全球范围4大型卫星导航系统简述

摘要：为了进一步研究卫星导航系统，本文对现有的四种全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、伽利略卫星导航系统（Galileo）和格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）——进行了比较分析，从星座、信号系统、坐标和时间系统以及服务性能等方面进行了比较，并指出了北斗系统的优势。结果表明，北斗系统在系统星座和信息编码方面具有显著优势，其系统服务性能与GPS和伽利略系统相当，优于格洛纳斯系统；北斗系统基于地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）和中层地球轨道（MEO）的星座分布，能够提高亚太地区的定位精度和可用性；北斗系统采用的64基低密度奇偶校验（LDPC）编码优于其他系统的编码方法。与 GPS 的二进制 LDPC 编码相比，它可以带来 0.6~1.2 dB 的额外增益。

关键词：全球卫星导航系统；系统星座；信号系统；坐标系；系统时间；服务性能

0 引言

目前有4大全球卫星导航系统（GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（BeiDou）、美国的全球定位系统（GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（全球轨道导航卫星系统） GLONASS）。其中，BDS和GPS已服务全球，性能相当；功能方面，BDS较GPS多了区域短报和全球短报功能虽然GLONASS系统已在全球范围内投入使用，但其性能略逊于北斗和GPS，且GLONASS轨道倾角较大，导致低纬度地区性能较差。伽利略系统的观测质量更佳，但卫星钟的稳定性稍逊，导致系统可靠性较低。 

全球导航卫星系统（GNSS）主要由空间段、地面段和用户段组成。其工作原理如下：

1）空间段中按星座分布的导航卫星接收从地面段上行链路注入的时钟修正、星历等信息进行信号调制，并按照规定的信号系统向地面广播信号。

2) 地面段跟踪和维护空间卫星，监测卫星的健康状况，评估卫星和信号的完整性，确定卫星的轨道，并将卫星的时钟修正、星历、历书、电离层修正参数和其他信息以特定频率上行链路注入卫星。

3) 用户段接收来自每个可见卫星的信号，并根据从跟踪信号获得的观测结果以及从解调信号获得的星历和时间信息进行位置、速度和时间 (PVT) 计算，以确定用户的位置、速度和时间信息。导航系统空间段主要包括两个重要特征：
① 代表卫星空间分布的空间星座；
②卫星广播信号的特性。就整个系统而言，用户最关心的是其服务性能。本文主要对比了GNSS的空间星座、信号系统、坐标和时间系统以及服务性能，并在此基础上分析了北斗卫星导航系统的特性。

1. 全球导航卫星系统星座的比较分析

卫星导航系统空间星座的组成要素主要包括星座类型、卫星类型、卫星数量、轨道高度、轨道倾角等。GPS、伽利略和GLONASS的星座分布大致相同，卫星均为中地球轨道（MEO）卫星。北斗卫星导航系统（BDS）星座包括MEO卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和地球静止轨道（GEO）卫星。北斗的三颗GEO卫星位于赤道上方，分别分布在东​​经80°、110.5°和140°。北斗的三颗IGSO卫星分布在三个轨道平面上。[3]北斗系统的24颗中地球轨道（MEO）卫星均匀分布在三个轨道平面上，其子点轨迹覆盖全球。通过MEO/IGSO/GEO星座布局，北斗系统能够显著提升其卫星在亚太地区的可见性，从而提高北斗系统的定位精度和可用性。

                                          表1 全球卫星导航系统空间星座比较

2. 全球导航卫星系统比较分析

四大卫星导航系统各有特点。在多址接入机制方面，北斗、GPS和伽利略采用码分多址（CDMA）技术，而格洛纳斯目前采用频分多址（FDMA）技术，其现代化计划是向CDMA方向发展。在信号分量方面，除了部分用于特殊用途的授权或专有信号分量外，北斗、GPS和伽利略还采用了其他一些信号分量。经过一段时间的研究和协调，就民用公共信号达成了兼容互操作的合作协议，实现了北斗B1C和B2a分别与GPS L1、L5和伽利略E1和E5a的互操作性，这可以大大提高卫星导航系统的服务性能，并降低多系统用户终端的开发成本。表2主要从信号频率、信号分支、调制方式、信息编码方式、符号速率和信号带宽等方面对四大卫星导航信号系统进行了比较和分析，以便读者能够全面系统地了解各系统的信号。

