引文格式：陈倩，易炯. 全球4大卫星导航系统浅析[J]. 导航定位学报, 2020, 8(3): 115-120.（CHEN Qian, YI Jiong.Brief *** ysis on global four major navigation satellite systems[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 115-120.）
全球4大卫星导航系统浅析
陈 倩1，易 炯2
（1. 中国电子技术标准化研究院，北京 100007；
2. 北京华力创通科技股份有限公司，北京 100193）
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摘要：为进一步研究卫星导航系统，对现有4大全球卫星导航系统进行对比分析：从星座、信号体制、坐标和时间系统以及服务性能等方面，对北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、伽利略卫星导航系统（Galileo）和格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）进行对比；指出BDS的优势。结果表明：BDS在系统星座和信息编码上有较大优势，系统服务性能与GPS和Galileo相当，并优于GLONASS；BDS基于地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）及中圆地球轨道（MEO）的星座分布，可提升亚太地区的定位精度和可用性；BDS采用的64进制低密度奇偶校验（LDPC）编码优于其他系统的编码方式，相比GPS的二进制LDPC编码,可带来0.6~1.2 dB的额外增益。
关键词：全球卫星导航系统；系统星座；信号体制；坐标系统；系统时；服务性能
0 引言
目前有4大全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、美国的全球定位系统（global positioning system, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global orbiting navigation satellite system, GLONASS）。其中，BDS和GPS已服务全球，性能相当；功能方面，BDS较GPS多了区域短报文和全球短报文功能[1]。GLONASS虽已服役全球，但性能相比BDS和GPS稍逊，且GLONASS轨道倾角较大，导致其在低纬度地区性能较差。Galileo的观测量质量较好，但星载钟稳定性稍差，导致系统可靠性较差。
GNSS主要由空间段、地面段和用户段组成，其工作原理[2]如下：
1）空间段中依据星座分布的导航卫星，接收地面段上行注入的时钟修正、星历等信息进行信号调制，并按规定的信号体制向地面广播信号。
2）地面段对空间卫星进行跟踪维护，并监测卫星的健康状况，评估卫星及信号的完好性，确定卫星的运行轨道，并将卫星的钟差修正量、星历、历书、电离层校正参数等信息按特定频度上行注入到卫星。
3）用户段接收各可见卫星的信号，并根据跟踪信号获得的观测量和解调信号获得的星历、时间信息进行位置、速度、时间（position velocity time, PVT）解算，确定用户的位置、速度和时间信息。
导航系统空间段主要包括2方面重要特性：①表征卫星空间分布的空间星座；②卫星广播信号的特性。就整个系统而言，用户最关心的是其服务性能。本文主要对GNSS的空间星座、信号体制、坐标和时间系统以及服务性能进行对比，并在此基础上对BDS的特点进行分析。
1 GNSS星座对比分析
卫星导航系统空间星座的要素主要包括星座类型、卫星类型、卫星数量、轨道高度、轨道倾角等。GPS、Galileo和GLONASS的星座分布大体相同，且卫星均为中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）卫星。而BDS星座则包括MEO卫星、倾斜地球同步轨道（inclined geo-synchronous orbit, IGSO）卫星和地球静止轨道（geostationary orbit, GEO）卫星。BDS的3颗GEO卫星位于赤道上空，分别分布在80°E、110.5°E和140°E上。BDS的3颗IGSO卫星分布在3个轨道面[3]。BDS的24颗MEO卫星均匀分布于3个轨道面，星下点轨迹覆盖全球。通过MEO/IGSO/GEO星座布局，BDS可以极大提升亚太地区BDS卫星的可见性，进而提升BDS的定位精度和可用性。
表1 全球卫星导航系统空间星座对比
卫星导航系统名称 | 不同卫星导航系统的导航卫星参数 | |||||||
星座类型 | 卫星 | 不同类型卫星数量 | 不同类型卫星轨道高度/km | 不同类型卫星 | 不同类型卫星 | 轨道面 | 星座分布重复周期 （次/天） | |
BDS | MEO的星座为瓦尔克（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天重复13次） |
GPS | 非Walker型星座 | MEO | 24 | 20 200 | 55 | 11 h 58 min | 6 | 2/1 （1天重复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天重复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天重复17次） |
