миру4Краткий анализ крупных спутниковых навигационных систем.

Аннотация: Для дальнейшего изучения спутниковых навигационных систем проведен сравнительный анализ четырех существующих глобальных спутниковых навигационных систем: системы спутниковой навигации Beidou (BDS), глобальной системы позиционирования (GPS), системы спутниковой навигации Galileo (Galileo) и системы спутниковой навигации GLONASS (GLONASS). Сравнение проводилось по таким параметрам, как спутниковая группировка, система сигналов, система координат и времени, а также качество обслуживания; были отмечены преимущества BDS. Результаты показывают, что BDS обладает значительными преимуществами в спутниковой группировке и кодировании информации, а качество обслуживания системы эквивалентно GPS и Galileo и превосходит GLONASS; BDS основана на геостационарной орбите (GEO), наклонной геосинхронной орбите (IGSO) и мезосферном распределении орбит (MEO), что позволяет повысить точность и доступность позиционирования в Азиатско-Тихоокеанском регионе; используемое в BDS 64-базовое кодирование с низкой плотностью проверок четности (LDPC) превосходит методы кодирования других систем. По сравнению с бинарным LDPC-кодированием GPS, оно обеспечивает дополнительное усиление на 0.6–1.2 дБ.

Ключевые слова: глобальная спутниковая навигационная система; спутниковая группировка; система сигналов; система координат; системное время; качество обслуживания.

0 комментариев

目前有4大全球卫星导航系统(глобальная навигационная спутниковая система, GNSS),包括中国的北斗卫星导航系统(навигационная спутниковая система BeiDou, BDS)全球定位系统(система глобального позиционирования, GPS).导航系统（Навигационная спутниковая система Galileo, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（глобальная орбитальная навигационная спутниковая система, ГЛОНАСС）。其中,BDS和GPS已服务全球，性能相当；功能方面,BDS,GPS多了区域短报文和全球短报文功能Хотя система GLONASS используется по всему миру, её характеристики несколько уступают системам BDS и GPS, а орбита GLONASS имеет большой наклон, что приводит к низкой эффективности на низких широтах. Качество наблюдений Galileo лучше, но стабильность спутниковых часов несколько ниже, что приводит к низкой надёжности системы. 

GNSS в основном состоит из космического сегмента, наземного сегмента и пользовательского сегмента. Принцип его работыследующим образом:

1) Навигационные спутники, распределенные в соответствии с группировкой в ​​космическом сегменте, получают коррекцию тактовой частоты, эфемериды и другую информацию, передаваемую по восходящему каналу связи с наземного сегмента для модуляции сигнала, и передают сигналы на Землю в соответствии с предписанной системой сигналов.

2) Наземный сегмент отслеживает и обслуживает космические спутники, контролирует их состояние, оценивает целостность спутников и сигналов, определяет орбиту спутника и передает на него на определенных частотах информацию о коррекции часов, эфемериды, альманах, параметры ионосферной коррекции и другую информацию.

3) Пользовательский сегмент принимает сигналы от каждого видимого спутника и выполняет расчеты положения, скорости и времени (PVT) на основе наблюдений, полученных из сигнала слежения, а также эфемерид и временной информации, полученной из демодулированного сигнала, для определения положения, скорости и времени пользователя.Космический сегмент навигационной системы в основном включает в себя две важные характеристики:
① Космическая группировка, представляющая пространственное распределение спутников;
②Характеристики спутниковых сигналов вещания. Что касается всей системы в целом, пользователей больше всего волнует качество предоставляемых услуг. В данной статье в основном сравниваются космическая группировка спутников, система сигналов, система координат и времени, а также качество услуг GNSS, и на этой основе анализируются характеристики BDS.

1. Сравнительный анализ спутниковых систем GNSS.

Элементы спутниковой навигационной системы (SDN) в космической группировке в основном включают тип группировки, тип спутников, количество спутников, высоту орбиты, наклон орбиты и т. д. Распределение спутников GPS, Galileo и GLONASS примерно одинаково, и все они находятся на средних околоземных орбитах (MEO). Группировка BDS включает спутники на средних околоземных орбитах (MEO), спутники на наклонной геосинхронной орбите (IGSO) и спутники на геостационарной орбите (GEO). Три спутника GEO группировки BDS расположены над экватором, соответственно, на 80°E, 110.5°E и 140°E. Три спутника IGSO группировки BDS распределены в трех плоскостях орбиты.[3]24 спутника BDS на среднеорбитальной орбите (MEO) равномерно распределены в трех плоскостях орбиты, а их траектории движения охватывают весь мир. Благодаря расположению спутников в группах MEO/IGSO/GEO, BDS может значительно улучшить видимость своих спутников в Азиатско-Тихоокеанском регионе, тем самым повышая точность позиционирования и доступность системы BDS.