                                           表2  GNSS信号系统的比较[4-9]

表2中：BPSK(binary Phase Shift Keying)表示二相相相键控；QMBOC(quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier)表示复合二进制偏置载波调制；TMBOC(Time Multiplexed Binary Offset Carrier)表示时分复用二进制偏置载波；CBOC(Composite Binary Offset Carrier)表示复合二进制偏置载波；BCH(Bose Chaudhuri) Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem分别独立发现的二元线性循环码；CRC(cycling Redundancy Check)表示循环校验。如表2所示，北斗系统的B1C信号、GPS的L1C信号和伽利略系统的E1信号均工作在1575.42 MHz频段，调制方式为二进制偏移载波（BOC）；北斗系统的B2a信号、GPS的L5信号和伽利略系统的E5a信号均工作在1176.45 MHz频段，其中B2a和L5采用正交相移键控（QPSK）调制，E5a采用交替二进制偏移载波（AltBOC）调制。频率的一致性和调制方式的相似性为GNSS的兼容性和互操作性提供了前提条件。目前，在1575.42 MHz频段，GNSS的兼容性和互操作性已得到很好的实现。在导航消息设计方面，北斗系统引入了64基低密度奇偶校验（LDPC）编码作为导航消息编码的重要特征。其编码和解码方案均为中国自主研发，性能相比GPS的二进制LDPC编码有了显著提升。64基LDPC编码和二进制LDPC编码的复杂度基本相同；解码方面，64基解码的复杂度约为二进制解码的6倍。误码率为1×10⁻⁶。-5在这种情况下，64进制LDPC编码增益比二进制LDPC编码增益高0.6~1.2 dB，这给用户终端冷启动相关指标的改善带来了相当大的好处。。

3. GNSS坐标系和时间系统的比较分析

3.1 坐标系的比较分析

卫星导航系统的坐标系至关重要。根据卫星星历参数和星历参数计算出的卫星位置和卫星速度直接表示在系统坐标系中。系统坐标系定义了建立相应大地坐标系所需的基准椭球体，描述了与大地水准面对应的地球重力场模型，并提供了修正后的基本大地测量参数。各系统的修正后基本大地测量参数如表3所示。

                                             表3 各坐标系的基本大地测量参数[4-9]

北斗坐标系（BDCS）是一个地心地球参考系统。BDCS的定义符合国际地球自转服务（IERS）规范，并采用中国大地坐标系2000（CGCS2000）的参考椭球参数。与CGCS2000的主要区别在于更新频率。BDCS是北斗系统专用的坐标系，可以每年或每半年更新一次；而CGCS2000是国家坐标系，具有广泛的相关性和较长的更新周期。BDCS的实施将与最新的国际地球参考框架（ITRF）保持一致。WGS84（世界大地坐标系84）是美国GPS使用的大地坐标系；GTRF（伽利略地球参考框架）是欧盟伽利略系统使用的大地坐标系；PZ-90（PZ-90大地坐标系）是俄罗斯建立的大地坐标系。

3.2 时间系统的比较分析

时间系统是卫星导航系统的核心，也是卫星导航系统正常运行的基石。北斗、GPS和伽利略都建立了基于原子时（AT）的专用时间系统。它们的秒长是根据安装在地面监测站的原子钟和卫星原子钟的观测数据合成的。它们本质上仍然是原子时，因此是连续的，无需像协调世界时（UTC）那样引入闰秒。格洛纳斯系统时间（GLONASS）与其他三个系统的时间不同。它是一个类似于协调世界时（UTC）的原子时系统。它在运行过程中引入闰秒，以莫斯科时间为基准，其时间源头可追溯到俄罗斯国家计量院维护的协调世界时（UTC）。北斗时间（BDT）由北斗主控站生成和维护，可溯源至国家时间服务中心维护的协调世界时（NTSC）。GPS时间（GPS时间，GPST）由GPS主控站生成和维护，可溯源至美国海军天文台维护的协调世界时UTC（USNO）。[12]伽利略时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。国际原子时（TAI）以原子秒为单位，从1958年1月1日世界时（UT）0:00开始累积。此时，世界时与国际原子时之差为零，此后逐年递增。1972年，为了协调国际原子时与世界时之间的差异，提出了一项折衷方案，即协调世界时（UTC）。协调世界时以精确的国际原子时秒为基准。当协调世界时与世界时之差超过0.9秒时，会人为地增加1秒闰秒，以确保协调世界时与世界时之差始终保持在0.9秒以内。[13]表4显示了四大卫星导航系统的系统时间对比。