2 GNSS体制对比分析
4大卫星导航系统各有特点，就多址机制而言，BDS、GPS和Galileo的多址机制为码分多址（code division multiple access, CDMA），GLONASS的多址机制目前为频分多址（frequency division multiple access, FDMA），其现代化计划往CDMA发展。就信号分量而言，除了一些授权或特殊用途的专有的信号分量，BDS、GPS和Galileo经过长期研究和协调，在民用公开信号上达成了兼容互操作的合作协议，实现了BDS B1C、B2a分别与GPS L1、L5和Galileo E1、E5a之间的互操作，可大幅提升卫星导航系统服务性能并降低多系统用户终端的研制成本。
表2主要从信号频率、信号支路、调制方式、信息编码方式、符号速率和信号带宽等方面对4大卫星导航信号体制进行比较和分析，以便读者对各系统的信号进行全面系统的了解。
表2 GNSS信号体制对比[4-9]
系统名 | 信号 | 信号 | 载波频率/MHz | 调制方式 | 信息编码方式 | 符号率（以“每秒 采样次数”表示） | 主瓣带 | 播发卫星类型 |
BDS | B1I | I路 | 1 561.098 | BPSK(2) | BCH(15,11,1)+交织 | 50 | 2.046 0 | GEO/IGSO/MEO |
B1C | B1C_data | 1 575.420 | BOC(1,1) | BCH(21,6)+BCH(51,8)+64进制LDPC(200,100)+64进制LDPC(88,44)+交织 | 100 | 32.736 0 | IGSO/MEO | |
B1C_pilot | QMBOC(6,1,4/33) | ― | 0 | |||||
B2a | B2a_data | 1 176.450 | QPSK(10) | 64进制LDPC(96,48) | 200 | 20.460 0 | IGSO/MEO | |
B2a_pilot | ― | 0 | ||||||
B2b | I路 | 1 207.140 | QPSK(10) | 64进制LDPC(162,81) | 1000 | 20.460 0 | IGSO/MEO | |
B3I | I路 | 1 268.520 | QPSK(10) | BCH(15,11,1)+交织 | 50 | 20.460 0 | GEO/IGSO/MEO | |
GPS | L1 | C/A | 1 575.420 | BPSK(1) | 汉明码（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)+二进制LDPC(1200,600)+块交织 | 100 | 4.092 0 | MEO | |
L1C-P | TMBOC(6,1,4/33) | ― | ― | 14.332 0 | ||||
L2 | P(Y) | 1 227.600 | BPSK(10) | 加密 | 50 | 20.460 0 | MEO | |
C | BPSK(1) | CRC-24Q+卷积编码（600,300） | 50 | 2.046 0 | ||||
M | BOC(10,5) | 加密 | ― | 30.690 0 | ||||
L5 | L5C | 1 176.450 | QPSK(10) | CRC-24Q+卷积编码（600,300） | 100 | 20.460 0 | MEO | |
L5Q | 加密 | ― | ||||||
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+卷积编码（240,120）+交织 | 4.092 0 | |||||
E1-C | CBOC(6,1,1/11,’+’) | ― | 4.092 0 | |||||
E5a | E5a-I | 1 176.450 | AltBOC(15,10) | CRC-24Q+卷积编码（488,244）+交织 | 50 | 51.150 0 | MEO | |
E5b | E5b-I | 1 207.140 | CRC-24Q+卷积编码（240,120）+交织 | 250 | ||||
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 | 汉明码 | 100 | 8.334 5 | MEO | |
G2 | 1 242.9 375~1 248.625 | BPSK | 汉明码 | 100 | 6.709 5 | |||
表2中：BPSK(binary phase shift keying）表示二相移相键控；QMBOC(quadrature multiplexed binary offset carrier)表示正交复用二进制偏移载波调制；TMBOC(time multiplexed binary offset carrier)表示时分复用二进制偏移载波；CBOC(composite binary offset carrier)表示复合二进制偏移载波；BCH(Bose Chaudhuri Hocquenghem)表示Bose、Chaudhuri及Hocquendhem各自独立发现的二元线性循环码；CRC(cyclic redundancy check)表示循环冗余校验。
