Dünya çapında4Büyük uydu navigasyon sistemlerinin kısa bir analizi

Özet: Uydu navigasyon sistemlerini daha detaylı incelemek amacıyla, mevcut dört küresel uydu navigasyon sistemi olan Beidou Uydu Navigasyon Sistemi (BDS), Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS), Galileo Uydu Navigasyon Sistemi (Galileo) ve GLONASS Uydu Navigasyon Sistemi (GLONASS) takımyıldız, sinyal sistemi, koordinat ve zaman sistemi ve hizmet performansı açısından karşılaştırılmıştır; BDS'nin avantajları vurgulanmıştır. Sonuçlar, BDS'nin sistem takımyıldızı ve bilgi kodlamasında büyük avantajlara sahip olduğunu ve sistem hizmet performansının GPS ve Galileo'ya eşdeğer, GLONASS'tan ise daha iyi olduğunu göstermektedir; BDS, jeostasyonel yörünge (GEO), eğimli jeosenkron yörünge (IGSO) ve mezosferik yer yörüngesi (MEO) takımyıldız dağılımına dayanarak Asya-Pasifik bölgesinde konumlandırma doğruluğunu ve kullanılabilirliğini artırabilir; BDS tarafından kullanılan 64 tabanlı düşük yoğunluklu parite kontrolü (LDPC) kodlaması, diğer sistemlerin kodlama yöntemlerinden daha iyidir. GPS'in ikili LDPC kodlamasına kıyasla, 0.6~1.2 dB ek kazanç sağlayabilir.

Anahtar kelimeler: küresel uydu navigasyon sistemi; sistem takımyıldızı; sinyal sistemi; koordinat sistemi; sistem zamanı; hizmet performansı

0 Yorum

BeiDou navigasyon uydu sistemi, BDS(Galileo navigasyon uydu sistemi, GPS) Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（küresel yörüngedeki navigasyon uydu sistemi, GLONASS (GLONASS), BDS ve GPS veri analizörleri.当；功能方面,BDS GPS GPS GPS cihazıGLONASS dünya çapında hizmet veriyor olsa da, performansı BDS ve GPS'e göre biraz daha düşüktür ve GLONASS yörüngesinin büyük bir eğime sahip olması, düşük enlemlerde performansının düşük olmasına neden olur. Galileo'nun gözlemlerinin kalitesi daha iyidir, ancak uydu saatinin kararlılığı biraz daha zayıf olduğundan sistem güvenilirliği düşüktür. 

GNSS esas olarak uzay segmenti, yer segmenti ve kullanıcı segmentinden oluşur. Çalışma prensibi şöyledir:aşağıdaki gibidir:

1) Uzay segmentinde takımyıldızlara göre dağıtılmış navigasyon uyduları, yer segmentinden yukarı bağlantı yoluyla iletilen saat düzeltmesi, efemeris ve diğer bilgileri sinyal modülasyonu için alır ve belirlenmiş sinyal sistemine göre sinyalleri yere iletir.

2) Yer istasyonu, uzay uydularını takip eder ve bakımını yapar, uyduların durumunu izler, uyduların ve sinyallerin bütünlüğünü değerlendirir, uydunun yörüngesini belirler ve uyduya belirli frekanslarda saat düzeltmesi, efemeris, almanak, iyonosferik düzeltme parametreleri ve diğer bilgileri yukarı bağlantı yoluyla iletir.

3) Kullanıcı segmenti, görünür her uydudan sinyaller alır ve izleme sinyalinden elde edilen gözlemlere ve demodüle edilmiş sinyalden elde edilen efemeris ve zaman bilgilerine dayanarak konum, hız ve zaman (PVT) hesaplamaları yaparak kullanıcının konum, hız ve zaman bilgilerini belirler.Navigasyon sistemi uzay segmenti esas olarak iki önemli özelliği içermektedir:
① Uyduların uzaysal dağılımını temsil eden bir uzay takımyıldızı;
②Uydu yayın sinyallerinin özellikleri. Tüm sistem söz konusu olduğunda, kullanıcıların en çok önem verdiği konu hizmet performansıdır. Bu makale, GNSS'nin uzay takımyıldızı, sinyal sistemi, koordinat ve zaman sistemi ve hizmet performansını karşılaştırarak, bu temelde BDS'nin özelliklerini analiz etmektedir.

