​por erros na órbita do satélite de navegação e no relógio do satélite, sendo determinado principalmente pelo sistema de navegação por satélite; o UEE é o erro causado por efeitos de multicaminho terrestre e ruído de loop do receptor do usuário, etc., sendo determinado principalmente pelo ambiente de uso e pelo projeto do receptor local.Com base nas especificações de desempenho do serviço e nos materiais oficiais mais recentes das conferências da BDS, GPS, Galileo e GLONASS.[3,14-17]Os parâmetros de desempenho do serviço público de cada sistema global de navegação por satélite foram classificados e os resultados são apresentados na Tabela 5. Na Tabela 5, RMS (raiz quadrada média) representa a raiz quadrada média.

                                                 Quadro5  GMSSExpor parâmetros de desempenho do serviço

Na verdade, o desempenho medido de cada sistema de navegação por satélite é melhor do que o desempenho prometido ao serviço público. De acordo com o relatório do Escritório de Gestão de Satélites da China na 14ª reunião do Comitê Internacional de Sistemas Globais de Navegação por Satélite (ICG), em 2019. A precisão de posicionamento horizontal medida para o BDS B1I/B3I é de 3.6 m (resultado com 95% de confiabilidade), a precisão de posicionamento em altitude é de 6.6 m (resultado com 95% de confiabilidade), a precisão de medição de velocidade é de 0.05 m/s (resultado com 95% de confiabilidade) e a precisão de temporização é de 9.8 ns (resultado com 95% de confiabilidade). Já para o B1C/B2a, a precisão de posicionamento horizontal medida é de 2.4 m (resultado com 95% de confiabilidade), a precisão de posicionamento em altitude é de 4.3 m (resultado com 95% de confiabilidade), a precisão de medição de velocidade é de 0.06 m/s (resultado com 95% de confiabilidade) e a precisão de temporização é de 19.1 ns (resultado com 95% de confiabilidade).Segundo o Gabinete Nacional de Coordenação da 14ª Conferência do ICG em 2019室（Escritório de Coordenação Nacional, NCO）的报告 Os resultados estatísticos de 14/11/2018 a 13/11/2019 mostram que o URE médio do GPS é de 0.514 m, o melhor dia com URE foi de 0.362 m e o pior dia com URE foi de 0.666 m. De acordo com o relatório da Agência Espacial Europeia na 14ª Conferência ICG em 2019.[20-21]O erro relativo (URE) do satélite Galileo, calculado em setembro de 2019, foi de 0.27 m (resultado com 95% de confiabilidade), e a pior precisão de posicionamento monitorada na região equatorial foi de 2.79 m (resultado com 95% de confiabilidade).

Conclusão 5

Este artigo apresenta uma comparação detalhada dos quatro sistemas GNSS existentes, analisa as características da constelação de cada sistema e destaca as vantagens da constelação combinada BOS MEO/IGSO/GEO; resume o sistema de sinal de cada sistema de navegação, enfatizando as vantagens da compatibilidade e interoperabilidade entre sistemas e da codificação de informações BDS; realiza uma análise comparativa do sistema de coordenadas e do sistema de tempo de cada sistema; e analisa o desempenho do serviço do sistema de navegação por satélite.São resumidos os parâmetros de desempenho de cada sistema de navegação.Por meio de análises comparativas, observa-se que, após a globalização do BDS, este apresenta tecnologia avançada, funções completas, excelente desempenho, ótima compatibilidade e interoperabilidade com GPS e Galileo, além de possuir direitos de propriedade intelectual totalmente independentes. Encontra-se em um estágio de operação conjunta com o GPS, o que proporciona uma importante garantia para que o BDS se globalize e se torne um sistema GNSS internacional. Com o país investindo fortemente em recursos e mão de obra, espera-se que o BDS lidere o mercado internacional de GNSS em um futuro próximo.

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