全球范围4大型衛星導航系統簡述

摘要：為了進一步研究衛星導航系統，本文對現有的四種全球衛星導航系統——北斗衛星導航系統（BDS）、全球定位系統（GPS）、伽利略衛星導航系統（Galileo）和格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）——進行了比較分析，從星座、信號系統、坐標和時間系統以及服務性能等方面進行了比較，並指出了北斗系統的優勢。結果表明，北斗系統在系統星座和資訊編碼方面具有顯著優勢，其係統服務性能與GPS和伽利略系統相當，優於格洛納斯系統；北斗系統基於地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）和中層地球軌道（MEO）的星座分佈，能夠提高亞太地區的定位儀和可用性；與 GPS 的二進位 LDPC 編碼相比，它可以帶來 0.6~1.2 dB 的額外增益。

關鍵字：全球衛星導航系統；系統星座；訊號系統；座標系；系統時間；服務效能

0 引言

目前擁有4大全球衛星導航系統（全球導航衛星系統，GNSS），包括中國的北斗衛星導航系統（BeiDou衛星導航系統，BDS）、美國的全球定位系統（全球定位系統，GPS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（伽利略衛星導航系統，Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（全球軌道導航衛星系統，GLONASS）。區域短報文和全球短報文功能雖然GLONASS系統已在全球範圍內投入使用，但其性能略遜於北斗和GPS，且GLONASS軌道傾角較大，導致低緯度地區性能較差。伽利略系統的觀測品質較佳，但衛星鐘的穩定性稍遜，導致系統可靠性較低。 

全球導航衛星系統（GNSS）主要由空間段、地面段和用戶段組成。其工作原理如下所示：

1）空間段中按星座分佈的導航衛星接收從地面段上行鏈路注入的時鐘修正、星曆等資訊進行訊號調製，並依照規定的訊號系統向地面廣播訊號。

2) 地面段追蹤和維護太空衛星，監測衛星的健康狀況，評估衛星和訊號的完整性，確定衛星的軌道，並將衛星的時鐘修正、星曆、曆書、電離層修正參數和其他資訊以特定頻率上行鏈路注入衛星。

3) 用戶段接收來自每個可見衛星的訊號，並根據從追蹤訊號獲得的觀測結果以及從解調訊號獲得的星曆和時間資訊進行位置、速度和時間 (PVT) 計算，以確定用戶的位置、速度和時間資訊。導航系統空間段主要包括兩個重要特徵：
① 代表衛星空間分佈的空間星座；
②衛星廣播訊號的特性。就整個系統而言，使用者最關心的是其服務效能。本文主要比較了GNSS的空間星座、訊號系統、座標和時間系統以及服務性能，並在此基礎上分析了北斗衛星導航系統的特性。

1. 全球導航衛星系統星座的比較分析

衛星導航系統空間星座的組成要素主要包括星座類型、衛星類型、衛星數量、軌道高度、軌道傾角等。 GPS、伽利略和GLONASS的星座分佈大致相同，衛星皆為中地球軌道（MEO）衛星。北斗衛星導航系統（BDS）星座包括MEO衛星、傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和地球靜止軌道（GEO）衛星。北斗的三顆GEO衛星位於赤道上方，分別分佈在東方80°、110.5°和140°。北斗的三顆IGSO衛星分佈在三個軌道平面。[3]北斗系統的24顆中地球軌道（MEO）衛星均勻分佈在三個軌道平面上，其子點軌跡覆蓋全球。透過MEO/IGSO/GEO星座佈局，北斗系統能夠大幅提升其衛星在亞太地區的可見性，進而提高北斗系統的定位精度和可用性。

                                          表1 全球衛星導航系統空間星座比較

2. 全球導航衛星系統比較分析

四大衛星導航系統各有特色。在多址接取機制方面，北斗、GPS和伽利略採用碼分多址（CDMA）技術，而格洛納斯目前採用頻分多址（FDMA）技術，其現代化計畫是向CDMA方向發展。在訊號分量方面，除了部分用於特殊用途的授權或專有訊號分量外，北斗、GPS和伽利略還採用了其他一些訊號分量。經過一段時間的研究和協調，就民用公共訊號達成了相容互通的合作協議，實現了北斗B1C和B2a分別與GPS L1、L5和伽利略E1和E5a的互通性，這可以大大提高衛星導航系統的服務效能，並降低多系統用戶終端的開發成本。表2主要從訊號頻率、訊號分支、調變方式、資訊編碼方式、符號速率和訊號頻寬等方面對四大衛星導航訊號系統進行了比較和分析，以便讀者能夠全面系統地了解各系統的訊號。

