陳 倩，易 炯

全球4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)淺析

陳 倩1，易 炯2

（1. 中國電子技術標準化研究院，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。

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）、美國的全球定位系統(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[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[2]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。

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。

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1575.42 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1176.45 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1575.42 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[10-11]。

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。

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)將與最新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(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主控站產生并保持，溯源到美國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)調世界時以精確的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[13]。4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的系統(tǒng)時間對比如表4所示。

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，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，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)范和最新官方會議資料[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。

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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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)星導航系統(tǒng)淺析[J]. 導航定位學報, 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

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0821900）。

陳倩（1964—），女，浙江寧波人，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星導航和雷達有關標準的制定。

易炯（1984—），男，湖南長沙人，博士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星導航和衛(wèi)星通信。