khắp thế giới4Phân tích ngắn gọn về các hệ thống định vị vệ tinh cỡ lớn

Tóm tắt: Để nghiên cứu sâu hơn về các hệ thống định vị vệ tinh, bài viết này tiến hành phân tích so sánh bốn hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu hiện có: Hệ thống Định vị Vệ tinh Beidou (BDS), Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), Hệ thống Định vị Vệ tinh Galileo (Galileo) và Hệ thống Định vị Vệ tinh GLONASS (GLONASS) được so sánh từ các khía cạnh về chòm sao vệ tinh, hệ thống tín hiệu, hệ thống tọa độ và thời gian, và hiệu suất dịch vụ; những ưu điểm của BDS được chỉ ra. Kết quả cho thấy BDS có ưu điểm vượt trội về chòm sao vệ tinh và mã hóa thông tin, và hiệu suất dịch vụ của hệ thống tương đương với GPS và Galileo, và tốt hơn GLONASS; BDS dựa trên quỹ đạo địa tĩnh (GEO), quỹ đạo địa đồng bộ nghiêng (IGSO) và quỹ đạo phân bố chòm sao trung quyển (MEO) có thể cải thiện độ chính xác và khả năng định vị trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương; mã hóa kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp 64 base (LDPC) được BDS sử dụng tốt hơn so với các phương pháp mã hóa của các hệ thống khác. So với mã hóa LDPC nhị phân của GPS, nó có thể mang lại lợi ích bổ sung từ 0.6 đến 1.2 dB.

Từ khóa: hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu; chòm sao hệ thống; hệ thống tín hiệu; hệ thống tọa độ; thời gian hệ thống; hiệu suất dịch vụ

0 bình luận

目前有4大全球卫星导航系统（hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, GNSS), 包括中国的北斗卫星导航系统（BeiDou hệ thống vệ tinh dẫn đường, BDS, 美国的全球定位系统（hệ thống định vị toàn cầu, GPS), 欧盟的伽利略卫星导航系统（Hệ thống vệ tinh dẫn đường Galileo, Galileo. Hệ thống vệ tinh định vị quỹ đạo toàn cầu, GLONASS.) Thiết bị định vị GPS của DS文功能Mặc dù GLONASS đã được đưa vào sử dụng trên toàn thế giới, nhưng hiệu suất của nó hơi kém hơn so với BDS và GPS, và quỹ đạo của GLONASS có độ nghiêng lớn, dẫn đến hiệu suất kém ở các vĩ độ thấp. Chất lượng quan sát của Galileo tốt hơn, nhưng độ ổn định của đồng hồ vệ tinh hơi kém hơn, dẫn đến độ tin cậy của hệ thống thấp. 

Hệ thống GNSS chủ yếu bao gồm phân đoạn không gian, phân đoạn mặt đất và phân đoạn người dùng. Nguyên lý hoạt động của nó.như sau:

1) Các vệ tinh dẫn đường được phân bố theo chòm sao trong không gian nhận tín hiệu hiệu chỉnh đồng hồ, lịch thiên văn và các thông tin khác được truyền từ mặt đất để điều chế tín hiệu, và phát tín hiệu xuống mặt đất theo hệ thống tín hiệu đã định.

2) Bộ phận mặt đất theo dõi và bảo trì các vệ tinh không gian, giám sát tình trạng hoạt động của vệ tinh, đánh giá tính toàn vẹn của vệ tinh và tín hiệu, xác định quỹ đạo của vệ tinh, và truyền tải thông tin hiệu chỉnh đồng hồ, lịch thiên văn, niên giám, tham số hiệu chỉnh tầng điện ly và các thông tin khác lên vệ tinh ở các tần số cụ thể.