                                           表2  GNSS訊號系統的比較[4-9]

表2中：BPSK(binary Phase Shift Keying)表示二移相相鍵控；QMBOC(quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier)表示正交復用二進位偏移載波調變；TMBOC(Time Multiplexed Binary Offset Carrier)表示時分複用二進位偏移載波；CBOC(composite binary offset Carrier)表示複合二進位偏移載波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem各自獨立發現的二元線性循環碼；CRC(cycling Redundancy Check)表示循環冗餘)表示循環冗餘)表示循環冗餘餘餘校驗。如表2所示，北斗系統的B1C訊號、GPS的L1C訊號和伽利略系統的E1訊號皆工作在1575.42 MHz頻段，調變方式為二進位偏移載波（BOC）；北斗系統的B2a訊號、GPS的L5訊號和伽利略系統的E5a訊號均工作在1176. MHz頻段，其中B2a和L5採用正交相移鍵控（QPSK）調製，E5a採用交替二進位偏移載波（AltBOC）調變。頻率的一致性和調變方式的相似性為GNSS的兼容性和互通性提供了前提條件。目前，在1575.42 MHz頻段，GNSS的兼容性和互通性已得到很好的實現。在導航訊息設計方面，北斗系統引入了64基低密度奇偶校驗（LDPC）編碼作為導航訊息編碼的重要特徵。其編碼和解碼方案均為中國自主研發，性能相比GPS的二進位LDPC編碼有了顯著提升。 64基LDPC編碼和二進位LDPC編碼的複雜度基本上相同；解碼方面，64基解碼的複雜度約為二進位解碼的6倍。誤碼率為1×10⁻⁶。-5在這種情況下，64進位LDPC編碼增益比二元LDPC編碼增益高0.6~1.2 dB，這為使用者終端冷啟動相關指標的改善帶來了相當大的好處。。

3. GNSS座標系與時間系統的比較分析

3.1 座標系的比較分析

衛星導航系統的座標系至關重要。根據衛星星曆參數和星曆參數計算的衛星位置和衛星速度直接表示在系統座標系中。系統座標系定義了建立對應大地座標系所需的基準橢球體，描述了與大地水準面對應的地球重力場模型，並提供了修正後的基本大地測量參數。各系統的修正後基本大地測量參數如表3所示。

                                             表3 各座標系基本大地參數[4-9]

北斗座標系（BDCS）是一個地心地球參考系統。 BDCS的定義符合國際地球自轉服務（IERS）規範，並採用中國大地座標系2000（CGCS2000）的參考橢球參數。與CGCS2000的主要差異在於更新頻率。 BDCS是北斗系統專用的座標系，可以每年或每半年更新一次；而CGCS2000是國家座標系，具有廣泛的相關性和較長的更新週期。 BDCS的實施將與最新的國際地球參考架構（ITRF）保持一致。 WGS84（世界大地座標系84）是美國GPS所使用的大地座標系；GTRF（伽利略地球參考框架）是歐盟伽利略系統所使用的大地座標系；PZ-90（PZ-90大地座標系）是俄羅斯建立的大地座標系。

3.2 時間系統的比較分析

時間系統是衛星導航系統的核心，也是衛星導航系統正常運作的基石。北斗、GPS和伽利略都建立了基於原子時（AT）的專用時間系統。它們的秒長是根據安裝在地面監測站的原子鐘和衛星原子鐘的觀測資料合成的。它們本質上仍然是原子時，因此是連續的，無需像協調世界時（UTC）那樣引入閏秒。格洛納斯系統時間（GLONASS）與其他三個系統的時間不同。它是一個類似於協調世界時（UTC）的原子時系統。它在運行過程中引入閏秒，以莫斯科時間為基準，其時間源頭可追溯到俄羅斯國家計量院維護的協調世界時（UTC）。北斗時間（BDT）由北斗主控站產生和維護，可溯源至國家時間服務中心維護的協調世界時（NTSC）。 GPS時間（GPS時間，GPST）由GPS主控站產生和維護，可溯源至美國海軍天文台維護的協調世界時UTC（USNO）。[12]伽利略時（Galileo time, GST）直接溯源到國際計量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的協調世界時UTC(BIPM)。國際原子時（TAI）以原子秒為單位，從1958年1月1日世界時（UT）0:00開始累積。此時，世界時與國際原子時之差為零，此後逐年遞增。 1972年，為了協調國際原子時與世界時之間的差異，提出了一個折衷方案，即協調世界時（UTC）。協調世界時以精確的國際原子時秒為基準。當協調世界時與世界時之差超過0.9秒時，會人為地增加1秒閏秒，以確保協調世界時與世界時之差始終保持在0.9秒以內。[13]表4顯示了四大衛星導航系統的系統時間比較。