                                          表1 Сравнение космических группировок глобальных спутниковых навигационных систем

2. Сравнительный анализ систем GNSS.

Каждая из четырех основных спутниковых навигационных систем имеет свои особенности. Что касается механизма многодоступности, то в системах BDS, GPS и Galileo используется кодовое разделение каналов (CDMA). В системе GLONASS в настоящее время используется частотное разделение каналов (FDMA). План модернизации системы предусматривает развитие в направлении CDMA. Что касается сигнальных компонентов, то помимо некоторых авторизованных или запатентованных сигнальных компонентов специального назначения, системы BDS, GPS и Galileo имеютПосле периода исследований и координации было достигнуто совместимое и взаимодействующее соглашение о сотрудничестве в области гражданских общедоступных сигналов, обеспечивающее совместимость систем BDS B1C и B2a с GPS L1, L5 и Galileo E1 и E5a соответственно, что может значительно улучшить качество обслуживания спутниковых навигационных систем и снизить затраты на разработку многосистемных пользовательских терминалов.В таблице 2 в основном сравниваются и анализируются четыре основные системы спутниковой навигации по таким параметрам, как частота сигнала, тип сигнала, метод модуляции, метод кодирования информации, скорость передачи символов и ширина полосы пропускания сигнала, что позволяет читателям получить всестороннее и систематическое представление о сигналах каждой системы.

                                           表2  GNSSСравнение сигнальных систем[4-9]

表2中:BPSK (двоичная фазовая манипуляция); QMBOC (квадратурная мультиплексированная несущая с двоичным смещением);表示时分复用二进制偏移载波；CBOC (составная двоичная несущая смещения)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 (проверка циклическим избыточным кодом)表示循环冗余校验。Как видно из таблицы 2, сигнал B1C системы BDS, сигнал L1C системы GPS и сигнал E1 системы Galileo работают на частоте 1575,42 МГц, а метод отладки — это модуляция типа бинарного смещения несущей (BOC); сигнал B2a системы BDS, сигнал L5 системы GPS и сигнал E5a системы Galileo работают на частоте 1176,45 МГц, где B2a и L5 — это методы модуляции с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK), а E5a — метод модуляции с чередующимся бинарным смещением несущей (AltBOC). Согласованность частот и сходство методов модуляции создают предпосылки для совместимости и взаимодействия GNSS. В настоящее время совместимость и взаимодействие могут быть достигнуты на частоте 1575,42 МГц.В контексте проектирования навигационных сообщений, система BDS внедрила 64-базовое кодирование с низкой плотностью проверок четности (LDPC) в качестве важной особенности кодирования навигационных сообщений. Схемы кодирования и декодирования были разработаны Китаем независимо, и их характеристики значительно улучшены по сравнению с бинарным кодированием LDPC, используемым в GPS. Сложность 64-базового и бинарного кодирования LDPC в основном одинакова; с точки зрения декодирования, сложность 64-базового декодирования примерно в 6 раз выше, чем бинарного декодирования. Частота битовых ошибок составляет 1×10⁻⁶.-5В данных условиях коэффициент усиления 64-арного LDPC-кодирования на 0.6–1.2 дБ выше, чем коэффициент усиления бинарного LDPC-кодирования, что значительно улучшает показатели, связанные с холодным запуском пользовательского терминала..

3. Сравнительный анализ систем координат и времени GNSS.

3.1 Сравнительный анализ систем координат

Система координат спутниковой навигационной системы имеет особое значение. Положение и скорость спутника, рассчитанные на основе параметров эфемерид и альманаха спутника, непосредственно представлены в системе координат системы. Система координат системы определяет опорный эллипсоид, необходимый для установления соответствующей геодезической системы координат, описывает модель гравитационного поля Земли, соответствующую геоиду, и предоставляет скорректированные основные геодезические параметры. Скорректированные основные геодезические параметры каждой системы показаны в таблице 3.