从表2中可以看出，BDS的B1C信号、GPS的L1C信号和Galileo的E1信号工作在1 575.42 MHz，且调试方式均为二进制偏移载波（binary offset carrier, BOC）类调制；BDS的B2a信号、GPS的L5信号和Galileo的E5a信号工作在1 176.45 MHz，其中B2a和L5为正交相移键控（quadrature phase shift keying, QPSK）调制方式，E5a为交替二进制偏移载波调制(alternate binary offset carrier, AltBOC)调制方式。频率的一致性以及调制方式的类似，为GNSS的兼容互操作创造了先决条件，目前在1 575.42 MHz上已可以非常好地做到兼容互操作。
在导航电文设计上，BDS将64进制低密度奇偶校验（low density parity check, LDPC）编码作为重要特色引入了导航电文编码，其编译码方案均由中国自主研发，性能相比GPS的二进制LDPC编码有较大提升。64进制LDPC编码和二进制LDPC编码的复杂程度基本一致；在译码方面，64进制译码复杂程度为二进制译码的6倍左右。误码率在1×10-5的条件下，64进制LDPC编码增益比二进制LDPC编码增益高0.6~1.2 dB，这为用户终端的冷启动相关指标提升带来了相当可观的益处[10-11]。
3 GNSS坐标和时间系统对比分析
3.1 坐标系统对比分析
卫星导航系统坐标系尤为重要，由卫星星历参数和历书参数计算得到的卫星位置和卫星速度都直接在系统坐标系中表征。系统坐标系定义了建立相应大地坐标系所需的基准椭球体，描述了与大地水准面相应的地球重力场模型，并提供了修正后的基本大地参数。各系统修正后的基本大地参数如表3所示。
表3 各坐标系统基本大地参数[4-9]
系统名 | 坐标系名 | 坐标系参数 | |||
椭球长半径/m | 扁率 | 地心引力常数/ | 地球自转角速度/ | ||
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 |
北斗坐标系（BeiDou coordinate system, BDCS）是1个地心地固的地球参考系统。BDCS的定义符合国际地球自转服务（international Earth rotation service, IERS）规范，采用的是2000中国大地坐标系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）的参考椭球参数，与CGCS2000的主要差别在于更新频度。BDCS为BDS的专用坐标系，可每年或半年更新1次；CGCS2000为国家坐标系，关联面较广，更新间隔很长。BDCS的实现将与最新的国际地球参考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）对齐。WGS84（world geodetic system 84）是美国 GPS 采用的大地坐标系统；GTRF(Galileo terrestrial reference frame)是欧盟Galileo采用的大地坐标系统；PZ-90（PZ-90 geodetic system）是俄罗斯建立的大地坐标系统。
3.2 时间系统对比分析
时间系统为卫星导航系统的核心，是卫星导航系统正常运行的基石。BDS、GPS和Galileo均建立了基于原子时（atomic time, AT）的专用时间系统，它们的秒长分别根据安装在其地面监测站上的原子钟和卫星原子钟的观测量综合得出，本质上仍然是原子时，因此是连续的，无需像协调世界时一样有闰秒。GLONASS系统时（GLONASS system time，GLONASST) 与其他3种系统时不同，它是1个与协调世界时（coordinated universal time, UTC）类似的原子时系统，在运行时引入闰秒，以莫斯科时间为基准，溯源到俄罗斯时间计量研究所保持的协调世界时UTC(SU)。
北斗时（BeiDou time, BDT）由BDS主控站产生并保持，溯源到国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)。GPS时（GPS time, GPST）由GPS主控站产生并保持，溯源到美国海军天文台保持的协调世界时UTC(USNO)[12]。Galileo时（Galileo time, GST）直接溯源到国际计量局（International Bureau of Weights and Measures, BIPM）保持的协调世界时UTC(BIPM)。
国际原子时（international atomic time, TAI）以原子秒为单位，从世界时（universal time, UT）1958-01-01零时开始累积，此时世界时与国际原子时的差异为零，然后逐年增大。1972年，为协调国际原子时和世界时之间的差异，提出了1种折中方案，即协调世界时。协调世界时以精确的TAI秒长为基础，当它与世界时的差距超过0.9 s时，则采用闰秒的方式人为加入1 s，使世界时与协调世界时的差异始终保持在0.9 s内[13]。4大卫星导航系统的系统时间对比如表4所示。
表4 GNSS时间系统对比
