全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)淺析

發(fā)布時間：2021-12-29作者來源：金航標瀏覽：5260

全球4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)淺析

摘要：為進一步研究衛(wèi)星導航系統(tǒng)，對現(xiàn)有4大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行對比分析：從星座、信號體制、坐標和時間系統(tǒng)以及服務性能等方面，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo）和格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）進行對比；指出BDS的優(yōu)勢。結果表明：BDS在系統(tǒng)星座和信息編碼上有較大優(yōu)勢，系統(tǒng)服務性能與GPS和Galileo相當，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進制低密度奇偶校驗（LDPC）編碼優(yōu)于其他系統(tǒng)的編碼方式，相比GPS的二進制LDPC編碼,可帶來0.6~1.2 dB的額外增益。

關鍵詞：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；系統(tǒng)星座；信號體制；坐標系統(tǒng)；系統(tǒng)時；服務性能

0 引言

目前有4大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS），包括中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）、[敏感詞]的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global orbiting navigation satellite system, GLONASS）。其中，BDS和GPS已服務全球，性能相當；功能方面，BDS較GPS多了區(qū)域短報文和全球短報文功能。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，導致其在低緯度地區(qū)性能較差。Galileo的觀測量質量較好，但星載鐘穩(wěn)定性稍差，導致系統(tǒng)可靠性較差。

GNSS主要由空間段、地面段和用戶段組成，其工作原理如下：

1）空間段中依據(jù)星座分布的導航衛(wèi)星，接收地面段上行注入的時鐘修正、星歷等信息進行信號調制，并按規(guī)定的信號體制向地面廣播信號。

2）地面段對空間衛(wèi)星進行跟蹤維護，并監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況，評估衛(wèi)星及信號的完好性，確定衛(wèi)星的運行軌道，并將衛(wèi)星的鐘差修正量、星歷、歷書、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）用戶段接收各可見衛(wèi)星的信號，并根據(jù)跟蹤信號獲得的觀測量和解調信號獲得的星歷、時間信息進行位置、速度、時間（position velocity time, PVT）解算，確定用戶的位置、速度和時間信息。導航系統(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)星廣播信號的特性。就整個系統(tǒng)而言，用戶最關心的是其服務性能。本文主要對GNSS的空間星座、信號體制、坐標和時間系統(tǒng)以及服務性能進行對比，并在此基礎上對BDS的特點進行分析。

1 GNSS星座對比分析

衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間星座的要素主要包括星座類型、衛(wèi)星類型、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BDS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個軌道面[3]。BDS的24顆MEO衛(wèi)星均勻分布于3個軌道面，星下點軌跡覆蓋全球。通過MEO/IGSO/GEO星座布局，BDS可以極大提升亞太地區(qū)BDS衛(wèi)星的可見性，進而提升BDS的定位精度和可用性。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)名稱	不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的導航衛(wèi)星參數(shù)
衛(wèi)星導航系統(tǒng)名稱	星座類型	衛(wèi)星類型	不同類型衛(wèi)星數(shù)量	不同類型衛(wèi)星軌道高度/km	不同類型衛(wèi)星軌道傾角/(°)	不同類型衛(wèi)星軌道運行周期	軌道面數(shù)目	星座分布重復周期（次/天）
BDS	MEO的星座為瓦爾克（Walker ）型24/3/1	GEO IGSO MEO	3 3 24	35 786 35 786 21 528	— 55 55	— 23 h 56 min 4 s 12 h 55 min	— — 3	13/7 （7天重復13次）
GPS	非Walker型星座	MEO	24	20 200	55	11 h 58 min	6	2/1 （1天重復2次）
Galileo	Walker型星座24/3/1	MEO	24	23 222	56	14 h 4 min 45 s	3	17/10 （10天重復17次）
GLONASS	Walker型星座 24/3/2	MEO	24	19 100	64.8	11 h 15 min 44 s	3	17/8 （8天重復17次）