1. GNSS uydu takımyıldızlarının karşılaştırmalı analizi

Uydu navigasyon sistemi uzay takımyıldızının unsurları esas olarak takımyıldız tipi, uydu tipi, uydu sayısı, yörünge yüksekliği, yörünge eğimi vb. unsurları içerir. GPS, Galileo ve GLONASS'ın takımyıldız dağılımı kabaca aynıdır ve uyduların tamamı orta Dünya yörüngesi (MEO) uydularıdır. BDS takımyıldızı MEO uyduları, eğimli jeosenkron yörünge (IGSO) uyduları ve jeostasyonel yörünge (GEO) uydularını içerir. BDS'nin üç GEO uydusu ekvatorun üzerinde, sırasıyla 80°E, 110.5°E ve 140°E'de dağılmıştır. BDS'nin üç IGSO uydusu üç yörünge düzleminde dağılmıştır.[3]BDS'nin 24 MEO uydusu üç yörünge düzleminde eşit olarak dağıtılmıştır ve alt uydu noktalarının yörüngeleri dünyayı kapsamaktadır. MEO/IGSO/GEO uydu takımyıldızı düzeni sayesinde BDS, Asya-Pasifik bölgesindeki BDS uydularının görünürlüğünü büyük ölçüde artırarak, BDS'nin konumlandırma doğruluğunu ve kullanılabilirliğini iyileştirebilmektedir.

                                          tablo1 Küresel uydu navigasyon sistemi uzay takımyıldızı karşılaştırması

2. GNSS sistemlerinin karşılaştırmalı analizi

Dört ana uydu navigasyon sisteminin her birinin kendine özgü özellikleri vardır. Çoklu erişim mekanizmasına gelince, BDS, GPS ve Galileo'nun çoklu erişim mekanizması kod bölmeli çoklu erişimdir (CDMA). GLONASS'ın çoklu erişim mekanizması şu anda frekans bölmeli çoklu erişimdir (FDMA). Modernizasyon planı CDMA'ya doğru gelişmektir. Sinyal bileşenlerine gelince, özel amaçlar için bazı yetkili veya tescilli sinyal bileşenlerine ek olarak, BDS, GPS ve Galileo'daBir araştırma ve koordinasyon sürecinin ardından, sivil kamu sinyalleri konusunda uyumlu ve birlikte çalışabilir bir işbirliği anlaşmasına varıldı. Bu anlaşma, BDS B1C ve B2a'nın GPS L1, L5 ve Galileo E1 ve E5a ile birlikte çalışabilirliğini sağlayarak, uydu navigasyon sistemlerinin hizmet performansını önemli ölçüde artıracak ve çok sistemli kullanıcı terminallerinin geliştirme maliyetini azaltacaktır.Tablo 2, okuyucuların her sistemin sinyallerini kapsamlı ve sistematik bir şekilde anlamaları için, dört ana uydu navigasyon sinyal sistemini sinyal frekansı, sinyal dalı, modülasyon yöntemi, bilgi kodlama yöntemi, sembol hızı ve sinyal bant genişliği yönlerinden karşılaştırıp analiz etmektedir.

                                           tablo2  GNSSSinyalizasyon sistemlerinin karşılaştırılması[4-9]

表2中: BPSK(ikili faz kaydırmalı anahtarlama）表示二相移相键控；QMBOC(dörtlü çoğullanmış ikili ofset taşıyıcı)表示正交复用二进制偏移载波调制;TMBOC(zaman çoğullanmış ikili ofset taşıyıcı)表示时分复用二进制偏移载波;CBOC(bileşik ikili ofset taşıyıcı)表示复合二进制偏移载波;BCH(Bose Chaudhuri) Hocquenghem)Bose, Chaudhuri ve Hocquendhem各自独立发现的二元线性循环码；CRC(döngüsel artıklık kontrolü)表示循环冗余校验。Tablo 2'den görülebileceği gibi, BDS'nin B1C sinyali, GPS'in L1C sinyali ve Galileo'nun E1 sinyali 1575,42 MHz'de çalışmakta olup hata ayıklama yöntemi ikili ofset taşıyıcı (BOC) tipi modülasyondur; BDS'nin B2a sinyali, GPS'in L5 sinyali ve Galileo'nun E5a sinyali ise 1176,45 MHz'de çalışmaktadır; burada B2a ve L5 dörtlü faz kaydırma anahtarlama (QPSK) modülasyon yöntemleri, E5a ise alternatif ikili ofset taşıyıcı (AltBOC) modülasyon yöntemidir. Frekansların tutarlılığı ve modülasyon yöntemlerinin benzerliği, GNSS uyumluluğu ve birlikte çalışabilirliği için ön koşullar oluşturmaktadır. Şu anda, 1575,42 MHz'de uyumluluk ve birlikte çalışabilirlik çok iyi bir şekilde sağlanabilmektedir.Navigasyon mesajı tasarımı açısından, BDS, navigasyon mesajı kodlamasına önemli bir özellik olarak 64 tabanlı düşük yoğunluklu eşlik kontrolü (LDPC) kodlamasını getirmiştir. Kodlama ve kod çözme şemaları Çin tarafından bağımsız olarak geliştirilmiş olup, GPS'in ikili LDPC kodlamasına kıyasla performansı büyük ölçüde iyileştirilmiştir. 64 tabanlı LDPC kodlamasının ve ikili LDPC kodlamasının karmaşıklığı temelde aynıdır; kod çözme açısından, 64 tabanlı kod çözmenin karmaşıklığı ikili kod çözmenin yaklaşık 6 katıdır. Bit hata oranı 1×10⁻⁶'dır.-5Bu koşullar altında, 64'lü LDPC kodlama kazancı, ikili LDPC kodlama kazancından 0.6~1.2 dB daha yüksektir; bu da kullanıcı terminalinin soğuk başlatma ile ilgili göstergelerinin iyileştirilmesine önemli faydalar sağlar..