3) Phân đoạn người dùng nhận tín hiệu từ mỗi vệ tinh có thể quan sát được và thực hiện các phép tính vị trí, vận tốc và thời gian (PVT) dựa trên các quan sát thu được từ tín hiệu theo dõi và thông tin về lịch thiên văn và thời gian thu được từ tín hiệu đã giải điều chế để xác định thông tin vị trí, vận tốc và thời gian của người dùng.Phân đoạn không gian của hệ thống định vị chủ yếu bao gồm hai đặc điểm quan trọng:
① Một chòm sao không gian thể hiện sự phân bố không gian của các vệ tinh;
② Đặc điểm của tín hiệu phát sóng vệ tinh. Xét về toàn bộ hệ thống, điều người dùng quan tâm nhất là hiệu suất dịch vụ. Bài viết này chủ yếu so sánh chòm sao vệ tinh, hệ thống tín hiệu, hệ thống tọa độ và thời gian cũng như hiệu suất dịch vụ của GNSS, và phân tích các đặc điểm của BDS trên cơ sở đó.

1. Phân tích so sánh các chòm sao GNSS

Các yếu tố cấu thành một chòm sao vệ tinh định vị chủ yếu bao gồm loại chòm sao, loại vệ tinh, số lượng vệ tinh, độ cao quỹ đạo, độ nghiêng quỹ đạo, v.v. Sự phân bố chòm sao của GPS, Galileo và GLONASS về cơ bản là giống nhau, và tất cả các vệ tinh đều là vệ tinh quỹ đạo Trái đất tầm trung (MEO). Chòm sao BDS bao gồm các vệ tinh MEO, vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh nghiêng (IGSO) và vệ tinh quỹ đạo địa cầu (GEO). Ba vệ tinh GEO của BDS nằm phía trên đường xích đạo, lần lượt phân bố ở 80°E, 110.5°E và 140°E. Ba vệ tinh IGSO của BDS được phân bố trên ba mặt phẳng quỹ đạo khác nhau.[3]Hệ thống BDS có 24 vệ tinh quỹ đạo trung bình (MEO) được phân bố đều trên ba mặt phẳng quỹ đạo, và quỹ đạo điểm của các vệ tinh con này bao phủ toàn thế giới. Thông qua cấu hình chòm sao MEO/IGSO/GEO, BDS có thể cải thiện đáng kể khả năng quan sát các vệ tinh BDS trong khu vực châu Á - Thái Bình Dương, từ đó nâng cao độ chính xác định vị và tính khả dụng của hệ thống BDS.

                                          Bảng1 So sánh các chòm sao vệ tinh của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

2. Phân tích so sánh các hệ thống GNSS

Mỗi trong bốn hệ thống định vị vệ tinh chính đều có những đặc điểm riêng. Về cơ chế truy cập đa người dùng, cơ chế truy cập đa người dùng của BDS, GPS và Galileo là truy cập đa người dùng phân chia theo mã (CDMA). Cơ chế truy cập đa người dùng của GLONASS hiện nay là truy cập đa người dùng phân chia theo tần số (FDMA). Kế hoạch hiện đại hóa của nó là phát triển theo hướng CDMA. Về các thành phần tín hiệu, ngoài một số thành phần tín hiệu được cấp phép hoặc độc quyền cho các mục đích đặc biệt, BDS, GPS và Galileo còn cóSau một thời gian nghiên cứu và phối hợp, một thỏa thuận hợp tác tương thích và có khả năng tương tác đã đạt được về các tín hiệu công cộng dân sự, hiện thực hóa khả năng tương tác giữa BDS B1C và B2a với GPS L1, L5 và Galileo E1 và E5a tương ứng, điều này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất dịch vụ của hệ thống định vị vệ tinh và giảm chi phí phát triển các thiết bị đầu cuối người dùng đa hệ thống.Bảng 2 chủ yếu so sánh và phân tích bốn hệ thống tín hiệu định vị vệ tinh chính từ các khía cạnh tần số tín hiệu, nhánh tín hiệu, phương pháp điều chế, phương pháp mã hóa thông tin, tốc độ ký hiệu và băng thông tín hiệu, giúp người đọc có được sự hiểu biết toàn diện và có hệ thống về tín hiệu của từng hệ thống.