表1 全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間星座對比

2 GNSS體制對比分析

4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)各有特點，就多址機制而言，BDS、GPS和Galileo的多址機制為碼分多址（code division multiple access, CDMA），GLONASS的多址機制目前為頻分多址（frequency division multiple access, FDMA），其現(xiàn)代化計劃往CDMA發(fā)展。就信號分量而言，除了一些授權或特殊用途的專有的信號分量，BDS、GPS和Galileo經(jīng)過長期研究和協(xié)調，在民用公開信號上達成了兼容互操作的合作協(xié)議，實現(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)星導航系統(tǒng)服務性能并降低多系統(tǒng)用戶終端的研制成本。表2主要從信號頻率、信號支路、調制方式、信息編碼方式、符號速率和信號帶寬等方面對4大衛(wèi)星導航信號體制進行比較和分析，以便讀者對各系統(tǒng)的信號進行全面系統(tǒng)的了解。

系統(tǒng)名	信號	信號分量	載波頻率/MHz	調制方式	信息編碼方式	符號率（以“每秒采樣次數(shù)”表示）	主瓣帶寬/MHz	播發(fā)衛(wèi)星類型
BDS	B1I	I路	1 561.098	BPSK(2)	BCH(15,11,1)+交織	50	2.046 0	GEO/IGSO/MEO
	B1C	B1C_data	1 575.420	BOC(1,1)	BCH(21,6)+BCH(51,8)+64進制LDPC(200,100)+64進制LDPC(88,44)+交織	100	32.736 0	IGSO/MEO
	B1C	B1C_pilot	1 575.420	QMBOC(6,1,4/33)	—	0	32.736 0	IGSO/MEO
	B2a	B2a_data	1 176.450	QPSK(10)	64進制LDPC(96,48)	200	20.460 0	IGSO/MEO
	B2a	B2a_pilot	1 176.450	QPSK(10)	—	0	20.460 0	IGSO/MEO
	B2b	I路	1 207.140	QPSK(10)	64進制LDPC(162,81)	1000	20.460 0	IGSO/MEO
	B3I	I路	1 268.520	QPSK(10)	BCH(15,11,1)+交織	50	20.460 0	GEO/IGSO/MEO
GPS	L1	C/A	1 575.420	BPSK(1)	漢明碼（32,26）	50	2.046 0	MEO
		P(Y)		BPSK(10)	加密	50	20.460 0
		M		BOC(10,5)	加密	—	30.690 0
	L1C	L1C-D	1 575.420	BOC(1,1)	CRC-24Q+BCH(51,8)+二進制LDPC(1200,600)+塊交織	100	4.092 0	MEO
	L1C	L1C-P	1 575.420	TMBOC(6,1,4/33)	—	—	14.332 0	MEO
	L2	P(Y)	1 227.600	BPSK(10)	加密	50	20.460 0	MEO
		C		BPSK(1)	CRC-24Q+卷積編碼（600,300）	50	2.046 0
		M		BOC(10,5)	加密	—	30.690 0
	L5	L5C	1 176.450	QPSK(10)	CRC-24Q+卷積編碼（600,300）	100	20.460 0	MEO
	L5	L5Q	1 176.450	QPSK(10)	加密	—	20.460 0
Galileo	E1	E1-A	1 575.420	BOCCOS(15,2.5)	加密	100	35.805 0	MEO
		E1-B		CBOC(6,1,1/11,’+’)	CRC-24Q+卷積編碼（240,120）+交織		4.092 0
		E1-C		CBOC(6,1,1/11,’+’)	—		4.092 0
	E5a	E5a-I	1 176.450	AltBOC(15,10)	CRC-24Q+卷積編碼（488,244）+交織	50	51.150 0	MEO
	E5b	E5b-I	1 207.140	AltBOC(15,10)	CRC-24Q+卷積編碼（240,120）+交織	250	51.150 0	MEO
	E6	E6-A	1 278.750	BOCCOS(10,5)	加密	100	30.690 0	MEO
		E6-B		BPSK(5)	加密	1000	10.230 0
		E6-C		BPSK(5)	—	—	10.230 0
GLONASS	G1		1 598.0 625~1 605.375	BPSK	漢明碼	100	8.334 5	MEO
GLONASS	G2		1 242.9 375~1 248.625	BPSK	漢明碼	100	6.709 5	MEO

