全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)淺析

陳 倩，易 炯

全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)淺析

陳 倩1，易 炯2

（1. 中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007；2. 北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100193）

為進(jìn)一步研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有4大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析：從星座、信號(hào)體制、坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)以及服務(wù)性能等方面，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）進(jìn)行對(duì)比；指出BDS的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明：BDS在系統(tǒng)星座和信息編碼上有較大優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)服務(wù)性能與GPS和Galileo相當(dāng)，并優(yōu)于GLONASS；BDS基于地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）及中圓地球軌道（MEO）的星座分布，可提升亞太地區(qū)的定位精度和可用性；BDS采用的64進(jìn)制低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）編碼優(yōu)于其他系統(tǒng)的編碼方式，相比GPS的二進(jìn)制LDPC編碼,可帶來(lái)0.6~1.2 dB的額外增益。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；系統(tǒng)星座；信號(hào)體制；坐標(biāo)系統(tǒng)；系統(tǒng)時(shí)；服務(wù)性能

0 引言

目前有4大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS），包括中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）、美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global orbiting navigation satellite system, GLONASS）。其中，BDS和GPS已服務(wù)全球，性能相當(dāng)；功能方面，BDS較GPS多了區(qū)域短報(bào)文和全球短報(bào)文功能[1]。GLONASS雖已服役全球，但性能相比BDS和GPS稍遜，且GLONASS軌道傾角較大，導(dǎo)致其在低緯度地區(qū)性能較差。Galileo的觀測(cè)量質(zhì)量較好，但星載鐘穩(wěn)定性稍差，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性較差。

GNSS主要由空間段、地面段和用戶(hù)段組成，其工作原理[2]如下：

1）空間段中依據(jù)星座分布的導(dǎo)航衛(wèi)星，接收地面段上行注入的時(shí)鐘修正、星歷等信息進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，并按規(guī)定的信號(hào)體制向地面廣播信號(hào)。

2）地面段對(duì)空間衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤維護(hù)，并監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的健康狀況，評(píng)估衛(wèi)星及信號(hào)的完好性，確定衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，并將衛(wèi)星的鐘差修正量、星歷、歷書(shū)、電離層校正參數(shù)等信息按特定頻度上行注入到衛(wèi)星。

3）用戶(hù)段接收各可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)，并根據(jù)跟蹤信號(hào)獲得的觀測(cè)量和解調(diào)信號(hào)獲得的星歷、時(shí)間信息進(jìn)行位置、速度、時(shí)間（position velocity time, PVT）解算，確定用戶(hù)的位置、速度和時(shí)間信息。

導(dǎo)航系統(tǒng)空間段主要包括2方面重要特性：①表征衛(wèi)星空間分布的空間星座；②衛(wèi)星廣播信號(hào)的特性。就整個(gè)系統(tǒng)而言，用戶(hù)最關(guān)心的是其服務(wù)性能。本文主要對(duì)GNSS的空間星座、信號(hào)體制、坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)以及服務(wù)性能進(jìn)行對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上對(duì)BDS的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 GNSS星座對(duì)比分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座的要素主要包括星座類(lèi)型、衛(wèi)星類(lèi)型、衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度、軌道傾角等。GPS、Galileo和GLONASS的星座分布大體相同，且衛(wèi)星均為中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛(wèi)星。而B(niǎo)DS星座則包括MEO衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道（inclined geo-synchronous orbit, IGSO）衛(wèi)星和地球靜止軌道（geostationary orbit, GEO）衛(wèi)星。BDS的3顆GEO衛(wèi)星位于赤道上空，分別分布在80°E、110.5°E和140°E上。BDS的3顆IGSO衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道面[3]。 BDS的24顆MEO衛(wèi)星均勻分布于3個(gè)軌道面，星下點(diǎn)軌跡覆蓋全球。通過(guò)MEO/IGSO/GEO星座布局，BDS可以極大提升亞太地區(qū)BDS衛(wèi)星的可見(jiàn)性，進(jìn)而提升BDS的定位精度和可用性。

表1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座對(duì)比

2 GNSS體制對(duì)比分析

4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各有特點(diǎn)，就多址機(jī)制而言，BDS、GPS和Galileo的多址機(jī)制為碼分多址（code division multiple access, CDMA），GLONASS的多址機(jī)制目前為頻分多址（frequency division multiple access, FDMA），其現(xiàn)代化計(jì)劃往CDMA發(fā)展。就信號(hào)分量而言，除了一些授權(quán)或特殊用途的專(zhuān)有的信號(hào)分量，BDS、GPS和Galileo經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究和協(xié)調(diào)，在民用公開(kāi)信號(hào)上達(dá)成了兼容互操作的合作協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了BDS B1C、B2a分別與GPS L1、L5和Galileo E1、E5a之間的互操作，可大幅提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能并降低多系統(tǒng)用戶(hù)終端的研制成本。