                                           Bảng2  GNSSSo sánh các hệ thống tín hiệu[4-9]

表2中:BPSK(khóa dịch pha nhị phân)表示二相移相键控；QMBOC(sóng mang bù trừ nhị phân ghép kênh cầu phương)表示正交复用二进制偏移载波调制；TMBOC(sóng mang nhị phân ghép kênh thời gian)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(composite nhị phân bù đắp sóng mang)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(kiểm tra dự phòng theo chu kỳ)表示循环冗余校验。Như có thể thấy từ Bảng 2, tín hiệu B1C của BDS, tín hiệu L1C của GPS và tín hiệu E1 của Galileo hoạt động ở tần số 1575,42 MHz, và phương pháp gỡ lỗi là điều chế kiểu sóng mang lệch nhị phân (BOC); tín hiệu B2a của BDS, tín hiệu L5 của GPS và tín hiệu E5a của Galileo hoạt động ở tần số 1176,45 MHz, trong đó B2a và L5 là các phương pháp điều chế khóa dịch pha vuông góc (QPSK), và E5a là phương pháp điều chế sóng mang lệch nhị phân xen kẽ (AltBOC). Sự nhất quán về tần số và sự tương đồng về phương pháp điều chế tạo ra các điều kiện tiên quyết cho khả năng tương thích và khả năng tương tác của GNSS. Hiện nay, khả năng tương thích và khả năng tương tác có thể đạt được rất tốt ở tần số 1575,42 MHz.Về thiết kế thông điệp dẫn đường, BDS đã giới thiệu mã hóa kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp 64 base (LDPC) như một tính năng quan trọng trong mã hóa thông điệp dẫn đường. Các lược đồ mã hóa và giải mã của nó được Trung Quốc tự phát triển và hiệu suất của nó được cải thiện đáng kể so với mã hóa LDPC nhị phân của GPS. Độ phức tạp của mã hóa LDPC 64 base và mã hóa LDPC nhị phân về cơ bản là như nhau; về giải mã, độ phức tạp của giải mã 64 base gấp khoảng 6 lần so với giải mã nhị phân. Tỷ lệ lỗi bit là 1×10⁻⁶.-5Trong điều kiện này, độ lợi của mã hóa LDPC 64 bậc cao hơn 0.6~1.2 dB so với độ lợi của mã hóa LDPC nhị phân, mang lại lợi ích đáng kể cho việc cải thiện các chỉ số liên quan đến khởi động nguội của thiết bị đầu cuối người dùng..

3. Phân tích so sánh hệ tọa độ và hệ thời gian GNSS

3.1 Phân tích so sánh các hệ tọa độ

Hệ tọa độ của hệ thống định vị vệ tinh đặc biệt quan trọng. Vị trí và tốc độ vệ tinh được tính toán từ các tham số lịch thiên văn và tham số niên giám vệ tinh được biểu diễn trực tiếp trong hệ tọa độ của hệ thống. Hệ tọa độ của hệ thống xác định elip chuẩn cần thiết để thiết lập hệ tọa độ trắc địa tương ứng, mô tả mô hình trường trọng lực Trái đất tương ứng với mặt chuẩn địa cầu, và cung cấp các tham số trắc địa cơ bản đã được hiệu chỉnh. Các tham số trắc địa cơ bản đã được hiệu chỉnh của mỗi hệ thống được thể hiện trong Bảng 3.