3. GNSS koordinatları ve zaman sistemlerinin karşılaştırmalı analizi

3.1 Koordinat sistemlerinin karşılaştırmalı analizi

Uydu navigasyon sisteminin koordinat sistemi özellikle önemlidir. Uydu efemeris parametrelerinden ve almanak parametrelerinden hesaplanan uydu konumu ve uydu hızı, sistem koordinat sisteminde doğrudan temsil edilir. Sistem koordinat sistemi, ilgili jeodezik koordinat sistemini oluşturmak için gerekli olan referans elipsoidini tanımlar, jeoide karşılık gelen Dünya'nın yerçekimi alanı modelini açıklar ve düzeltilmiş temel jeodezik parametreleri sağlar. Her sistemin düzeltilmiş temel jeodezik parametreleri Tablo 3'te gösterilmiştir.

                                             tablo3 Her koordinat sisteminin temel jeodezik parametreleri[4-9]

BeiDou koordinat sistemi (BDCS), jeosentrik bir yer referans sistemidir. BDCS'nin tanımı, Uluslararası Yer Dönme Servisi (IERS) spesifikasyonuna uygundur ve Çin jeodezik koordinat sistemi 2000'in (CGCS2000) referans elipsoid parametrelerini kullanır. CGCS2000'den temel farkı güncelleme sıklığıdır. BDCS, BDS için özel bir koordinat sistemidir ve yılda bir veya altı ayda bir güncellenebilir; CGCS2000 ise geniş bir korelasyon aralığına ve uzun bir güncelleme aralığına sahip ulusal bir koordinat sistemidir. BDCS'nin uygulanması, en son uluslararası karasal referans çerçevesi (ITRF) ile uyumlu olacaktır. WGS84 (dünya jeodezik sistemi 84), ABD GPS tarafından kullanılan jeodezik koordinat sistemidir; GTRF (Galileo karasal referans çerçevesi), AB Galileo tarafından kullanılan jeodezik koordinat sistemidir; PZ-90 (PZ-90 jeodezik sistemi), Rusya tarafından oluşturulan jeodezik koordinat sistemidir.

