北斗與GPS的區別詳解
北斗與GPS的區別詳解
 

更新時間:2016/1/13 15:24:19
 

本文分別從9個方面闡述北斗與GPS的技術區別:

1. 三頻信號

北斗使用的是三頻信號,GPS使用的是雙頻信號,這是北斗的后發優勢。雖然GPS從2010年5月28日發射了第一顆三頻衛星,但等到GPS衛星全部老化報廢更換為三頻衛星還好幾年。這幾年就是北斗的優勢期。三頻信號可以更好的消除高階電離層延遲影響,提高定位可靠性,增強數據預處理能力,大大提高模糊度的固定效率。而且如果一個頻率信號出現問題,可使用傳統方法利用另外兩個頻率進行定位,提高了定位的可靠性和抗干擾能力。北斗是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。

2. 有源定位及無源定位

有源定位就是接收機自己需要發射信息與衛星通信,無源定位不需要。北斗一代的有源定位,有源定位技術只要兩顆衛星就可以完成定位,但需要信息中心DEM(數字高程模型)數據庫支持并參與解算。它在北斗二代上被保留下來,但不作為主要的定位方式。而北斗二代使用的是無源定位,和GPS是一樣的,不需要信息中心參與解算,有源定位則作為補充功能。

這個功能的好處是當你觀測的衛星質量很差,數量較少時(理論上,無源定位至少要4顆衛星才能解算 XYZ 和時間四個未知參數,實際需要的更多),仍然可以定位。這個功能對于緊急情況會比較有用,比如在山谷中,觀測條件非常差,能知道大概位置也是非常重要的。壞處是在戰爭中會暴露你的位置信息。

需要信息中心參與解算是因為"“資源有限”,比如,某北斗一代手持機,每 60秒可以定位一次,不能頻繁定位,以保證信息中心不能過載。但是北斗一代不能民用的主要原因卻不是因為這個。

北斗一代稱為北斗衛星實驗系統(RDSS),北斗二代稱為北斗衛星導航系統(RNSS),“一代,二代”是為方便稱呼。從名字上就可以知道,北斗一代只是做個內部實驗而已,檢驗一下ag88旗艦的理論、技術是否可行,定位精度如何,再進行后續改進,設計的初衷根本沒打算民用啊。

3. 短報文通信服務

這個是中國衛星導航的原創功能,并且非常實用。08年汶川地震的時候,震區唯一的通訊方式就是北斗一代。這一特色功能毫不意外在二代中保留下來。但是這個功能也是有容量限制的,所以并不適合作為日常通信功能,而是作為緊急情況通信比較合適。基于這個功能,北斗還有一個好處是,不但能知道我在哪,還能讓別人知道你在哪。這個功能有利于求救。

4. 境內監控

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衛星定位系統一般由三部分組成:空間星座部分,地面監控部分和用戶接收機部分。其中,地面地面監控部分又由三大部分組成:監控站,主控站,注入站。

GPS系統在全球建 5個監控站,1個主控站和3個注入站以保證衛星運行,這些站都設在美國國土上,并且在全球分布很均勻。包括美洲大陸的美國本土,太平洋的關島和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亞以及大西洋的阿森松群島。中國沒法把監控站建到全球,所以中國在設計北斗系統時必須考慮到,地面監控部分只建在中國境內,就能夠保證整個系統的正常運行。在境外建站也不是不可以,只是就算建了,也只起到提高精度的作用,絕對不能作為控制功能。這本來是北斗的劣勢,境內監控是被逼出來的,沒有其他選項,但現在成了北斗的安全優勢,不用受制于其他國家。

如今中國境外的首個陸地遙感衛星數據接收站 “北極站 ”,將于今年在瑞典開工建設,預計兩年建成。中國將在南美洲的阿根廷建造首個境外衛星跟蹤站。從南美到北極,中國衛星產業開啟全球化模式。