表2 GNSS信號體制對比[4-9]

表2中：BPSK(binary phase shift keying）表示二相移相鍵控；QMBOC(quadrature multiplexed binary offset carrier)表示正交復用二進制偏移載波調制；TMBOC(time multiplexed binary offset carrier)表示時分復用二進制偏移載波；CBOC(composite binary offset carrier)表示復合二進制偏移載波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem各自獨立發(fā)現(xiàn)的二元線性循環(huán)碼；CRC(cyclic redundancy check)表示循環(huán)冗余校驗。從表2中可以看出，BDS的B1C信號、GPS的L1C信號和Galileo的E1信號工作在1 575.42 MHz，且調試方式均為二進制偏移載波（binary offset carrier, BOC）類調制；BDS的B2a信號、GPS的L5信號和Galileo的E5a信號工作在1 176.45 MHz，其中B2a和L5為正交相移鍵控（quadrature phase shift keying, QPSK）調制方式，E5a為交替二進制偏移載波調制(alternate binary offset carrier, AltBOC)調制方式。頻率的一致性以及調制方式的類似，為GNSS的兼容互操作創(chuàng)造了先決條件，目前在1 575.42 MHz上已可以非常好地做到兼容互操作。在導航電文設計上，BDS將64進制低密度奇偶校驗（low density parity check, LDPC）編碼作為重要特色引入了導航電文編碼，其編譯碼方案均由中國自主研發(fā)，性能相比GPS的二進制LDPC編碼有較大提升。64進制LDPC編碼和二進制LDPC編碼的復雜程度基本一致；在譯碼方面，64進制譯碼復雜程度為二進制譯碼的6倍左右。誤碼率在1×10-5的條件下，64進制LDPC編碼增益比二進制LDPC編碼增益高0.6~1.2 dB，這為用戶終端的冷啟動相關指標提升帶來了相當可觀的益處。

3 GNSS坐標和時間系統(tǒng)對比分析

3.1 坐標系統(tǒng)對比分析

衛(wèi)星導航系統(tǒng)坐標系尤為重要，由衛(wèi)星星歷參數(shù)和歷書參數(shù)計算得到的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星速度都直接在系統(tǒng)坐標系中表征。系統(tǒng)坐標系定義了建立相應大地坐標系所需的基準橢球體，描述了與大地水準面相應的地球重力場模型，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。

系統(tǒng)名	坐標系名	坐標系參數(shù)
系統(tǒng)名	坐標系名	橢球長半徑/m	扁率	地心引力常數(shù)/	地球自轉角速度/
BDS	BDCS	6 378 137.00	1/298.257 222 101	3.986 004 418	7.292 115
GPS	WGS84	6 378 137.00	1/298.257 223 563	3.986 004 418	7.292 115
Galileo	GTRF	6 378 136.55	1/298.257 690 000	3.986 004 418	7.292 115 146 7
GLONASS	PZ90	6 378 136.00	1/298.257 839 303	3.986 004 418	7.292 115

表3 各坐標系統(tǒng)基本大地參數(shù)[4-9]