表2主要從信號(hào)頻率、信號(hào)支路、調(diào)制方式、信息編碼方式、符號(hào)速率和信號(hào)帶寬等方面對(duì)4大衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制進(jìn)行比較和分析，以便讀者對(duì)各系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行全面系統(tǒng)的了解。

表2 GNSS信號(hào)體制對(duì)比[4-9]

表2中：BPSK(binary phase shift keying）表示二相移相鍵控；QMBOC(quadrature multiplexed binary offset carrier)表示正交復(fù)用二進(jìn)制偏移載波調(diào)制；TMBOC(time multiplexed binary offset carrier)表示時(shí)分復(fù)用二進(jìn)制偏移載波；CBOC(composite binary offset carrier)表示復(fù)合二進(jìn)制偏移載波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的二元線(xiàn)性循環(huán)碼；CRC(cyclic redundancy check)表示循環(huán)冗余校驗(yàn)。

從表2中可以看出，BDS的B1C信號(hào)、GPS的L1C信號(hào)和Galileo的E1信號(hào)工作在1575.42 MHz，且調(diào)試方式均為二進(jìn)制偏移載波（binary offset carrier, BOC）類(lèi)調(diào)制；BDS的B2a信號(hào)、GPS的L5信號(hào)和Galileo的E5a信號(hào)工作在1176.45 MHz，其中B2a和L5為正交相移鍵控（quadrature phase shift keying, QPSK）調(diào)制方式，E5a為交替二進(jìn)制偏移載波調(diào)制(alternate binary offset carrier, AltBOC)調(diào)制方式。頻率的一致性以及調(diào)制方式的類(lèi)似，為GNSS的兼容互操作創(chuàng)造了先決條件，目前在1575.42 MHz上已可以非常好地做到兼容互操作。

在導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)上，BDS將64進(jìn)制低密度奇偶校驗(yàn)（low density parity check, LDPC）編碼作為重要特色引入了導(dǎo)航電文編碼，其編譯碼方案均由中國(guó)自主研發(fā)，性能相比GPS的二進(jìn)制LDPC編碼有較大提升。64進(jìn)制LDPC編碼和二進(jìn)制LDPC編碼的復(fù)雜程度基本一致；在譯碼方面，64進(jìn)制譯碼復(fù)雜程度為二進(jìn)制譯碼的6倍左右。誤碼率在1×10-5的條件下，64進(jìn)制LDPC編碼增益比二進(jìn)制LDPC編碼增益高0.6~1.2 dB，這為用戶(hù)終端的冷啟動(dòng)相關(guān)指標(biāo)提升帶來(lái)了相當(dāng)可觀的益處[10-11]。

3 GNSS坐標(biāo)和時(shí)間系統(tǒng)對(duì)比分析

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)比分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系尤為重要，由衛(wèi)星星歷參數(shù)和歷書(shū)參數(shù)計(jì)算得到的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星速度都直接在系統(tǒng)坐標(biāo)系中表征。

系統(tǒng)坐標(biāo)系定義了建立相應(yīng)大地坐標(biāo)系所需的基準(zhǔn)橢球體，描述了與大地水準(zhǔn)面相應(yīng)的地球重力場(chǎng)模型，并提供了修正后的基本大地參數(shù)。各系統(tǒng)修正后的基本大地參數(shù)如表3所示。

表3 各坐標(biāo)系統(tǒng)基本大地參數(shù)[4-9]

北斗坐標(biāo)系（BeiDou coordinate system, BDCS）是1個(gè)地心地固的地球參考系統(tǒng)。BDCS的定義符合國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（international Earth rotation service, IERS）規(guī)范，采用的是2000中國(guó)大地坐標(biāo)系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）的參考橢球參數(shù)，與CGCS2000的主要差別在于更新頻度。BDCS為BDS的專(zhuān)用坐標(biāo)系，可每年或半年更新1次；CGCS2000為國(guó)家坐標(biāo)系，關(guān)聯(lián)面較廣，更新間隔很長(zhǎng)。BDCS的實(shí)現(xiàn)將與最新的國(guó)際地球參考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）對(duì)齊。WGS84（world geodetic system 84）是美國(guó) GPS 采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)；GTRF(Galileo terrestrial reference frame)是歐盟Galileo采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)；PZ-90（PZ-90 geodetic system）是俄羅斯建立的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