                                                      表4 GNSS時間系統比較

根據比較分析，為了與GPST保持一致，GST的起始紀元設定為1999年08月22日00:00:00（UTC）前13秒。 GST和GPST均比TAI滯後19秒。

圖 1 顯示了各系統時間之間的轉換關係。

圖片1 系統時間轉換關係

4. GNSS服務性能比較分析

衛星導航系統的服務效能包括準確性、完整性、連續性和可用性，其中使用者最關心的是準確性和可用性。服務精度包括定位精度、測速精度和測時精度。定位精度是指使用者利用衛星訊號所決定的位置與其真實位置之間的統計差異值，包括水平定位精度和垂直定位精度。測速精度是指使用者利用衛星訊號所確定的速度與其真實速度之間的統計差異值，通常指三維空間速度誤差。測時精度是指利用衛星訊號決定的時間與衛星導航系統時間之間的統計差異值。服務可用性是指系統實際服務時間與預期服務時間的比值。可用時間是指指定區域內位置精確度因子 (PDOP) 可用性和定位可用性滿足要求的時間。 PDOP 可用性是指在指定地理或空間區域和時間段內，PDOP 值滿足閾值要求的時間百分比。定位可用性是指在指定服務區域和時間段內，定位精度符合閾值要求的時間百分比。導航系統的定位精確度主要取決於兩個因素：① PDOP值；② 使用者等效距離誤差（UERE）。 UERE由使用者距離誤差（URE）和使用者設備誤差（UEE）組成。其中：URE是由導航衛星軌道誤差和衛星鐘差引起的衛星到用戶終端距離觀測誤差之和，主要由衛星導航系統決定；UEE是由地面多路徑效應和用戶接收機環路雜訊等引起的誤差，主要由使用環境和本地接收機的設計決定。基於北斗、GPS、伽利略和格洛納斯系統提供的服務性能規格和最新官方會議資料。[3,14-17]對每個全球衛星導航系統的公共服務性能參數進行了排序，結果如表5所示。表5中，RMS（均方根）表示均方根。

                                                 表5  全球行動安全系統暴露服務效能參數

事實上，每個衛星導航系統的實際性能都優於其承諾的公共服務表現。根據中國衛星管理辦公室在2019年第十四屆全球導航衛星系統國際委員會（ICG）會議上的報告，[18]北斗B1I/B3I的實測水平定位精度為3.6公尺（置信度95%），高度定位精度為6.6公尺（置信度95%），速度測量精度為0.05公尺/秒（置信度95%），時間精度為9.8奈秒（置信度95%）。北斗B1C/B2a的實測水平定位精度為2.4公尺（置信度95%），高度定位精度為4.3公尺（置信度95%），速度測量精度為0.06公尺/秒（置信度95%），時間精度為19.1奈秒（置信度95%）。根據2019年第14屆ICG大會國家協調辦公室的說法室（國家協調辦公室，NCO）的報告[19]2018年11月14日至2019年11月13日的統計結果顯示，GPS的平均URE為0.514米，最佳單日URE為0.362米，最差單日URE為0.666米。根據歐洲太空總署在2019年第14屆ICG會議的報告，[20-21]2019 年 9 月，伽利略衛星的 URE 計算結果為 0.27 公尺（可靠性為 95%），赤道地區監測到的最差定位精度為 2.79 公尺（可靠性為 95%）。

5結論

本文對現有的四種全球導航衛星系統（GNSS）進行了詳細比較，分析了系統的星座特性，並指出了BOS MEO/IGSO/GEO組合星座的優勢；總結了各導航系統的信號系統，重點介紹了多系統兼容性、互操作性和北斗信息編碼的優勢；對各系統的坐標系和時間系進行了比較分析；分析了衛星導航系統的服務性能。總結了各導航系統的服務性能參數。透過比較分析可以看出，北斗系統全球化後，具備先進的技術、完整的功能、卓越的性能、與GPS和伽利略系統優異的兼容性和互通性，並擁有完全自主的智慧財產權。它正處於與GPS並行發展的階段，這為北斗系統走向全球、成為國際主流提供了重要保障。隨著國家持續加大資源和人力投入，預計北斗系統將在不久的將來引領國際GNSS發展。

本文轉載自《測繪與製圖學術資訊》，旨在支持智慧財產權保護。轉載時請註明原出處及作者。如有任何侵權行為，請與我們聯繫，我們將予以刪除。