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知乎大牛为你解读全球各大卫星导航系统!

日期: 2016-08-24
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知乎大牛为你解读全球各大卫星导航系统!

知乎大牛为你解读全球各大卫星导航系统!

 

数据来自European Globla Navigation Satellite Systems Agency 2015年3月的统计。

图一是根据卫星导航产业全球top 31家公司超过300组receivers, chipsets和modules所做的市场在售接收机不同GNSS 系统的所占比例调查,结果显示:GPS第一,GLONASS其次Galileo和BeiDou正逐步被生产厂商接受。

图二显示力了GNSS设备同时接受几种信号的能力,除了可知多星座组合导航正成为一种行业标准特征之外,请注意:双模接收机中绿色(GPS+GLONASS)和蓝色(GPS+BeiDou)的数量对比,以及三模接收机中紫色(GPS+Galileo+GLONASS)和剩余部分(兼容BeiDou)的数量对比。

 

第一个问题:

 

“格洛纳斯使用较少”这个说法是错误的。迄今为止全世界仅有两套完成全球组网的导航系统:GPS和GLONASS。而GLONASS的民用应用非常普遍,世界上在售的民用接收机,无论是手机、导航仪、消费级模块还是测绘接收机,如果要支持双模,首选都是GPS和GLONASS。

 

GLONASS的普及程度高于其他的GNSS系统,包括伽利略,北斗,IRNSS。

 

第二个问题:

 

简要介绍一下几大GNSS系统各自特点。

 

1、GPS 全称是 NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System) 简称拼起来正好是“导航星”的意思(虽然官方宣称这个文绉绉的名字是是个巧合,不管你信不信,反正我不信),始建于1970s,前期预研起始于1958年左右。是卫星导航理论和实践的开创者,由美国军方运营。无论从技术上还是运营上,一直在被模仿,从未被超越。

 

GPS卫星的的寿命和可靠性堪称典范,由于美国的政策是只有当前卫星退役后,才发射新卫星补充,GPS卫星的长寿甚至成为GPS系统升级的阻碍——老卫星总是用不坏,新一代卫星只能等着。

 

GPS系统进入试验阶段后,其定位精度远远出乎最初设计人员的预料,于是GPS早年对民用信号的精度给予限制,定位误差被人为加大到100m左右。但很快,一种破解这一精度限制的技术,差分GPS技术问世了,这种技术通过一台位置已知的接收机获取观测量,可以把人为加进去的误差给消掉,很快,大量的GPS差分站开始在北美和世界各地建立。差分技术的发展促进了美国取消了GPS民用精度限制,但这还不是最后的决定因素。美国放弃精度限制的一大原因就是GLONASS。

 

对于测绘级精密定位,需要双频观测来修正电离层误差。早年GPS在L1和L2两个频率上播发有信号,其中L1是民用和军用信号,L2上只有军用信号。但是不甘寂寞的接收机厂家的工程师们找到了各种各样的利用L2上码型未知军用信号的方法,以Z跟踪为代表的一系列技术打开了民用双频测量的大门。

 

GPS依托美军的全球存在,在世界各地遍布测控站,站点分布均匀,定轨效果好。GPS使用的WGS-84坐标系成为事实上的国际标准。在多次提供精度后,现役的WGS-84坐标系和ITRF搞的那个误差已被限制到毫米级。

 

GPS的CA码码速率是1.023MHz。目前(2016年实测)GPS开阔地单点定位的误差椭圆直径大概在2m左右,可以理解为其定位精度。

 

美国正在进行GPS的现代化工作。最新的GPS卫星在L2频率上调制了新的民用信号,使用了第三个频率L5,开发新的军用信号,GPS依然保持着业界老大的地位,短期内无人能敌。

 

2、GLONASS 的命运坎坷。GPS开始部署后,苏联人认为我们也需要一个相似的系统,于是在1970s开始了研发,1982年发射了第一颗卫星,后来历经苏联解体,经济不振,断断续续直到199x年才补全了卫星,后来由于卫星寿命太短,和GPS动辄20-30年的寿命相比,GLONASS只有数年的寿命,早期的卫星寿命甚至只有3年。俄罗斯努力地让发射卫星的速度快过卫星坏掉的速度,经过十余年的努力,二十一世纪初,终于布满了星座。其代价是,现在,除了25颗左右的在用卫星,轨道上还有130多个GLONASS卫星的尸体……

 

GLONASS在设计之初就没考虑搞人工降低精度的措施,所以早年GLONASS的精度一直优于被加扰的GPS,这为GLONASS赢得了最初的用户,也和差分技术一起,逼迫美国放弃了民用信号加扰的策略,美国在200x年关闭加扰策略时官方的说法大概是这样的:“我们确保在民用领域GPS能提供优于其他系统的精度和可用性”

 

由于俄罗斯地处高纬度地区,GLONASS卫星的轨道设计上照顾了这一点。在高纬度地区,如极地,卫星分布和定位表现会比GPS好一些。

 

