哪个更好--GLONASS、GPS或北斗?导航系统的主要区别

2022-10-26 13:09:55 来源:EETOP
注:该文编译自俄罗斯科技媒体cnews文章,所以文中的论述难免会更加偏向GLONASS。

原文链接:

https://zoom.cnews.ru/publication/item/64421

目前世界主流的导航系统包括:美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗以及欧洲的伽利略。

其中最早出现的是GLONASS和GPS,在上世纪中叶出现在苏联和美国,用于军事。几十年后,这些最初的军事发展几乎可以向地球上的每一个人提供服务。

本文内容包括:

  • 什么是 GLONASS 及其工作原理
  • GLONASS 在技术上与 GPS 有何不同
  • 导航系统伽利略和北斗
  • 如果一个导航系统被关闭会发生什么
  • 哪个导航系统更好 

什么是 GLONASS 及其工作原理

GLONASS(格洛纳斯)是俄罗斯制造的全球卫星导航系统。它自 1950 年代后期开始创建,但仅在 21 世纪零年代才在民用领域广泛使用。它目前属于俄罗斯联邦 

经常有人说“ GLONASS是GPS的类似物”,但事实并非如此。苏联科学家比美国人更早地开始创建卫星导航系统:在苏联,该技术的基础是在 1958 年开发的,而在美国,他们在 1959 年第一个人造地球发射后考虑使用航天器进行导航苏联的卫星。 

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格洛纳斯发展史

首先,让我们弄清楚如何使用 GLONASS 确定坐标。它是使用在地球上空约 19,000 至 20,000 公里的轨道上的几颗卫星组成的网络进行的。当您想知道自己的位置时,您的 GLONASS 设备将至少检测到其中四颗卫星。接下来,将测量来自卫星的信号到达您的设备所需的时间,然后计算到每个卫星的距离。由于卫星的坐标在任何时候都是已知的,因此这些距离可用于计算接收器的当前地理位置。

为了覆盖整个地球表面, GLONASS导航系统的轨道星座必须包括至少 24 颗卫星。有了这样的数字,至少有 4 个卫星位于每个用户的“可见性”区域。这就是确定对准确地理定位很重要的四个参数所需的时间:X 和 Y 坐标、Z 高度以及卫星时钟与用户设备时钟 之间的时差。

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导航系统的工作原理

在撰写本文时,GLONASS 轨道星座包括 26 颗卫星,其中一颗处于进入系统的阶段。

截至 22 年 7 月 14 日 GLONASS 航天器的当前位置

GLONASS 在技术上与 GPS 有何不同

GPS全称Global Positioning System,是美国开发的全球定位系统。它使用与 GLONASS 相同的定位原理。截至2022年6月,GPS星座共有31颗在用卫星。然而,GPS 和 GLONASS 一样,只有 24 颗卫星就足以覆盖整个地球。

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轨道群对比

GLONASS 和 GPS 系统之间存在很多技术差异,但其中绝大多数对普通用户来说并不重要。让我们详细讨论主要的,除了我们已经提到的卫星数量的差异:

  • 卫星的位置

    GLONASS 卫星放置在三个平面上,它们以 64.8° 的标称角度向赤道倾斜,并以 11 小时 15 分 44 秒的周期旋转。它们与地球的自转异步移动。这提供了一个稳定的轨道系统,与 GPS 轨道不同,它几乎不需要对航天器轨道进行校正。此外,即使将几颗卫星带出轨道,这也不会影响俄罗斯联邦领土上的导航可用性。反过来,GPS 卫星在六个平面上,倾斜约 55° 并同步转动——它们需要地面校正站来进行准确的地理定位。

  • 数据传输方法

    卫星传输的信息使用不同的协议进行加密:GLONASS 具有 FDMA,这是一种更耗能的协议,但具有更好的数据保护;GPS具有经济且安全性较低的CDMA

  • 定位误差

    对于 GLONASS,它是 3-6 m,对于 GPS,它是 2-4 m。 

  • 覆盖范围

    GLONASS 覆盖了俄罗斯联邦全境的 100% 和地球的 70%。另一方面,GPS 可以在任何地方工作,除了极圈附近的纬度 - 问题在于轨道的倾角。

事实上,对于普通用户来说,卫星运行的轨道和高度、地面跟踪站如何向他们传输信息、如何进行计算,这些都没有区别。他在确定地理位置时不需要“外科手术式”的准确性。然而,几米的误差对于民用和军用航空、大地测量学和制图学以及确定陆地边界可能具有决定性意义。在地面基础设施和更复杂的导航设备的帮助下,GLONASS 和 GPS 都可以提供精确到几毫米的坐标。

GLONASS 和 GPS 之间的主要区别:

系统

GLONASS

GLONASS

卫星高度

19100公里

20180公里

星座中的卫星数量

26

31

地理定位精度

2.5米

6–8м, <0.715м

第一次开始

1982年

1978年

导航系统伽利略和北斗

世界上还有其他导航系统。例如,伽利略欧盟和欧洲航天局所有。数十个国家正在参与该项目的开发,包括东南亚拉丁美洲的国家。顺便说一句,大部分伽利略卫星星座都是使用俄罗斯联盟号运载火箭发射到轨道上的。 

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伽利略系统的卫星高度为 23,222 公里

与 GLONASS 和 GPS 不同,伽利略不受任何州的国防部控制。同时,在欧盟立法层面,允许欧洲国家军队 在军事行动中使用该系统。

尽管做出了种种努力,但花了十多年的时间才部署完整的伽利略轨道星座,而且工作远未结束。部分卫星已停止服务,不在使用或在测试模式下运行。2019年夏天,发生了一次重大故障,在此期间,所有客户都无法获得伽利略导航信息,长达数天。最后,一个改进系统对黑客攻击的保护的项目拖了好几年。

中国开发的另一个大型卫星导航系统是北斗。组成中国的北斗卫星导航系统的卫星中,有5颗地球静止轨道卫星和30颗中高轨道卫星组成,其中30颗中高轨道卫星高度为2.13-2.15万千米。

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北斗卫星导航系统的研制

北斗系统具有以下特点:

一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显。

二是北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

俄罗斯航天局和中国卫星导航委员会目前正在努力确保北斗和GLONASS的互补性。两国专家承诺,在不久的将来,俄罗斯和中国的系统组合将在俄罗斯和中国提供更稳定的信号和更高的导航精度。

如果其中一个导航系统被关闭会怎样?

全球导航系统的排列方式是,在技术上不可能在个别国家的领土上完全禁用任何一个系统。即使是最近对美国和俄罗斯领土上建站的对等禁令,也只是让人无法测量到小于1分米的距离。美国站继续接收和转发GLONASS信号,而俄罗斯的基础设施则以GPS、伽利略和北斗导航数据等方式运行。

哪个导航系统更好 

说任何一个系统比另一个差或好是不正确的。

不同国家地面跟踪站的国家运营商指出,在某些纬度上,一个系统比另一个系统运行得更好。例如,在北纬地区,GLONASS 可能比 GPS 更准确,在南非纬度地区反之亦然。 效率取决于许多因素。

获得更高的坐标确定精度:

  • 使用支持两个或更多导航系统的设备时,例如 GLONASS + GPS + 北斗。这种“多系统”用于运输(飞机、公共汽车等)和关键基础设施

  • 使用能够接收和处理来自地面基础设施的附加校正信息的高精度专业设备时。 

  • 在适当的宽范围校正系统中使用“原生”设备时。也就是说,GLONASS - 在俄罗斯联邦和邻国以及北纬地区,北斗 - 在中国,伽利略     -在欧洲,GPS     - 在美国和赤道附近。


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