5. 分步開通

GPS必須整個系統建成后才能使用。目前北斗的14顆在軌衛星使用了5顆地球靜止軌道(GEO)衛星,5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星,4顆中高度圓軌道(MEO)衛星。北斗的星座方案來之不易,許院士說當時有幾個方案參與競爭,光是方案的修改論證就持續了整整三年,最后確定的這個方案不敢說沒有缺點,但絕對是所有方案里最好的一個。言歸正傳,北斗衛星導航系統在這個創新的空間星座支持下,僅僅發射了16顆衛星,就于2012年12月27日在亞太地區正式開通運行。這有利于加快北斗的商用進程,有利于對后續的系統做進一步改進,有利于加快北斗產業鏈的成熟。畢竟北斗的最大市場肯定是中國嘛,先讓北斗系統在亞太地區發展幾年,讓芯片成熟幾年,想推廣到全球的時候也會相對容易。而且亞太地區的衛星利用效率肯定也更高,更值得優先投資。

6. 局部加強,逐步成熟

理論上 GPS在全球的定位精度是相當的。北斗系統針對中國及其周邊地區是特別加強過的,在國內衛星的幾何條件比較好。單點定位的精度取決于兩個方面:一是觀測量精度,二是所觀測衛星的空間幾何分布。導航中用精度衰減因子 DOP 來表示衛星空間圖形的貢獻,包括:空間精度衰減因子GDOP 、位置精度衰減因子PDOP、時間精度衰減因子TDOP、平面精度衰減因子HDOP、垂直精度衰減因子VDOP、相對定位幾何精度衰減因子RDOP。隨著北斗全球系統逐漸成熟,DOP 越來越小,它在中國及周邊地區的定位精度超過GPS也只是時間問題。“逐步成熟 ” 并不是一個托詞,而是技術、理論上的進步。

(1)衛星數量增加。GPS設計使用21+3顆衛星,即21顆工作衛星,3顆備用衛星。目前GPS實際已經使用了32顆衛星,衛星數量越多,就會得到越多的冗余數據,數據就越可靠,DOP值越小。北斗現在只有16顆,等北斗衛星的數量越來越多,也會得到更多觀測數據,精度提升是必然的了。目前北斗芯片一般會支持 GPS,可能存在以下原因,第一是補充北斗系統的精度,第二是為了開拓市場(剛開始只支持北斗沒人用啊)。這樣的話芯片更復雜,功耗更高,開發難度更大。但也不能說全是壞處,目前兼容不同系統也是行業發展的趨勢,GLONASS芯片一般也要兼容GPS,北斗芯片也有支持GLONASS甚至三個系統的。兼容系統,數據冗余更多了,精度更高,DOP小,這項功能做好了也會成為中國芯片廠商的優勢。
補充一下,目前魅族MX4,MX4pro,小米4,華為G7,三星S5,NOTE4現在均已支持 GPS、GLONASS、北斗。可以看到,兼容三大導航系統已經是大勢所趨,相信在不久的將來,兼容北斗的終端將會越來越多。

(2)改正模型優化。與信號傳播路徑有關的誤差有:對流層折射誤差,電離層折射誤差延遲誤差,多路徑效應,地球自轉效應誤差。這些誤差是沒辦法完全消除的,只能不斷減小。用于改進電離層折射誤差延遲誤差的Klobuchar模型就是根據長時間氣象觀測數據,構造出電離層折射隨時間變化的經驗公式。說白了就是猜出來的,不過是有水平,有數據支持,聰明的猜,才出來后進行試驗驗證,好用就留著,不好用就繼續改。全球不同地區的電離層對流層都是不同的,這些公式是根據國外的觀測數據構造的,用在中國自然會差一些,ag88旗艦需要給北斗更多的時間累計觀測數據,等待開發或優化更多的適合中國地區的改正模型。

(3)衛星軌道精度提高。衛星的實際運行軌道肯定與設計軌道有一定的差距。偽距定位的原理是:采用距離后方交會的方法確定接收機天線的三維坐標。只有衛星軌道精度提高了定位精度才會高。衛星的軌道是通過監控站的觀測數據擬合出來的,觀測時間越久,累積的數據越多,擬合的軌道越精確。北斗缺少國外的觀測數據,所以軌道精度在亞太地區較高,在國外的軌道精度會比較差。彌補這個缺陷也需要給北斗時間。再提一下地球靜止軌道(GEO)衛星。GEO衛星相對地球做不到完完全全的靜止,會有一定的漂移。而地球同步軌道只有一個,資源非常稀缺,國際上把這個軌道劃分成了一小段一小段的圓弧,衛星只能在分配的范圍內移動,否則可能與其他衛星相撞,所以每隔一段時間就需要調整GEO衛星位置。目前調整北斗采用的是脈沖式,只能按整次數來調整衛星的位置,不能是零點幾次,所以可能出現多一次嫌多,少一次不足的情況。在后續發射的GEO衛星,調整衛星會改用連續式,想噴多少就噴多少,增強衛星控制能力與精度。一旦進行調整,之前的觀測數據就會作廢,需要重新累積數據。在調整衛星期間,那顆衛星處于失效狀態,因為ag88旗艦不知道它的具體位置,需要幾天時間來重新定軌。但好在GEO衛星數量比較少(5顆),定軌比其他兩種衛星容易一些,速度也比較快一些。其他兩種衛星不存在這種情況,觀測時間久了,擬合的軌道精度自然就提高了,直到它耗盡為止。