北斗坐標系（BeiDou coordinate system, BDCS）是1個地心地固的地球參考系統(tǒng)。BDCS的定義符合國際地球自轉服務（international Earth rotation service, IERS）規(guī)范，采用的是2000中國大地坐標系（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的專用坐標系，可每年或半年更新1次；CGCS2000為國家坐標系，關聯(lián)面較廣，更新間隔很長。BDCS的實現(xiàn)將與[敏感詞]的國際地球參考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）對齊。WGS84（world geodetic system 84）是[敏感詞] GPS 采用的大地坐標系統(tǒng)；GTRF(Galileo terrestrial reference frame)是歐盟Galileo采用的大地坐標系統(tǒng)；PZ-90（PZ-90 geodetic system）是俄羅斯建立的大地坐標系統(tǒng)。

3.2 時間系統(tǒng)對比分析

時間系統(tǒng)為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的核心，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)正常運行的基石。BDS、GPS和Galileo均建立了基于原子時（atomic time, AT）的專用時間系統(tǒng)，它們的秒長分別根據(jù)安裝在其地面監(jiān)測站上的原子鐘和衛(wèi)星原子鐘的觀測量綜合得出，本質上仍然是原子時，因此是連續(xù)的，無需像協(xié)調世界時一樣有閏秒。GLONASS系統(tǒng)時（GLONASS system time，GLONASST) 與其他3種系統(tǒng)時不同，它是1個與協(xié)調世界時（coordinated universal time, UTC）類似的原子時系統(tǒng)，在運行時引入閏秒，以莫斯科時間為基準，溯源到俄羅斯時間計量研究所保持的協(xié)調世界時UTC(SU)。北斗時（BeiDou time, BDT）由BDS主控站產(chǎn)生并保持，溯源到國家授時中心保持的協(xié)調世界時UTC(NTSC)。GPS時（GPS time, GPST）由GPS主控站產(chǎn)生并保持，溯源到[敏感詞]海軍天文臺保持的協(xié)調世界時UTC(USNO)[12]。Galileo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(xié)調世界時UTC(BIPM)。國際原子時（international atomic time, TAI）以原子秒為單位，從世界時（universal time, UT）1958-01-01零時開始累積，此時世界時與國際原子時的差異為零，然后逐年增大。1972年，為協(xié)調國際原子時和世界時之間的差異，提出了1種折中方案，即協(xié)調世界時。協(xié)調世界時以[敏感詞]的TAI秒長為基礎，當它與世界時的差距超過0.9 s時，則采用閏秒的方式人為加入1 s，使世界時與協(xié)調世界時的差異始終保持在0.9 s內(nèi)[13]。4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的系統(tǒng)時間對比如表4所示。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)名稱	不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)參數(shù)
衛(wèi)星導航系統(tǒng)名稱	時間系統(tǒng)名稱	起始歷元	是否連續(xù)	滯后TAI的時間/s
BDS	BDT	2006-01-01 00:00:00(UTC)	是	33
GPS	GPST	1980-01-06 00:00:00(UTC)	是	19
Galileo	GST	1999-08-22 00:00:00(UTC)前13 s	是	19
GLONASS	GLONASST	滯后UTC(SU) 3 h	否	隨閏秒變化

表4 GNSS時間系統(tǒng)對比

根據(jù)對比分析，GST起始歷元設為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)時之間的轉換關系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)時間轉換關系