                                             Bảng3 Các thông số trắc địa cơ bản của từng hệ tọa độ[4-9]

Hệ tọa độ Bắc Đẩu (BDCS) là một hệ quy chiếu Trái Đất tâm địa. Định nghĩa của BDCS tuân thủ theo tiêu chuẩn của Dịch vụ Xoay Trái Đất Quốc tế (IERS) và sử dụng các tham số elip tham chiếu của hệ tọa độ trắc địa Trung Quốc 2000 (CGCS2000). Sự khác biệt chính so với CGCS2000 là tần suất cập nhật. BDCS là một hệ tọa độ đặc biệt dành cho BDS và có thể được cập nhật một lần mỗi năm hoặc nửa năm; CGCS2000 là một hệ tọa độ quốc gia với phạm vi tương quan rộng và chu kỳ cập nhật dài. Việc triển khai BDCS sẽ được căn chỉnh với khung tham chiếu mặt đất quốc tế (ITRF) mới nhất. WGS84 (hệ tọa độ trắc địa thế giới 84) là hệ tọa độ trắc địa được sử dụng bởi GPS của Mỹ; GTRF (khung tham chiếu mặt đất Galileo) là hệ tọa độ trắc địa được sử dụng bởi Galileo của EU; PZ-90 (hệ tọa độ trắc địa PZ-90) là hệ tọa độ trắc địa do Nga thiết lập.

3.2 Phân tích so sánh các hệ thống thời gian

Hệ thống thời gian là cốt lõi của hệ thống định vị vệ tinh và là nền tảng cho hoạt động bình thường của hệ thống này. BDS, GPS và Galileo đều đã thiết lập các hệ thống thời gian chuyên dụng dựa trên thời gian nguyên tử (AT). Độ dài giây của chúng được tổng hợp dựa trên các quan sát từ đồng hồ nguyên tử và đồng hồ nguyên tử vệ tinh được lắp đặt tại các trạm giám sát mặt đất. Về cơ bản, chúng vẫn là thời gian nguyên tử và do đó liên tục, không cần giây nhuận như giờ phối hợp quốc tế (UTC). Thời gian của hệ thống GLONASS (GLONASST) khác với ba hệ thống thời gian còn lại. Nó là một hệ thống thời gian nguyên tử tương tự như giờ phối hợp quốc tế (UTC). Nó thêm giây nhuận trong quá trình hoạt động, sử dụng giờ Moscow làm chuẩn và có nguồn gốc từ giờ phối hợp quốc tế UTC (SU) do Viện Đo lường Thời gian Nga duy trì.Giờ Bắc Đẩu Bội tinh (BDT) được tạo ra và duy trì bởi trạm điều khiển chính BDS, và có thể truy vết đến Giờ Phối hợp Quốc tế (NTSC) do Trung tâm Dịch vụ Thời gian Quốc gia duy trì. Giờ GPS (giờ GPS, GPST) được tạo ra và duy trì bởi trạm điều khiển chính GPS và có thể truy vết đến Giờ Phối hợp Quốc tế UTC (USNO) do Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ duy trì.[12]。Galileo时（Giờ Galileo, GST）直接溯源到国际计量局（Văn phòng Cân đo Quốc tế, BIPM)保持的协调世界时UTC(BIPM)。Giờ nguyên tử quốc tế (TAI) được đo bằng giây nguyên tử và tích lũy từ 0:00 giờ toàn cầu (UT) ngày 1 tháng 1 năm 1958. Vào thời điểm này, sự khác biệt giữa giờ toàn cầu và giờ nguyên tử quốc tế bằng không, và sau đó tăng dần theo từng năm. Năm 1972, để hài hòa sự khác biệt giữa Giờ nguyên tử quốc tế và Giờ toàn cầu, một kế hoạch thỏa hiệp đã được đề xuất, đó là Giờ phối hợp toàn cầu (CUT). Giờ phối hợp toàn cầu dựa trên độ dài giây TAI chính xác. Khi sự khác biệt giữa nó và Giờ toàn cầu vượt quá 0.9 giây, một giây nhuận được thêm vào một cách nhân tạo là 1 giây, sao cho sự khác biệt giữa Giờ toàn cầu và Giờ phối hợp toàn cầu luôn nằm trong phạm vi 0.9 giây.[13]Bảng 4 trình bày so sánh thời gian hoạt động của bốn hệ thống định vị vệ tinh chính.