7. 定位精度

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北斗系統定位精度由水平25m、高程30m,提高至目前水平10m、高程10m,測速精度由每秒 0.4米,提高至0.2m,受時精度優于20ns,目前在中國及周邊地區,北斗系統服務性能與GPS相當。 許院士講座時說,他們的實測精度(按中誤差算)可以達到水平 4—5m,高程 5-6m的精度水平。許院士表示,北斗在剛投入使用就能達到如此精度,這連他們設計北斗系統的時候都沒想到,已經非常滿意了,而且北斗還有很大進步空間,精度還能進一步提高。

上述10m的精度,很多人認為應該是對亞太地區的平均精度。需要注意的是,北斗的平面精度與高程精度是基本相當的,而GPS系統的水平精度確實不錯,但是它的高程精度是軟肋,比水平精度差得比較多,一般1.5倍到2倍。

GPS定位精度可以達到mm級,這是能實現的,但是不能脫離限制條件而談。衛星定位方法有很多種形式,如果按用戶衛星測量設備在作業中的狀態,可分為靜態定位與動態定位,若按參考點的位置不同,可分為絕對定位和相對定位。差分技術是基于同步同軌性原理,使用已知點的基準站,計算出改正信息,再發送給流動站,進而改正流動站的瞬時位置。這是針對動態測量的技術,把定位精度由10-40m 提高到小于3m。精度達到mm級應該是靜態的長時間的優質觀測條件下的絕對定位。具體解釋一下,靜態,就是要專門建一個房子,專門建一個固定觀測墩,這時三腳架精度已經不夠,而且還容易被移動。長時間,就是24小時,365天不間斷觀測,這就肯定要保證有電源,而且要求還很高,不能斷電,備用電源神馬的一定要有。優質觀測條件,就是要沒有電磁干擾,沒有高達建筑遮擋,人不能隨意靠近GPS天線,附近不能有平靜水面(會有多路徑效應),沒有大的山坡。不可或缺的是一臺高精度,高穩定性,高品質的 GPS 接收機及其他附屬設施(保存、處理數據等功能)。要滿足這些條件只能遠離城市,在有一定條件的農村,建一個永久的高精度觀測站。不是隨隨便便就能滿足這樣苛刻條件的,建設和運行成本都非常高。北斗要這么觀測,精度肯定也不是10m了,不要隨便道聽途說了一個數據就說比北斗強,請說明觀測條件。特別說明一下,GPS系統使用的是WGS-84坐標系,北斗使用的是CGCS2000坐標系,所以二者的數值不能直接進行比較,需要進行坐標轉換,而坐標轉換一般會帶來精度上的損失。精度是可以在各自坐標系下直接比較的,不用進行坐標轉換

8. 促進整個制造業的升級

(1)GPS的芯片那么好用,難道ag88旗艦北斗系統的芯片不好用就不去努力進步了嗎?答案肯定是否定。建成北斗系統,中國芯片廠商春天到了!雖然目前存在著差距,但是中國的芯片廠商終于可以有機會和國外的芯片廠商在北斗芯片上一較高低,這是完全有可能的。反倒是讓國內的芯片廠商生產 GPS 的芯片和國外廠商競爭,那才叫幾乎不可能。這就叫打破GPS的壟斷地位。專家預測,到2020年,僅北斗衛星導航市場將達到年產值4000億元人民幣,年復合增長率達到 40% 以上。
北斗很賺錢,國家給你創造機會了,這個錢要怎么拿,就看各自的本事了。看看全國遍地開花的北斗產業園就知道機會多難得。整個系統國家只負責空間星座和地面監控部分,這兩部分耗資巨大,技術要求高,且具有唯一性,系統性能指標主要取決于這兩部分。用戶接受設備部分則主要交給市場完成,這部分決定了導航系統的易用性,生態鏈的活力等,但這部分是人人都可以參與的,替代性非常強。不能提高自身競爭力的產品終究會被替換下場。