                                             表3 Основные геодезические параметры каждой системы координат[4-9]

Система координат Бэйдоу (BDCS) — это геоцентрическая система отсчета Земли. Определение BDCS соответствует спецификации Международной службы вращения Земли (IERS) и использует параметры опорного эллипсоида китайской геодезической системы координат 2000 (CGCS2000). Основное отличие от CGCS2000 заключается в частоте обновления. BDCS — это специальная система координат для Бэйдоу, и ее обновление может происходить раз в год или раз в полгода; CGCS2000 — это национальная система координат с широким диапазоном корреляций и длительным интервалом обновления. Внедрение BDCS будет соответствовать новейшей международной наземной системе отсчета (ITRF). WGS84 (мировая геодезическая система 84) — это геодезическая система координат, используемая американской системой GPS; GTRF (наземная система отсчета Галилео) — это геодезическая система координат, используемая европейской системой Галилео; PZ-90 (геодезическая система PZ-90) — это геодезическая система координат, установленная Россией.

3.2 Сравнительный анализ систем времени

Система времени является ядром спутниковой навигационной системы и краеугольным камнем ее нормальной работы. Системы BDS, GPS и Galileo создали собственные системы времени, основанные на атомном времени (АТ). Длина секунд в них синтезируется на основе наблюдений атомных часов и спутниковых атомных часов, установленных на наземных станциях мониторинга. По сути, это все еще атомное время, и поэтому оно непрерывно, без необходимости в дополнительных секундах, как в скоординированном универсальном времени. Системное время ГЛОНАСС (GLONASST) отличается от трех других систем времени. Это атомная система времени, подобная скоординированному универсальному времени (UTC). В ней вводятся дополнительные секунды во время работы, в качестве эталона используется московское время, а ее происхождение восходит к скоординированному универсальному времени UTC (SU), поддерживаемому Российским институтом метрологии времени.Время BeiDou (BDT) генерируется и поддерживается главной станцией управления BDS и соотносится с Всемирным координированным временем (NTSC), поддерживаемым Национальным центром обслуживания времени. Время GPS (GPS time, GPST) генерируется и поддерживается главной станцией управления GPS и соотносится с Всемирным координированным временем UTC (USNO), поддерживаемым Военно-морской обсерваторией США.[12]。Galileo时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（Международное бюро мер и весов, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。Международное атомное время (МАВ) измеряется в атомных секундах и отсчитывается от всемирного времени (ВТ) 0:00 1 января 1958 года. В это время разница между всемирным временем и международным атомным временем равна нулю, а затем увеличивается из года в год. В 1972 году для гармонизации разницы между международным атомным временем и всемирным временем был предложен компромиссный план, а именно скоординированное всемирное время. Скоординированное всемирное время основано на точной длине секунды МАВ. Когда разница между ним и всемирным временем превышает 0.9 с, искусственно добавляется високосная секунда на 1 с, так что разница между всемирным временем и скоординированным всемирным временем всегда находится в пределах 0.9 с.[13]В таблице 4 представлено сравнение системного времени четырех основных спутниковых навигационных систем.

                                                      表4 GNSSСравнение системы времени

Согласно сравнительному анализу, начальная точка отсчета GST установлена ​​на 13 секунд раньше 22.08.1999T 00:00:00 (UTC), чтобы соответствовать GPST. И GST, и GPST отстают от TAI на 19 секунд.

Взаимосвязь между временем работы каждой системы показана на рисунке 1.

картина1 Связь преобразования системного времени

4. Сравнительный анализ производительности сервисов GNSS.