3.2 時(shí)間系統(tǒng)對(duì)比分析

時(shí)間系統(tǒng)為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行的基石。BDS、GPS和Galileo均建立了基于原子時(shí)（atomic time, AT）的專(zhuān)用時(shí)間系統(tǒng)，它們的秒長(zhǎng)分別根據(jù)安裝在其地面監(jiān)測(cè)站上的原子鐘和衛(wèi)星原子鐘的觀測(cè)量綜合得出，本質(zhì)上仍然是原子時(shí)，因此是連續(xù)的，無(wú)需像協(xié)調(diào)世界時(shí)一樣有閏秒。GLONASS系統(tǒng)時(shí)（GLONASS system time，GLONASST) 與其他3種系統(tǒng)時(shí)不同，它是1個(gè)與協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinated universal time, UTC）類(lèi)似的原子時(shí)系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)引入閏秒，以莫斯科時(shí)間為基準(zhǔn)，溯源到俄羅斯時(shí)間計(jì)量研究所保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(SU)。

北斗時(shí)（BeiDou time, BDT）由BDS主控站產(chǎn)生并保持，溯源到國(guó)家授時(shí)中心保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(NTSC)。GPS時(shí)（GPS time, GPST）由GPS主控站產(chǎn)生并保持，溯源到美國(guó)海軍天文臺(tái)保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(USNO)[12]。Galileo時(shí)（Galileo time, GST）直接溯源到國(guó)際計(jì)量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(BIPM)。

國(guó)際原子時(shí)（international atomic time, TAI）以原子秒為單位，從世界時(shí)（universal time, UT）1958-01-01零時(shí)開(kāi)始累積，此時(shí)世界時(shí)與國(guó)際原子時(shí)的差異為零，然后逐年增大。1972年，為協(xié)調(diào)國(guó)際原子時(shí)和世界時(shí)之間的差異，提出了1種折中方案，即協(xié)調(diào)世界時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)以精確的TAI秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，當(dāng)它與世界時(shí)的差距超過(guò)0.9 s時(shí)，則采用閏秒的方式人為加入1 s，使世界時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)的差異始終保持在0.9 s內(nèi)[13]。4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間對(duì)比如表4所示。

表4 GNSS時(shí)間系統(tǒng)對(duì)比

根據(jù)對(duì)比分析，GST起始?xì)v元設(shè)為1999-08-22T 00:00:00（UTC）前13 s，是為了和GPST保持一致，GST和GPST均滯后TAI 19 s。

各系統(tǒng)時(shí)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)時(shí)間轉(zhuǎn)換關(guān)系

4 GNSS服務(wù)性能對(duì)比分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能包括精度、完好性、連續(xù)性和可用性，其中用戶(hù)最關(guān)注的為精度和可用性。

服務(wù)精度包括定位精度、測(cè)速精度和測(cè)時(shí)精度。定位精度為用戶(hù)使用衛(wèi)星信號(hào)確定的位置與其真實(shí)位置之差的統(tǒng)計(jì)值，包括水平定位精度和垂直定位精度。測(cè)速精度為用戶(hù)使用衛(wèi)星信號(hào)確定的速度與其真實(shí)速度之差的統(tǒng)計(jì)值，一般為3維空間速度誤差。測(cè)時(shí)精度為使用衛(wèi)星信號(hào)確定的時(shí)間與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間之差的統(tǒng)計(jì)值。

服務(wù)可用性為系統(tǒng)可服務(wù)時(shí)間與期望服務(wù)時(shí)間之比?？煞?wù)時(shí)間為指定區(qū)域范圍內(nèi)位置精度衰減因子（position dilution of precision, PDOP）可用性和定位可用性滿(mǎn)足要求的時(shí)間。PDOP可用性為指定的地理或空間區(qū)域和時(shí)間段內(nèi)，PDOP值滿(mǎn)足門(mén)限要求的時(shí)間百分比。定位可用性為指定的服務(wù)區(qū)域和時(shí)間段內(nèi)，定位精度滿(mǎn)足門(mén)限值要求的時(shí)間百分比。

導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度主要由2方面因素決定：①PDOP值；②用戶(hù)等效距離誤差（user equivalent range error, UERE）。UERE由用戶(hù)測(cè)距誤差（user range error, URE）和用戶(hù)設(shè)備誤差（user equipment error, UEE）組成。其中：URE是由導(dǎo)航衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差的誤差引起的衛(wèi)星至用戶(hù)終端距離觀測(cè)量的誤差和，主要由衛(wèi)星導(dǎo)航大系統(tǒng)決定；UEE是由地面多路徑效應(yīng)和用戶(hù)接收機(jī)環(huán)路噪聲等引起的誤差，主要由使用環(huán)境和本地接收機(jī)的設(shè)計(jì)決定。