                                                      表4 GNSS时间系统比较

根据对比分析，为了与GPST保持一致，GST的起始纪元设定为1999年08月22日00:00:00（UTC）前13秒。GST和GPST均比TAI滞后19秒。

图 1 显示了各系统时间之间的转换关系。

图片1 系统时间转换关系

4. GNSS服务性能对比分析

卫星导航系统的服务性能包括准确性、完整性、连续性和可用性，其中用户最关心的是准确性和可用性。服务精度包括定位精度、测速精度和测时精度。定位精度是指用户利用卫星信号确定的位置与其真实位置之间的统计差异值，包括水平定位精度和垂直定位精度。测速精度是指用户利用卫星信号确定的速度与其真实速度之间的统计差异值，通常指三维空间速度误差。测时精度是指利用卫星信号确定的时间与卫星导航系统时间之间的统计差异值。服务可用性是指系统实际服务时间与预期服务时间的比值。可用时间是指指定区域内位置精度因子 (PDOP) 可用性和定位可用性满足要求的时间。PDOP 可用性是指在指定地理或空间区域和时间段内，PDOP 值满足阈值要求的时间百分比。定位可用性是指在指定服务区域和时间段内，定位精度满足阈值要求的时间百分比。导航系统的定位精度主要取决于两个因素：① PDOP值；② 用户等效距离误差（UERE）。UERE由用户距离误差（URE）和用户设备误差（UEE）组成。其中：URE是由导航卫星轨道误差和卫星钟差引起的卫星到用户终端距离观测误差之和，主要由卫星导航系统决定；UEE是由地面多径效应和用户接收机环路噪声等引起的误差，主要由使用环境和本地接收机的设计决定。基于北斗、GPS、伽利略和格洛纳斯系统提供的服务性能规范和最新官方会议资料。[3,14-17]对每个全球卫星导航系统的公共服务性能参数进行了排序，结果如表5所示。表5中，RMS（均方根）表示均方根。

                                                 表5  全球移动卫星系统公开服务性能参数

事实上，每个卫星导航系统的实际性能都优于其承诺的公共服务性能。根据中国卫星管理办公室在2019年第十四届全球导航卫星系统国际委员会（ICG）会议上的报告，[18]北斗B1I/B3I的实测水平定位精度为3.6米（置信度95%），高度定位精度为6.6米（置信度95%），速度测量精度为0.05米/秒（置信度95%），时间精度为9.8纳秒（置信度95%）。北斗B1C/B2a的实测水平定位精度为2.4米（置信度95%），高度定位精度为4.3米（置信度95%），速度测量精度为0.06米/秒（置信度95%），时间精度为19.1纳秒（置信度95%）。根据2019年第14届ICG大会国家协调办公室的说法室（国家协调办公室，NCO）的报告[19]2018年11月14日至2019年11月13日的统计结果显示，GPS的平均URE为0.514米，最佳单日URE为0.362米，最差单日URE为0.666米。根据欧洲航天局在2019年第14届ICG会议上的报告，[20-21]2019 年 9 月，伽利略卫星的 URE 计算结果为 0.27 米（可靠性为 95%），赤道地区监测到的最差定位精度为 2.79 米（可靠性为 95%）。

5结论

本文对现有的四种全球导航卫星系统（GNSS）进行了详细比较，分析了系统的星座特性，并指出了BOS MEO/IGSO/GEO组合星座的优势；总结了各导航系统的信号系统，重点介绍了多系统兼容性、互操作性和北斗信息编码的优势；对各系统的坐标系和时间系进行了比较分析；分析了卫星导航系统的服务性能。对各导航系统的服务性能参数进行了汇总。通过对比分析可以看出，北斗系统全球化后，具备先进的技术、完整的功能、卓越的性能、与GPS和伽利略系统优异的兼容性和互操作性，并拥有完全自主的知识产权。它正处于与GPS并行发展的阶段，这为北斗系统走向全球、成为国际主流提供了重要保障。随着国家持续加大资源和人力投入，预计北斗系统将在不久的将来引领国际GNSS发展。

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