К характеристикам работы спутниковых навигационных систем относятся точность, целостность, непрерывность и доступность, причем для пользователей наиболее важны именно точность и доступность.Точность обслуживания включает в себя точность позиционирования, точность измерения скорости и точность измерения времени. Точность позиционирования — это статистическое значение разницы между положением, определенным пользователем с помощью спутниковых сигналов, и его истинным положением, включая точность горизонтального и вертикального позиционирования. Точность измерения скорости — это статистическое значение разницы между скоростью, определенной пользователем с помощью спутниковых сигналов, и его истинной скоростью, которое, как правило, представляет собой ошибку трехмерной пространственной скорости. Точность измерения времени — это статистическое значение разницы между временем, определенным с помощью спутниковых сигналов, и временем спутниковой навигационной системы.Доступность сервиса — это отношение времени работы системы к ожидаемому времени работы. Время, пригодное для обслуживания, — это время, когда доступность точности позиционирования (PDOP) и доступность позиционирования в указанной области соответствуют требованиям. Доступность PDOP — это процент времени, в течение которого значение PDOP соответствует пороговым требованиям в указанной географической или пространственной области и за указанный период времени. Доступность позиционирования — это процент времени, в течение которого точность позиционирования соответствует пороговым требованиям в указанной зоне обслуживания и за указанный период времени.Точность позиционирования навигационной системы в основном определяется двумя факторами: ① значением PDOP; ② ошибкой эквивалентного расстояния пользователя (UERE). UERE состоит из ошибки расстояния пользователя (URE) и ошибки оборудования пользователя (UEE). Среди них: URE — это сумма ошибок измерения расстояния от спутника до терминала пользователя, вызванная ошибками орбиты навигационного спутника и ошибкой спутниковых часов, которая в основном определяется спутниковой навигационной системой; UEE — это ошибка, вызванная эффектами многолучевого распространения на поверхности земли и шумом в петле приемника пользователя и т. д., которая в основном определяется условиями эксплуатации и конструкцией локального приемника.На основе технических характеристик и последних официальных материалов конференций от BDS, GPS, Galileo и GLONASS.[3,14-17]Были проанализированы параметры эффективности работы каждой глобальной спутниковой навигационной системы, и результаты представлены в таблице 5. В таблице 5 среднеквадратичное значение (RMS) обозначает среднеквадратичное значение.

                                                 表5  ГМССРаскрытие параметров производительности службы

Фактически, измеренные характеристики каждой спутниковой навигационной системы превосходят обещанные характеристики для государственных служб. Согласно докладу Управления по управлению спутниками Китая, представленному на 14-м заседании Международного комитета по глобальным навигационным спутниковым системам (ICG) в 2019 году.[18]Измеренная точность горизонтального позиционирования BDS B1I/B3I составляет 3.6 м (результат с вероятностью надежности менее 95%), точность определения высоты — 6.6 м (результат с вероятностью надежности менее 95%), точность измерения скорости — 0.05 м/с (результат с вероятностью надежности менее 95%), а точность измерения времени — 9.8 нс (результат с вероятностью надежности менее 95%). Измеренная точность горизонтального позиционирования B1C/B2a составляет 2.4 м (результат с вероятностью надежности менее 95%), точность определения высоты — 4.3 м (результат с вероятностью надежности менее 95%), точность измерения скорости — 0.06 м/с (результат с вероятностью надежности менее 95%), а точность измерения времени — 19.1 нс (результат с вероятностью надежности менее 95%).Согласно данным Национального координационного офиса 14-й конференции ICG в 2019 году.室(Национальное координационное бюро, НКО)的报告[19]Статистические результаты за период с 14.11.2018 по 13.11.2019 показывают, что среднее значение URE для GPS составляет 0.514 м, лучшее значение URE за день — 0.362 м, а худшее — 0.666 м. Согласно отчету Европейского космического агентства, представленному на 14-й конференции ICG в 2019 году.[20-21]Погрешность позиционирования спутника Galileo, рассчитанная в сентябре 2019 года, составила 0.27 м (результат с уровнем достоверности менее 95%), а наихудшая точность позиционирования, зафиксированная в экваториальном регионе, составила 2.79 м (результат с уровнем достоверности менее 95%).

Заключение 5

В данной статье проводится подробное сравнение четырех существующих GNSS, анализируются характеристики спутниковых группировок и указываются преимущества комбинированной группировки BOS MEO/IGSO/GEO; обобщается система сигналов каждой навигационной системы, подчеркиваются преимущества многосистемной совместимости и взаимодействия, а также кодирования информации BDS; проводится сравнительный анализ системы координат и системы времени каждой системы; анализируется качество обслуживания спутниковой навигационной системы.Обобщены параметры работы каждой навигационной системы.Сравнительный анализ показывает, что после глобализации BDS обладает передовыми технологиями, полным набором функций, превосходными характеристиками, отличной совместимостью и взаимодействием с GPS и Galileo, а также полностью независимыми правами интеллектуальной собственности. Находясь на этапе работы параллельно с GPS, она предоставляет важные гарантии для выхода на международный рынок и становления в качестве ведущей международной системы. Поскольку страна продолжает вкладывать значительные ресурсы и кадры, ожидается, что в ближайшем будущем BDS займет лидирующие позиции среди зарубежных GNSS-систем.

Данная статья перепечатана из издания «Surveying and Mapping Academic Information» в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.