3.2 Zaman sistemlerinin karşılaştırmalı analizi

Zaman sistemi, uydu navigasyon sisteminin çekirdeği ve normal çalışmasının temel taşıdır. BDS, GPS ve Galileo'nun tümü, atomik zamana (AT) dayalı özel zaman sistemleri kurmuştur. Saniye uzunlukları, yer izleme istasyonlarına yerleştirilmiş atomik saatlerin ve uydu atomik saatlerinin gözlemlerine dayanarak sentezlenir. Bunlar hala esasen atomik zamandır ve bu nedenle, koordineli evrensel zaman gibi artık saniyelere ihtiyaç duymadan süreklidir. GLONASS sistem zamanı (GLONASST), diğer üç sistem zamanından farklıdır. Koordineli evrensel zamana (UTC) benzer bir atomik zaman sistemidir. Çalışma sırasında artık saniyeler ekler, referans noktası olarak Moskova zamanını kullanır ve kökenini Rus Zaman Metroloji Enstitüsü tarafından sürdürülen koordineli evrensel zaman UTC'ye (SU) dayandırır.BeiDou zamanı (BDT), BDS ana kontrol istasyonu tarafından oluşturulur ve korunur ve Ulusal Zaman Hizmetleri Merkezi tarafından korunan Eşgüdümlü Evrensel Zaman'a (NTSC) izlenebilir. GPS zamanı (GPS zamanı, GPST), GPS ana kontrol istasyonu tarafından oluşturulur ve korunur ve ABD Deniz Kuvvetleri Gözlemevi tarafından korunan Eşgüdümlü Evrensel Zaman UTC'ye (USNO) izlenebilir.[12]。Galileo时（Galileo saati, GST）直接溯源到国际计量局（Uluslararası Ağırlık ve Ölçüler Bürosu, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。Uluslararası Atomik Zaman (TAI), atomik saniye cinsinden ölçülür ve 1 Ocak 1958'de evrensel zaman (UT) 0:00'dan itibaren birikir. Bu tarihte, evrensel zaman ile uluslararası atomik zaman arasındaki fark sıfırdır ve daha sonra her yıl artar. 1972'de, Uluslararası Atomik Zaman ile Evrensel Zaman arasındaki farkları uyumlu hale getirmek için bir uzlaşma planı önerildi: Eşgüdümlü Evrensel Zaman. Eşgüdümlü Evrensel Zaman, kesin TAI saniye uzunluğuna dayanır. Evrensel Zaman ile arasındaki fark 0.9 saniyeyi aştığında, Evrensel Zaman ile Eşgüdümlü Evrensel Zaman arasındaki farkın her zaman 0.9 saniye içinde kalması için yapay olarak 1 saniyelik bir artık saniye eklenir.[13]Dört ana uydu navigasyon sisteminin sistem zamanı karşılaştırması Tablo 4'te gösterilmiştir.

                                                      tablo4 GNSSZaman sistemi karşılaştırması

Karşılaştırmalı analize göre, GPST ile tutarlı olması için GST'nin başlangıç ​​noktası 1999-08-22T 00:00:00 (UTC) tarihinden 13 saniye önce olarak belirlenmiştir. Hem GST hem de GPST, TAI'nin 19 saniye gerisindedir.

Her bir sistem zamanı arasındaki dönüşüm ilişkisi Şekil 1'de gösterilmiştir.

resim1 Sistem zamanı dönüşüm ilişkisi

4. GNSS hizmet performansının karşılaştırmalı analizi

Uydu navigasyon sistemlerinin hizmet performansı; doğruluk, bütünlük, süreklilik ve kullanılabilirlik unsurlarını içerir; kullanıcılar ise en çok doğruluk ve kullanılabilirlik konusunda endişe duymaktadır.Hizmet doğruluğu; konumlandırma doğruluğu, hız ölçüm doğruluğu ve zaman ölçüm doğruluğunu içerir. Konumlandırma doğruluğu, kullanıcının uydu sinyallerini kullanarak belirlediği konum ile gerçek konum arasındaki farkın istatistiksel değeridir ve yatay konumlandırma doğruluğu ile dikey konumlandırma doğruluğunu kapsar. Hız ölçüm doğruluğu, kullanıcının uydu sinyallerini kullanarak belirlediği hız ile gerçek hız arasındaki farkın istatistiksel değeridir ve genellikle üç boyutlu uzay hızı hatasıdır. Zaman ölçüm doğruluğu ise, uydu sinyallerini kullanarak belirlenen zaman ile uydu navigasyon sisteminin zamanı arasındaki farkın istatistiksel değeridir.Hizmet kullanılabilirliği, sistem hizmet süresinin beklenen hizmet süresine oranıdır. Hizmet edilebilir süre, belirtilen alandaki konum hassasiyetinin azalması (PDOP) kullanılabilirliği ve konumlandırma kullanılabilirliğinin gereksinimleri karşıladığı süredir. PDOP kullanılabilirliği, belirli bir coğrafi veya mekansal alan ve zaman dilimi içinde PDOP değerinin eşik gereksinimlerini karşıladığı sürenin yüzdesidir. Konumlandırma kullanılabilirliği, belirtilen hizmet alanı ve zaman dilimi içinde konumlandırma doğruluğunun eşik gereksinimlerini karşıladığı sürenin yüzdesidir.Navigasyon sisteminin konumlandırma doğruluğu esas olarak iki faktöre bağlıdır: ① PDOP değeri; ② kullanıcı eşdeğer menzil hatası (UERE). UERE, kullanıcı menzil hatası (URE) ve kullanıcı ekipman hatasından (UEE) oluşur. Bunlardan: URE, navigasyon uydusunun yörüngesindeki hatalar ve uydu saati hatası nedeniyle uydudan kullanıcı terminaline olan mesafe gözlemindeki hataların toplamıdır ve esas olarak uydu navigasyon sistemi tarafından belirlenir; UEE ise yer çoklu yol etkileri ve kullanıcı alıcı döngü gürültüsü vb. nedenlerden kaynaklanan hatadır ve esas olarak kullanım ortamı ve yerel alıcının tasarımı tarafından belirlenir.BDS, GPS, Galileo ve GLONASS'tan alınan hizmet performansı özelliklerine ve en son resmi konferans materyallerine dayanmaktadır.[3,14-17]Her bir küresel uydu navigasyon sisteminin kamu hizmeti performans parametreleri sıralandı ve sonuçlar Tablo 5'te gösterilmiştir. Tablo 5'te, RMS (kök ortalama kare) kök ortalama kareyi temsil etmektedir.