(2)北斗系統的精度不夠高很大一部分的原因是中國的原子鐘不行。衛星導定位中,時間系統有著極其重要的意義,在由跟蹤站對衛星進行定軌時,要求衛星位置的誤差小于1cm時,相應的時刻誤差應小于2.6μs(1微秒=10-6秒);如果要求測量的距離誤差小于1cm時,則信號傳播時間的測定誤差應小于 0.03ns(1納秒=10-9秒)。中國的原子鐘相對國外產品,體積大、質量重、精度還差了一個量級,這種高精尖的技術國外是對中國禁運的,ag88旗艦只能靠自己。為什么不行?因為有一段時間原子鐘是可以從國外買的,相比起自己研制成本還不高,質量很好,國內直接放棄研制原子鐘了。等中國說要建導航系統,國外立刻對中國實施禁運,中國這個時候才趕緊又開始原子鐘的研制工作,暫停研制這幾年對中國的原子鐘發展多可惜,本來技術雖然不算先進,但也勉強跟上世界潮流,現在卻拉下一大截,如果中國一直堅持自己研制原子鐘,現在的北斗系統精度更高。要不是北斗系統,中國的原子鐘技術更是悲劇了。

9. 建設速度塊

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歐洲早在1999年2月10日就提出建設GALILEO系統,在2005年發射了第一顆實驗衛星,2008年4月27日,發射第二顆實驗衛星,進度比最初的計劃推遲了整整五年,2012年10月發射第3第4顆衛星。這四顆衛星組成網絡,初步發揮地面精確定位的功能。

北斗的第一顆衛星在2007年4月14日發射升空,2012年10月25日第16顆北斗衛星發射,這是北斗區域網最后一顆衛星,北斗導航工程區域組網順利完成, 2013年12月27日正式發布了《北斗系統公開服務性能規范(1.0版)》和《北斗系統空間信號接口控制文件(2.0版)》兩個系統文件,這是北斗正式商用的標志,所有的廠商都可以根據這兩個文件來開發自己的產品。

北斗與GALILEO在使用頻率上是有競爭關系的(有重疊),根據“誰先使用誰先得”的國際法原則,中國在 2009 年發射三顆" 北斗 " 二代衛星,正式啟用該頻率,而歐盟連預定的三顆實驗衛星都沒有射齊。敗下陣來,失去對頻率的所有權。

上文列舉了北斗9點優勢,當然也沒有回避北斗的問題。除了國外監控站很少,優勢與劣勢并存的GEO衛星等,上面沒提到的有:

(1)衛星質量不高,壽命比較短。GPS 衛星的壽命一般在8年,北斗衛星的壽命在5年左右,已發射的16顆衛星中,已有2顆老舊衛星失效。替換衛星的工作都是國家完成的,完全不影響用戶使用。當前,這個問題基本解決了,新衛星壽命已經延長了。

(2)芯片價格較高。這是由于芯片的生產特點決定的,芯片在研發階段投入非常大,一旦研制成功,后續的生產成本就比較低了。北斗剛投入使用,用戶還比較少,所以價格高,等到大規模生產的時候,成本就被攤薄。

2014年11月17日至21日,國際海事組織(IMO)海上安全委員會第94次會議在英國倫敦召開,審議通過了對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函,標志著北斗衛星導航系統正式成為全球無線電導航系統的組成部分,取得面向海事應用的國際合法地位。北斗衛星導航系統成為繼全球定位系統(GPS)、格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)后的第三個全球衛星導航系統,服務世界航海用戶。這必將帶動北斗衛星導航系統在航海領域的國際化、產業化。獲得 IMO 認可后,我國將繼續全面推進國際電工委員會、國際航標組織、國際海事無線電技術委員會、國際電信聯盟等國際技術組織的標準、規范、指南文件的制定和修訂,以實現北斗系統進一步在國際海事領域的全方位應用。

 
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