                                                      Bảng4 GNSSSo sánh hệ thống thời gian

Theo phân tích so sánh, thời điểm bắt đầu của GST được đặt trước 13 giây so với 00:00:00 ngày 22/08/1999 (UTC) để nhất quán với GPST. Cả GST và GPST đều chậm hơn TAI 19 giây.

Mối quan hệ chuyển đổi giữa thời gian của từng hệ thống được thể hiện trong Hình 1.

hình ảnh1 Mối quan hệ chuyển đổi thời gian hệ thống

4. Phân tích so sánh hiệu suất dịch vụ GNSS

Hiệu suất hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh bao gồm độ chính xác, tính toàn vẹn, tính liên tục và tính khả dụng, trong đó người dùng quan tâm nhất đến độ chính xác và tính khả dụng.Độ chính xác của dịch vụ bao gồm độ chính xác định vị, độ chính xác đo tốc độ và độ chính xác đo thời gian. Độ chính xác định vị là giá trị thống kê của sự khác biệt giữa vị trí do người dùng xác định bằng tín hiệu vệ tinh và vị trí thực của nó, bao gồm độ chính xác định vị ngang và độ chính xác định vị dọc. Độ chính xác đo tốc độ là giá trị thống kê của sự khác biệt giữa tốc độ do người dùng xác định bằng tín hiệu vệ tinh và tốc độ thực của nó, thường là sai số tốc độ trong không gian ba chiều. Độ chính xác đo thời gian là giá trị thống kê của sự khác biệt giữa thời gian được xác định bằng tín hiệu vệ tinh và thời gian của hệ thống định vị vệ tinh.Độ khả dụng dịch vụ là tỷ lệ giữa thời gian phục vụ của hệ thống và thời gian phục vụ dự kiến. Thời gian phục vụ được là thời gian mà độ khả dụng của độ suy giảm độ chính xác vị trí (PDOP) và độ khả dụng định vị trong khu vực được chỉ định đáp ứng các yêu cầu. Độ khả dụng PDOP là tỷ lệ phần trăm thời gian mà giá trị PDOP đáp ứng các yêu cầu ngưỡng trong một khu vực địa lý hoặc không gian và khoảng thời gian được chỉ định. Độ khả dụng định vị là tỷ lệ phần trăm thời gian mà độ chính xác định vị đáp ứng các yêu cầu ngưỡng trong khu vực dịch vụ và khoảng thời gian được chỉ định.Độ chính xác định vị của hệ thống dẫn đường chủ yếu được xác định bởi hai yếu tố: ① giá trị PDOP; ② sai số khoảng cách tương đương người dùng (UERE). UERE bao gồm sai số khoảng cách người dùng (URE) và sai số thiết bị người dùng (UEE). Trong đó: URE là tổng các sai số trong việc quan sát khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị đầu cuối của người dùng do sai số quỹ đạo vệ tinh dẫn đường và sai số đồng hồ vệ tinh gây ra, chủ yếu được xác định bởi hệ thống dẫn đường vệ tinh; UEE là sai số do hiệu ứng đa đường truyền trên mặt đất và nhiễu vòng lặp bộ thu của người dùng, v.v., chủ yếu được xác định bởi môi trường sử dụng và thiết kế của bộ thu cục bộ.Dựa trên các thông số kỹ thuật về hiệu suất dịch vụ và tài liệu hội nghị chính thức mới nhất từ ​​BDS, GPS, Galileo và GLONASS.[3,14-17]Các tham số hiệu suất dịch vụ công cộng của từng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu đã được sắp xếp và kết quả được thể hiện trong Bảng 5. Trong Bảng 5, RMS (root mean square) biểu thị giá trị trung bình bình phương.