                                                 tablo5  GMSSHizmet performansı parametrelerini ortaya çıkarın

Aslında, her bir uydu navigasyon sisteminin ölçülen performansı, vaat edilen kamu hizmeti performansından daha iyidir. Bu bilgi, Çin Uydu Yönetim Ofisi'nin 2019'da düzenlenen 14. Uluslararası Küresel Uydu Navigasyon Sistemi Komitesi (ICG) toplantısında sunduğu raporda yer almaktadır.[18]BDS B1I/B3I'nin ölçülen yatay konumlandırma doğruluğu 3.6 m (%95 güvenilirlik altında), yükseklik konumlandırma doğruluğu 6.6 m (%95 güvenilirlik altında), hız ölçüm doğruluğu 0.05 m/s (%95 güvenilirlik altında) ve zamanlama doğruluğu 9.8 ns (%95 güvenilirlik altında) olarak bulunmuştur. B1C/B2a'nın ölçülen yatay konumlandırma doğruluğu 2.4 m (%95 güvenilirlik altında), yükseklik konumlandırma doğruluğu 4.3 m (%95 güvenilirlik altında), hız ölçüm doğruluğu 0.06 m/s (%95 güvenilirlik altında) ve zamanlama doğruluğu 19.1 ns (%95 güvenilirlik altında) olarak bulunmuştur.2019'da düzenlenen 14. ICG Konferansı Ulusal Koordinasyon Ofisi'ne göre室 (Ulusal Koordinasyon Ofisi, Astsubay)[19]2018-11-14 ile 2019-11-13 tarihleri ​​arasındaki istatistiksel sonuçlar, GPS'in ortalama URE değerinin 0.514 m, en iyi gün URE değerinin 0.362 m ve en kötü gün URE değerinin 0.666 m olduğunu göstermektedir. Bu bilgiler, Avrupa Uzay Ajansı'nın 2019'daki 14. ICG Konferansı'nda sunduğu rapora göre elde edilmiştir.[20-21]Galileo uydusunun Eylül 2019'da hesapladığı URE değeri 0.27 m (sonuç %95 güvenilirlik altında) ve ekvator bölgesinde izlenen en kötü konumlandırma doğruluğu 2.79 m (sonuç %95 güvenilirlik altında) olarak belirlenmiştir.

5 Sonuç

Bu makale, mevcut dört GNSS sistemini ayrıntılı olarak karşılaştırır, sistemin uydu takımyıldızı özelliklerini analiz eder ve BOS MEO/IGSO/GEO birleşik uydu takımyıldızının avantajlarını ortaya koyar; her navigasyon sisteminin sinyal sistemini özetler, çoklu sistem uyumluluğu ve birlikte çalışabilirlik ile BDS bilgi kodlamasının avantajlarını vurgular; her sistemin koordinat sistemi ve zaman sisteminin karşılaştırmalı analizini yapar; uydu navigasyon sisteminin hizmet performansını analiz eder.Her navigasyon sisteminin hizmet performans parametreleri özetlenmiştir.Karşılaştırmalı analiz yoluyla, BDS'nin küreselleşmesinden sonra, gelişmiş teknolojiye, eksiksiz işlevlere, mükemmel performansa, GPS ve Galileo ile mükemmel uyumluluk ve birlikte çalışabilirliğe sahip olduğu ve tamamen bağımsız fikri mülkiyet haklarına sahip olduğu görülmektedir. GPS ile birlikte çalışma aşamasında olması, BDS'nin küresel hale gelmesi ve uluslararası ana akım haline gelmesi için önemli bir güvence sağlamaktadır. Ülkenin kaynak ve insan gücüne yaptığı yoğun yatırımlarla birlikte, BDS'nin yakın gelecekte yabancı GNSS'lere öncülük etmesi beklenmektedir.

Bu makale, fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla "Akademik Bilgilerin Haritalanması ve İncelenmesi" dergisinden yeniden basılmıştır. Yeniden basım yaparken lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir telif hakkı ihlali durumunda, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.