根據(jù)BDS、GPS、Galileo和GLONASS的服務(wù)性能規(guī)范和最新官方會(huì)議資料[3,14-17]，對(duì)各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的公開(kāi)服務(wù)性能參數(shù)進(jìn)行梳理，結(jié)果如表5所示。表5中，RMS(root mean square）表示均方根。

表5 GMSS公開(kāi)服務(wù)性能參數(shù)

事實(shí)上，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)測(cè)性能均優(yōu)于承諾的公開(kāi)服務(wù)性能。根據(jù)2019年第14屆全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)（international committee on global navigation satellite system, ICG）會(huì)議中國(guó)衛(wèi)星管理辦公室的報(bào)告[18]，BDS B1I/B3I的實(shí)測(cè)水平定位精度為3.6 m（95 %可靠性下的結(jié)果）、高程定位精度為6.6 m（95 %可靠性下的結(jié)果）、測(cè)速精度為0.05 m/s（95 %可靠性下的結(jié)果）、定時(shí)精度為9.8 ns（95 %可靠性下的結(jié)果），B1C/B2a的實(shí)測(cè)水平定位精度為2.4 m（95 %可靠性下的結(jié)果）、高程定位精度為4.3 m（95 %可靠性下的結(jié)果）、測(cè)速精度為0.06 m/s（95 %可靠性下的結(jié)果）、定時(shí)精度為19.1 ns（95 %可靠性下的結(jié)果）。

根據(jù)2019年第14屆ICG會(huì)議國(guó)家協(xié)調(diào)辦公室（National Coordination Office, NCO）的報(bào)告[19]，從2018-11-14—2019-11-13的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，GPS的平均URE為0.514 m、最優(yōu)天URE為0.362 m、最差天URE為0.666 m。根據(jù)2019年第14屆ICG會(huì)議歐洲航天局的報(bào)告[20-21]，2019年9月統(tǒng)計(jì)的Galileo衛(wèi)星URE為0.27 m（95 %可靠性下的結(jié)果），在赤道地區(qū)監(jiān)測(cè)的最差定位精度為2.79 m（95 %可靠性下的結(jié)果）。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有的4大GNSS進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，分析了系統(tǒng)的星座特點(diǎn)，指出了BOS MEO/ IGSO/GEO組合星座的優(yōu)勢(shì)；總結(jié)了各導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)體制，突出了多系統(tǒng)兼容互操作以及BDS信息編碼的優(yōu)勢(shì)；對(duì)各系統(tǒng)的坐標(biāo)系和時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析；分析了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能，并對(duì)各導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能參數(shù)進(jìn)行了匯總。

通過(guò)對(duì)比分析可知：BDS全球化后，其技術(shù)先進(jìn)、功能齊備、性能優(yōu)異，與GPS和Galileo具有極好的兼容與互操作性，且擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，處于與GPS并跑階段，為BDS走向世界、成為國(guó)際主流提供了重要保障。隨著國(guó)家在資源和人力方面的持續(xù)大力投入，預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來(lái)，BDS將領(lǐng)跑?chē)?guó)外的GNSS。

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[7] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B2a（1. 0版）[EB/OL]. (2017-12-27)[2019-12-28]. http: //www. beidou. gov. cn/xt/gfxz/201712/P020171226741887035478. pdf.

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Brief analysis on global four major navigation satellite systems

CHEN Qian1, YI Jiong2

（1. China Electronics Standardization Institute, Beijing 100007, China;2. Hwa Create Technology Corporation Ltd., Beijing 100193, China）

In order to further study on navigation satellite systems, the paper comparatively analyzed on the existing four major global navigation satellite systems (GNSS): the system constellation, signal structure, coordinate and time system and service performance were compared among BDS, GPS, Galileo and GLONASS; and the advantages of BDS were pointed out. Results showed that: BDS would be superior in system constellation and message encoding, and equivalent to GPS and Galileo, while better than GLONASS in the sytem service performance; based on the constellation distribution of GEO/IGSO/MEO, BDS could improve the positioning accuracy and availability in the Asia-Pacific region; the encoding of 64 binary LDPC used by BDS would be better than that by other systems, which could bring additional gain of 0.6~1.2 dB compared with the binary LDPC encoding of GPS.

global navigation satellite system; system constellation; signal structure; coordinate system; system time; service performance

P228

A

2095-4999(2020)03-0115-06

陳倩，易炯. 全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)淺析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(3): 115-120.（CHEN Qian, YI Jiong.Brief analysis on global four major navigation satellite systems[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 115-120.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200319.

2020-03-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0821900）。

陳倩（1964—），女，浙江寧波人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和雷達(dá)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

易炯（1984—），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星通信。