                                                 Bảng5  GMSSHiển thị các thông số hiệu suất dịch vụ

Trên thực tế, hiệu suất đo được của mỗi hệ thống định vị vệ tinh đều tốt hơn hiệu suất dịch vụ công cộng đã hứa hẹn. Theo báo cáo của Văn phòng Quản lý Vệ tinh Trung Quốc tại cuộc họp lần thứ 14 của Ủy ban Quốc tế về Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu (ICG) năm 2019.[18]Độ chính xác định vị ngang đo được của hệ thống BDS B1I/B3I là 3.6 m (kết quả với độ tin cậy 95%), độ chính xác định vị độ cao là 6.6 m (kết quả với độ tin cậy 95%), độ chính xác đo tốc độ là 0.05 m/s (kết quả với độ tin cậy 95%), và độ chính xác thời gian là 9.8 ns (kết quả với độ tin cậy 95%). Độ chính xác định vị ngang đo được của hệ thống B1C/B2a là 2.4 m (kết quả với độ tin cậy 95%), độ chính xác định vị độ cao là 4.3 m (kết quả với độ tin cậy 95%), độ chính xác đo tốc độ là 0.06 m/s (kết quả với độ tin cậy 95%), và độ chính xác thời gian là 19.1 ns (kết quả với độ tin cậy 95%).Theo Văn phòng Điều phối Quốc gia của Hội nghị ICG lần thứ 14 năm 2019室（Văn phòng điều phối quốc gia, NCO)的报告[19]Theo kết quả thống kê từ ngày 14/11/2018 đến ngày 13/11/2019, sai số định vị trung bình (URE) của GPS là 0.514 m, URE ngày tốt nhất là 0.362 m và URE ngày tệ nhất là 0.666 m. (Theo báo cáo của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu tại Hội nghị ICG lần thứ 14 năm 2019)[20-21]Theo tính toán của vệ tinh Galileo vào tháng 9 năm 2019, sai số định vị thuần (URE) là 0.27 m (kết quả với độ tin cậy 95%), và độ chính xác định vị kém nhất được theo dõi ở vùng xích đạo là 2.79 m (kết quả với độ tin cậy 95%).

Kết luận 5

Bài viết này so sánh chi tiết bốn hệ thống GNSS hiện có, phân tích đặc điểm chòm sao của hệ thống và chỉ ra ưu điểm của chòm sao kết hợp BOS MEO/IGSO/GEO; tóm tắt hệ thống tín hiệu của từng hệ thống định vị, nêu bật ưu điểm về khả năng tương thích và tương tác đa hệ thống cũng như mã hóa thông tin BDS; tiến hành phân tích so sánh hệ tọa độ và hệ thời gian của từng hệ thống; phân tích hiệu suất dịch vụ của hệ thống định vị vệ tinh.Các thông số hiệu suất dịch vụ của từng hệ thống định vị được tóm tắt.Qua phân tích so sánh, có thể thấy rằng sau quá trình toàn cầu hóa, hệ thống định vị vệ tinh BDS sở hữu công nghệ tiên tiến, chức năng hoàn chỉnh, hiệu năng vượt trội, khả năng tương thích và tương tác tốt với GPS và Galileo, đồng thời có quyền sở hữu trí tuệ hoàn toàn độc lập. Nó đang trong giai đoạn hoạt động song song với GPS, điều này mang lại sự đảm bảo quan trọng cho BDS để vươn ra toàn cầu và trở thành hệ thống định vị vệ tinh quốc tế chủ đạo. Khi đất nước tiếp tục đầu tư mạnh vào nguồn lực và nhân lực, dự kiến ​​BDS sẽ dẫn đầu lĩnh vực định vị vệ tinh toàn cầu trong tương lai gần.

Bài viết này được in lại từ "Khảo sát và lập bản đồ thông tin học thuật" nhằm hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.