与其他GNSS系统采用CDMA码分多址不同,GLONASS使用了FDMA频分多址的策略。对接收机带宽要求略高。为了平衡这个问题,GLONASS 民用信号选择了较低的码速率以节约带宽,其码速率只有GPS民用信号速率一半,大概511kHz,导致单点定位精度低于GPS,现在标准差椭圆半径在5m左右。后来GLONASS重新调整了卫星频率规划,让同时地处地球两端的卫星使用相同的频率。貌似也节省了一些带宽。

 

过去GLONASS采用PZ90.02坐标系,它和GPS使用的WGS-84之间有误差。在使用双系统定位时,需要一些经验公式转换坐标位置。俄罗斯在2013年将GLONASS升级了坐标系,把坐标和WGS-84和ITRF的误差减少到了毫米的水平。现在双系统定位时,已不需要考虑坐标变换问题。

 

GLONASS也在实施现代化的策略,新的GLONASS-M还是K卫星将计划改用CDMA的信号体制。


最后不得不赞扬俄罗斯科学家的强到变态的数学功底。

 

GNSS系统使用导航电文描述卫星位置。绝大多数系统利用卫星运动原理提出的“开普勒轨道参数”和一些修正项来描述某一时刻卫星在空间的位置,通过一些诸如牛对迭代算法求方程的数值解获取卫星位置。只有GLONASS在电文中非常暴力的给出了卫星在直角坐标系中xyz位置和xyz方向上的导数、二阶导数……通过龙格库塔(貌似这么叫)数值积分,再通过一些系数非常复杂的多项式修正获取卫星实时位置……几乎无视卫星轨道的物理特征,纯数学操作。(SBAS对GEO卫星也利用这种直接给xyz位置的方法描述,但GEO卫星轨道位置变化小,基本使用简单的插值积分就可以解算了)

 

另外GLONASS系统的数据公开程度非常好,有一个网站叫分析中心,提供GLONASS和GPS卫星的实时参数和系统状况,以及性能分析。相比北斗那两个网站,遮遮掩掩,全是新闻和会议报道,不知要高到哪里去了。

 

3、北斗。北斗目前进行到第二代,正在试验第三代。现在建成的北斗二代是一个只为亚太地区服务的区域系统,在欧洲、非洲、美洲几乎收不到卫星,在中亚、太平洋性能会打折扣。

 

199x年,中国的教授发现,只要通过其他方法(比如气压表)给一个概略的高程值,就可以通过有源双星定位解算出用户的位置。这样不需要打将近30个卫星,就可以建起一个低成本的卫星定位系统。经过一些试验后,北斗一代提供服务。北斗一代和GPS/GLONASS不同,它的用户机必须发信号才能完成定位,而GPS/GLONASS只要接收就可以了。由于定位需要进行双向卫星通信,北斗一代的用户容量是有限的。这导致注定这个权宜之计下搞出的系统只能为特殊用户提供服务。此外北斗一代是用通信卫星实现的,所以它还有一个副业,就是短报文通信。我至今没有用过北斗一代这套系统。

 

随着中国经济发展,中国觉得这个一代不靠谱,需要也搞一个像GPS/GLONASS那样的无源系统。但是无奈(航天某所和中电某所的)技术有限,论证半天不敢直接搞一个大系统。那就采取了一条先局部,再全球的策略,也就是现在的北斗二代区域系统,和北斗三代全球系统。

 

这时候欧盟的伽利略提上日程。中国想和他们合作,我出小钱钱,欧盟出技术,心里想顺便我也能学到技术。于是两者一拍即合。但后来中国发现被坑了,钱没少给,技术学不到。这时候一狠心我们不合作了,我要单干。于是专心致志建立北斗二代。

 

北斗二代和GPS/GLONASS原理类似,但轨道设置很大的区别。GPS/GLONASS只有中轨道MEO卫星,而北斗二代有三种卫星:GEO,IGSO和MEO。MEO卫星是全球到处跑的,而GEO和IGSO卫星会乖乖地定在中国上空。由于只用GEO卫星,会造成南北方向变态大的定位误差,所以必须用IGSO来改善星座分布。

 

北斗二代拥有GPS两倍,GLONASS四倍的民用信号带宽,2.046MHz,数学上讲其信号性能是最好的,实测北斗码测量结果也确实十分细腻。但现在北斗二代在亚太地区定位性能还比不过GPS和GLONASS,现在限制北斗二代精度和准确度的,主要是是地面测控站分布不够广泛导致测轨可能还有一些问题,天空中卫星分布集中在南面,不够均匀,等等。

 