卫星导航 | 不同卫星导航系统的时间系统参数 | |||
时间系统名称 | 起始历元 | 是否连续 | 滞后TAI的时间/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 | 滞后UTC(SU) 3 h | 否 | 随闰秒变化 |
根据对比分析，GST起始历元设为1999-08-22T 00:00:00（UTC）前13 s，是为了和GPST保持一致，GST和GPST均滞后TAI 19 s。
各系统时之间的转换关系如图1所示。
图1 系统时间转换关系
4 GNSS服务性能对比分析
卫星导航系统的服务性能包括精度、完好性、连续性和可用性，其中用户最关注的为精度和可用性。
服务精度包括定位精度、测速精度和测时精度。定位精度为用户使用卫星信号确定的位置与其真实位置之差的统计值，包括水平定位精度和垂直定位精度。测速精度为用户使用卫星信号确定的速度与其真实速度之差的统计值，一般为3维空间速度误差。测时精度为使用卫星信号确定的时间与卫星导航系统时间之差的统计值。
服务可用性为系统可服务时间与期望服务时间之比。可服务时间为指定区域范围内位置精度衰减因子（position dilution of precision, PDOP）可用性和定位可用性满足要求的时间。PDOP可用性为指定的地理或空间区域和时间段内，PDOP值满足门限要求的时间百分比。定位可用性为指定的服务区域和时间段内，定位精度满足门限值要求的时间百分比。
导航系统的定位精度主要由2方面因素决定：①PDOP值；②用户等效距离误差（user equivalent range error, UERE）。UERE由用户测距误差（user range error, URE）和用户设备误差（user equipment error, UEE）组成。其中：URE是由导航卫星轨道和卫星钟差的误差引起的卫星至用户终端距离观测量的误差和，主要由卫星导航大系统决定；UEE是由地面多路径效应和用户接收机环路噪声等引起的误差，主要由使用环境和本地接收机的设计决定。
根据BDS、GPS、Galileo和GLONASS的服务性能规范和最新官方会议资料[3,14-17]，对各全球卫星导航系统的公开服务性能参数进行梳理，结果如表5所示。表5中，RMS(root mean square）表示均方根。
表5 GMSS公开服务性能参数
系统名 | URE/m | URRE/(m・s-1) | 95 %可靠性下的定位精度/m | 测速精度/ | 95 %可靠性下 | |
水平方向 | 高程方向 | |||||
BDS | B1C/B2a：0.6（RMS） | 0.006（RMS） | 10 | 10 | 0.2（95 %） | 20 |
B1I/B3I：1（RMS） | ||||||
GPS | 95 %可靠性下的结果为7.8 | 95 %可靠性下的结果为0.006 | 9 | 15 | 0.1 | 40 |
Galileo | 95 %可靠性下的结果为7 | ― | 4 | 8 | ― | 30 |
GLONASS | 95 %可靠性下的结果为18 | 95 %可靠性下的结果为0.02 | 5 | 9 | ― | 700 |
事实上，各卫星导航系统的实测性能均优于承诺的公开服务性能。根据2019年第14届全球卫星导航系统国际委员会（international committee on global navigation satellite system, ICG）会议中国卫星管理办公室的报告[18]，BDS B1I/B3I的实测水平定位精度为3.6 m（95 %可靠性下的结果）、高程定位精度为6.6 m（95 %可靠性下的结果）、测速精度为0.05 m/s（95 %可靠性下的结果）、定时精度为9.8 ns（95 %可靠性下的结果），B1C/B2a的实测水平定位精度为2.4 m（95 %可靠性下的结果）、高程定位精度为4.3 m（95 %可靠性下的结果）、测速精度为0.06 m/s（95 %可靠性下的结果）、定时精度为19.1 ns（95 %可靠性下的结果）。
根据2019年第14届ICG会议国家协调办公室（National Coordination Office, NCO）的报告[19]，从2018-11-14―2019-11-13的统计结果显示，GPS的平均URE为0.514 m、更优天URE为0.362 m、最差天URE为0.666 m。根据2019年第14届ICG会议欧洲航天局的报告[20-21]，2019年9月统计的Galileo卫星URE为0.27 m（95 %可靠性下的结果），在赤道地区监测的最差定位精度为2.79 m（95 %可靠性下的结果）。
5 结束语
本文对现有的4大GNSS进行了详细对比，分析了系统的星座特点，指出了BOS MEO/ IGSO/GEO组合星座的优势；总结了各导航系统的信号体制，突出了多系统兼容互操作以及BDS信息编码的优势；对各系统的坐标系和时间系统进行了对比分析；分析了卫星导航系统的服务性能，并对各导航系统的服务性能参数进行了汇总。
通过对比分析可知：BDS全球化后，其技术先进、功能齐备、性能优异，与GPS和Galileo具有极好的兼容与互操作性，且拥有完全自主知识产权，处于与GPS并跑阶段，为BDS走向世界、成为国际主流提供了重要保障。随着国家在资源和人力方面的持续大力投入，预期在不远的将来，BDS将领跑国外的GNSS。
参考文献（略）
