全球四大衛星導航系統淺析

發布時間：2021-12-29作者來源：金航標瀏覽：4491

全球4大衛星導航系統淺析

摘要：為進一步研究衛星導航系統，對現有4大全球衛星導航系統進行對比分析：從星座、信號體制、坐標和時間系統以及服務性能等方面，對北斗衛星導航系統（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）進行對比；指出BDS的優勢。結果表明：BDS在系統星座和信息編碼上有較大優勢，系統服務性能與GPS和Galileo相當，并優于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）編碼優于其他系統的編碼方式，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：全球衛星導航系統；系統星座；信號體制；坐標系統；系統時；服務性能

0 引言

目前有4大全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS），包括中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）、美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（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性能較差。Galileo的觀測量質量較好，但星載鐘穩定性稍差，導致系統可靠性較差。

GNSS主要由空間段、地面段和用戶段組成，其工作原理如下：

1）空間段中依據星座分布的導航衛星，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，并按規定的信號體制向地面廣播信號。

2）地面段對空間衛星進行跟蹤維護，并監測衛星的健康狀況，評估衛星及信號的完好性，確定衛星的運行軌道，并將衛星的鐘差修正量、星歷、歷書、電離層校正參數等信息按特定頻度上行注入到衛星。

3）用戶段接收各可見衛星的信號，并根據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。導航系統空間段主要包括2方面重要特性：
①表征衛星空間分布的空間星座；
②衛星廣播信號的特性。就整個系統而言，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

衛星導航系統空間星座的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、Galileo和GLONASS的星座分布大體相同，且衛星均為中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛星。而BDS星座則包括MEO衛星、傾斜地球同步軌道（inclined geo-synchronous orbit, IGSO）衛星和地球靜止軌道（geostationary orbit, GEO）衛星。BDS的3顆GEO衛星位于赤道上空，分別分布在80°E、110.5°E和140°E上。BDS的3顆IGSO衛星分布在3個軌道面[3]。BDS的24顆MEO衛星均勻分布于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BDS衛星的可見性，進而提升BDS的定位精度和可用性。

衛星導航系統名稱	不同衛星導航系統的導航衛星參數
衛星導航系統名稱	星座類型	衛星類型	不同類型衛星數量	不同類型衛星軌道高度/km	不同類型衛星軌道傾角/(°)	不同類型衛星軌道運行周期	軌道面數目	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 全球衛星導航系統空間星座對比

2 GNSS體制對比分析

4大衛星導航系統各有特點，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），其現代化計劃往CDMA發展。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經過長期研究和協調，在民用公開信號上達成了兼容互操作的合作協議，實現了BDS B1C、B2a分別與GPS L1、L5和Galileo E1、E5a之間的互操作，可大幅提升衛星導航系統服務性能并降低多系統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大衛星導航信號體制進行比較和分析，以便讀者對各系統的信號進行全面系統的了解。

系統名	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”表示）	主瓣帶寬/MHz	播發衛星類型
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各自獨立發現的二元線性循環碼；CRC(cyclic redundancy check)表示循環冗余校驗。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，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坐標和時間系統對比分析

3.1 坐標系統對比分析

衛星導航系統坐標系尤為重要，由衛星星歷參數和歷書參數計算得到的衛星位置和衛星速度都直接在系統坐標系中表征。系統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。各系統修正后的基本大地參數如表3所示。

系統名	坐標系名	坐標系參數
系統名	坐標系名	橢球長半徑/m	扁率	地心引力常數/	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 各坐標系統基本大地參數[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。BDCS的定義符合國際地球自轉服務（international Earth rotation service, IERS）規范，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，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，關聯面較廣，更新間隔很長。BDCS的實現將與[敏感詞]的國際地球參考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）對齊。WGS84（world geodetic system 84）是美國 GPS 采用的大地坐標系統；GTRF(Galileo terrestrial reference frame)是歐盟Galileo采用的大地坐標系統；PZ-90（PZ-90 geodetic system）是俄羅斯建立的大地坐標系統。

3.2 時間系統對比分析

時間系統為衛星導航系統的核心，是衛星導航系統正常運行的基石。BDS、GPS和Galileo均建立了基于原子時（atomic time, AT）的專用時間系統，它們的秒長分別根據安裝在其地面監測站上的原子鐘和衛星原子鐘的觀測量綜合得出，本質上仍然是原子時，因此是連續的，無需像協調世界時一樣有閏秒。GLONASS系統時（GLONASS system time，GLONASST) 與其他3種系統時不同，它是1個與協調世界時（coordinated universal time, UTC）類似的原子時系統，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調世界時UTC(SU)。北斗時（BeiDou time, BDT）由BDS主控站產生并保持，溯源到國家授時中心保持的協調世界時UTC(NTSC)。GPS時（GPS time, GPST）由GPS主控站產生并保持，溯源到美國海軍天文臺保持的協調世界時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，即協調世界時。協調世界時以[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，使世界時與協調世界時的差異始終保持在0.9 s內[13]。4大衛星導航系統的系統時間對比如表4所示。

衛星導航系統名稱	不同衛星導航系統的時間系統參數
衛星導航系統名稱	時間系統名稱	起始歷元	是否連續	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時間系統對比

根據對比分析，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。

各系統時之間的轉換關系如圖1所示。

圖1 系統時間轉換關系

4 GNSS服務性能對比分析

衛星導航系統的服務性能包括精度、完好性、連續性和可用性，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星信號確定的位置與其真實位置之差的統計值，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星信號確定的速度與其真實速度之差的統計值，一般為3維空間速度誤差。測時精度為使用衛星信號確定的時間與衛星導航系統時間之差的統計值。服務可用性為系統可服務時間與期望服務時間之比。可服務時間為指定區域范圍內位置精度衰減因子（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域和時間段內，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域和時間段內，定位精度滿足門限值要求的時間百分比。導航系統的定位精度主要由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是由導航衛星軌道和衛星鐘差的誤差引起的衛星至用戶終端距離觀測量的誤差和，主要由衛星導航大系統決定；UEE是由地面多路徑效應和用戶接收機環路噪聲等引起的誤差，主要由使用環境和本地接收機的設計決定。根據BDS、GPS、Galileo和GLONASS的服務性能規范和[敏感詞]官方會議資料[3,14-17]，對各全球衛星導航系統的公開服務性能參數進行梳理，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

事實上，各衛星導航系統的實測性能均優于承諾的公開服務性能。根據2019年第14屆全球衛星導航系統國際委員會（international committee on global navigation satellite system, ICG）會議中國衛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2019年第14屆ICG會議國家協調辦公室（National Coordination Office, NCO）的報告[19]，從2018-11-14—2019-11-13的統計結果顯示，GPS的平均URE為0.514 m、最優天URE為0.362 m、最差天URE為0.666 m。根據2019年第14屆ICG會議歐洲航天局的報告[20-21]，2019年9月統計的Galileo衛星URE為0.27 m（95 %可靠性下的結果），在赤道地區監測的最差定位精度為2.79 m（95 %可靠性下的結果）。

5 結束語

本文對現有的4大GNSS進行了詳細對比，分析了系統的星座特點，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體制，突出了多系統兼容互操作以及BDS信息編碼的優勢；對各系統的坐標系和時間系統進行了對比分析；分析了衛星導航系統的服務性能，并對各導航系統的服務性能參數進行了匯總。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大力投入，預期在不遠的將來，BDS將領跑國外的GNSS。

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