4 GNSS服務性能對比分析

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務性能包括精度、完好性、連續(xù)性和可用性，其中用戶最關注的為精度和可用性。服務精度包括定位精度、測速精度和測時精度。定位精度為用戶使用衛(wèi)星信號確定的位置與其真實位置之差的統(tǒng)計值，包括水平定位精度和垂直定位精度。測速精度為用戶使用衛(wèi)星信號確定的速度與其真實速度之差的統(tǒng)計值，一般為3維空間速度誤差。測時精度為使用衛(wèi)星信號確定的時間與衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間之差的統(tǒng)計值。服務可用性為系統(tǒng)可服務時間與期望服務時間之比?？煞諘r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足要求的時間。PDOP可用性為指定的地理或空間區(qū)域和時間段內(nèi)，PDOP值滿足門限要求的時間百分比。定位可用性為指定的服務區(qū)域和時間段內(nèi)，定位精度滿足門限值要求的時間百分比。導航系統(tǒng)的定位精度主要由2方面因素決定：①PDOP值；②用戶等效距離誤差（user equivalent range error, UERE）。UERE由用戶測距誤差（user range error, URE）和用戶設備誤差（user equipment error, UEE）組成。其中：URE是由導航衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差的誤差引起的衛(wèi)星至用戶終端距離觀測量的誤差和，主要由衛(wèi)星導航大系統(tǒng)決定；UEE是由地面多路徑效應和用戶接收機環(huán)路噪聲等引起的誤差，主要由使用環(huán)境和本地接收機的設計決定。根據(jù)BDS、GPS、Galileo和GLONASS的服務性能規(guī)范和[敏感詞]官方會議資料[3,14-17]，對各全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的公開服務性能參數(shù)進行梳理，結果如表5所示。表5中，RMS(root mean square）表示均方根。

系統(tǒng)名	URE/m	URRE/(m·s-1)	95 %可靠性下的定位精度/m		測速精度/ (m·s-1)	95 %可靠性下的測時精度/ns
			水平方向	高程方向
BDS	B1C/B2a：0.6（RMS）	0.006（RMS）	10	10	0.2（95 %）可靠性下的結果	20
	B1I/B3I：1（RMS）
GPS	95 %可靠性下的結果為7.8	95 %可靠性下的結果為0.006	9	15	0.1	40
Galileo	95 %可靠性下的結果為7	—	4	8	—	30
GLONASS	95 %可靠性下的結果為18	95 %可靠性下的結果為0.02	5	9	—	700

表5 GMSS公開服務性能參數(shù)

事實上，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實測性能均優(yōu)于承諾的公開服務性能。根據(jù)2019年第14屆全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會（international committee on global navigation satellite system, ICG）會議中國衛(wèi)星管理辦公室的報告[18]，BDS B1I/B3I的實測水平定位精度為3.6 m（95 %可靠性下的結果）、高程定位精度為6.6 m（95 %可靠性下的結果）、測速精度為0.05 m/s（95 %可靠性下的結果）、定時精度為9.8 ns（95 %可靠性下的結果），B1C/B2a的實測水平定位精度為2.4 m（95 %可靠性下的結果）、高程定位精度為4.3 m（95 %可靠性下的結果）、測速精度為0.06 m/s（95 %可靠性下的結果）、定時精度為19.1 ns（95 %可靠性下的結果）。根據(jù)2019年第14屆ICG會議國家協(xié)調辦公室（National Coordination Office, NCO）的報告[19]，從2018-11-14—2019-11-13的統(tǒng)計結果顯示，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會議歐洲航天局的報告[20-21]，2019年9月統(tǒng)計的Galileo衛(wèi)星URE為0.27 m（95 %可靠性下的結果），在赤道地區(qū)監(jiān)測的最差定位精度為2.79 m（95 %可靠性下的結果）。

5 結束語

本文對現(xiàn)有的4大GNSS進行了詳細對比，分析了系統(tǒng)的星座特點，指出了BOS MEO/ IGSO/GEO組合星座的優(yōu)勢；總結了各導航系統(tǒng)的信號體制，突出了多系統(tǒng)兼容互操作以及BDS信息編碼的優(yōu)勢；對各系統(tǒng)的坐標系和時間系統(tǒng)進行了對比分析；分析了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務性能，并對各導航系統(tǒng)的服務性能參數(shù)進行了匯總。通過對比分析可知：BDS全球化后，其技術先進、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產(chǎn)權，處于與GPS并跑階段，為BDS走向世界、成為國際主流提供了重要保障。隨著國家在資源和人力方面的持續(xù)大力投入，預期在不遠的將來，BDS將領跑國外的GNSS。

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