在北斗公布接口文件之前,现在的格蕾丝·杏欣·高教授还在攻读博士学位。当时中国发射了唯一一颗可以全球转的MEO试验卫星(剩下的都是定在亚太上空的,转不到欧洲和美国那面),使用C30的PRN码,开始播发信号(据外媒……外国学术论文报道,这颗卫星遇到了严重的时钟问题,不久就坏掉了)。高同学使用一个不到2m的抛物面天线跟踪了这颗卫星,在B1、B2和B3三个频率上观察到了导航信号。她把信号录下来分析,发现了三个重复周期分别为1ms、1ms、10ms的信号。要知道GPS民用信号重复时间是1ms。军用信号重复时间长达1周,高同学想当然的认为,这三个都是民用公开信号,于是通过一些信号处理算法得到了码序列,然后通过杰出的数学算法获得了三个信号的生成多项式,即信号的生成结构,发表了那篇后来给她带来一世骂名的论文。国外的接收机厂商借助这篇论文,很快开发了高性能的北斗接收机,让国内通过延迟发布ICD保护本土厂商的计划(可能有,没有证据支持,纯粹个人猜想)落空了。这篇论文算不上破解了军用北斗,如果军用北斗那么容易就被破解了,我们的专家岂不是很没有面子,所以特殊领域的安全问题大家尽可放心,但此事也绝对曾让国内的某些决策和研发人员大跌眼镜当场懵逼。事后北斗公开了两版接口文件,先公开了B1频率上的民用信号,和高同学搞出来的那个是一样的。N个月后又公布了B2频率的民用信号——和B1上的信号结构是一样的=_=b,但没忘写了一句,B2上的这个信号可能会改……(大概在新型号体制实验取得成功后)。

 

相比北斗二代建立初期,现在的卫星技术已经取得了很大的进步,但……可能是我的要求略高……或者站着说话不腰疼……我知道中电某所,航天某所……某院……某大学,某某大学的同志们已经很努力了……无意冒犯,但相比GPS和GLONASS还有进步的空间。

 

最近几年,北斗三代的试验星已经上天了。对于这些实验工作,可能包括新信号、星间链路、空间定轨等,我无权接触,公开信息也不多,希望现有的问题能早日解决。目前我觉得北斗三代不想继续使用北斗二代这种老技术,应该是想在技术层面向伽利略看齐。一旦时机成熟,使用新信号的北斗三代会噌噌地发射,组网,服务,如果按照白皮书的计划,2020年,北斗会成为第三个全球组网的定位系统。

 

4、伽利略系统。伽利略系统具有最先进的纸面设计,就实际发射的几颗卫星看来,实际性能也将会很出色。Galileo拥有先进的新信号体制,从一开始就处在技术新高度上,不用兼容老产品。Galileo拥有一个达到51MHz带宽民用信号……所谓信号带宽太大会增加接收机成本到不可接受是基于上世纪的电子技术,现在这种技术问题已经不复存在。这些信号将提供超越GPS的民用定位性能。无奈在欧盟缺钱,卫星星座迟迟无法布满,组网进度似乎已被北斗赶超。倒是接收机厂商动作很快,卫星没发齐接收机到处都有了,和卫星打齐了没有接收机的irnss形成鲜明对比。

 

5、QZSS系统。QZSS是日本的准天顶系统,它是GPS的增强系统。预计发射三颗卫星,现在发射了一颗。所谓“准天顶”,就是通过规划一个斜的8字轨道,让系统的三颗卫星三班倒,在日本本土,任何时间总有一颗位于接近90度仰角的天顶位置。在日本高楼林立的街道上,这颗卫星可以提供良好的可见性,提供GPS增强信息,弥补SBAS系统仰角低,可见性不好的缺点。

 

6、IRNSS系统。印度发展的区域导航系统,和北斗类似,拥有3颗GEO和4颗IGSO卫星。目前已经完成组网,但支持的设备真心少。理论上在我国西部可以利用它定位。它基本采用和GPS一致的体系,特色在于,其他的系统,包括GPS、GLONASS、北斗、伽利略、QZSS、SBAS,都只在L波段(1.2GHz)播发信号,而IRNSS拥有目前世界唯一一个S波段(2.4GHz)民用导航信号。在新的波段,电磁波传播具有不同的特性,值得研究。

 

7、SBAS系统。SBAS系统全称星基增强系统,它采用GEO卫星,用GPS L1和L5波段播发GPS广域差分修正信息,增强GPS的性能。它有不同国家运行的几个不同的系统组成,分别是

· 美国的WAAS(Wide Area Augmentation System)

· 俄罗斯的SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring)

· 欧洲的EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)

· 日本的MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System)

· 印度的GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation)

 

中国在早年也策划过类似的系统,但可能没有实施。他相当于GPS系统中的GEO卫星,起到的作用和北斗GEO卫星在北斗二代中的功能类似。有的卫星只能播发修正信息,有的还能参与定位。

 

最初美国搞WAAS的目的是希望让GPS增强到拥有在任何地方都可以引导飞机盲降的精度和可靠性,但这个目标比较难以实现。

 

GPS至今是卫星定位界的老大,他带了SBAS、QZSS几个小弟。我们可以把SBAS、QZSS看作GPS的辅助系统。

 

GLONASS是第二个全球覆盖的卫星导航系统,当之无愧的第二把金交椅。


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