北斗與GPS的九大技術(shù)區(qū)別，不看后悔

2017-02-22  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

北斗衛(wèi)星起步在1992年,在2012年實現(xiàn)區(qū)域覆蓋能力,可謂亞洲國家提供服務(wù),如今也已經(jīng)走出國門,受到東南亞國家的歡迎。本文大致從9個方面闡述了北斗與GPS的技術(shù)區(qū)別,讓你對北斗系統(tǒng)技術(shù)原理有一個比較完整的認知。通過閱讀本文,可以幫你梳理對北斗系統(tǒng)技術(shù)原理的認知。

北斗衛(wèi)星起步在1992年,在2012年實現(xiàn)區(qū)域覆蓋能力,可謂亞洲國家提供服務(wù),如今也已經(jīng)走出國門,受到東南亞國家的歡迎。本文大致從9個方面闡述了北斗與GPS的技術(shù)區(qū)別,讓你對北斗系統(tǒng)技術(shù)原理有一個比較完整的認知。

本文大致從9個方面闡述了北斗與GPS的技術(shù)區(qū)別。通過閱讀本文,可以幫你梳理對北斗系統(tǒng)技術(shù)原理的認知。

包括:

三頻信號;

有源定位及無源定位;

短報文通信服務(wù);

境內(nèi)監(jiān)控;

分步開通 ;

局部加強,逐步成熟;

定位精度;

促進整個制造業(yè)的升級;

建設(shè)速度快。

北斗衛(wèi)星建設(shè)是中國戰(zhàn)略事業(yè)重要的一環(huán)。當然,國防安全是建設(shè)北斗最重要的原因。在地理信息如此重要的戰(zhàn)場,必須握有自己的知識技術(shù)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品。雖說GPS的民用在中國是免費的,但是如果戰(zhàn)時美國關(guān)閉或者利用其“SA政策”對GPS“做手腳”,那么對到時依賴GPS的國家來說,無疑是致命的。

北斗衛(wèi)星起步在1992年,在2012年實現(xiàn)區(qū)域覆蓋能力,可謂亞洲國家提供服務(wù),如今也已經(jīng)走出國門,受到東南亞國家的歡迎。本文旨在從技術(shù)角度上仔細比較北斗和GPS的區(qū)別。

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(fā)優(yōu)勢。雖然GPS從2010年5月28日發(fā)射了第一顆三頻衛(wèi)星,但等到GPS衛(wèi)星全部老化報廢更換為三頻衛(wèi)星還好幾年。這幾年就是北斗的優(yōu)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(shù)據(jù)預(yù)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(xiàn)問題,可使用傳統(tǒng)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(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

有源定位就是接收機自己需要發(fā)射信息與衛(wèi)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(shù)只要兩顆衛(wèi)星就可以完成定位,但需要信息中心DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)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(wèi)星質(zhì)量很差,數(shù)量較少時(理論上,無源定位至少要4顆衛(wèi)星才能解算 XYZ 和時間四個未知參數(shù),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(zhàn)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(wèi)星實驗系統(tǒng)(RDSS),北斗二代稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(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(nèi)部實驗而已,檢驗一下我們的理論、技術(shù)是否可行,定位精度如何,再進行后續(xù)改進,設(shè)計的初衷根本沒打算民用啊。

這個是中國衛(wèi)星導(dǎo)航的原創(chuàng)功能,并且非常實用。08年汶川地震的時候,震區(qū)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?；谶@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。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)一般由三部分組成:空間星座部分,地面監(jiān)控部分和用戶接收機部分。其中,地面地面監(jiān)控部分又由三大部分組成:監(jiān)控站,主控站,注入站。

GPS系統(tǒng)在全球建 5個監(jiān)控站,1個主控站和3個注入站以保證衛(wèi)星運行,這些站都設(shè)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(guān)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(jiān)控站建到全球,所以中國在設(shè)計北斗系統(tǒng)時必須考慮到,地面監(jiān)控部分只建在中國境內(nèi),就能夠保證整個系統(tǒng)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(nèi)監(jiān)控是被逼出來的,沒有其他選項,但現(xiàn)在成了北斗的安全優(yōu)勢,不用受制于其他國家。

如今中國境外的首個陸地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站 “北極站 ”,將于今年在瑞典開工建設(shè),預(yù)計兩年建成。中國將在南美洲的阿根廷建造首個境外衛(wèi)星跟蹤站。從南美到北極,中國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)開啟全球化模式。

GPS必須整個系統(tǒng)建成后才能使用。目前北斗的14顆在軌衛(wèi)星使用了5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星,5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星,4顆中高度圓軌道(MEO)衛(wèi)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(xù)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在這個創(chuàng)新的空間星座支持下,僅僅發(fā)射了16顆衛(wèi)星,就于2012年12月27日在亞太地區(qū)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(xù)的系統(tǒng)做進一步改進,有利于加快北斗產(chǎn)業(yè)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(tǒng)在亞太地區(qū)發(fā)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(qū)的衛(wèi)星利用效率肯定也更高,更值得優(yōu)先投資。

理論上 GPS在全球的定位精度是相當?shù)摹１倍废到y(tǒng)針對中國及其周邊地區(qū)是特別加強過的,在國內(nèi)衛(wèi)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(wèi)星的空間幾何分布。導(dǎo)航中用精度衰減因子 DOP 來表示衛(wèi)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(tǒng)逐漸成熟,DOP 越來越小,它在中國及周邊地區(qū)的定位精度超過GPS也只是時間問題?！爸鸩匠墒?” 并不是一個托詞,而是技術(shù)、理論上的進步。

(1)衛(wèi)星數(shù)量增加。

GPS設(shè)計使用21+3顆衛(wèi)星,即21顆工作衛(wèi)星,3顆備用衛(wèi)星。目前GPS實際已經(jīng)使用了32顆衛(wèi)星,衛(wèi)星數(shù)量越多,就會得到越多的冗余數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)就越可靠,DOP值越小。北斗現(xiàn)在只有16顆,等北斗衛(wèi)星的數(shù)量越來越多,也會得到更多觀測數(shù)據(jù),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(tǒng)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(fù)雜,功耗更高,開發(fā)難度更大。但也不能說全是壞處,目前兼容不同系統(tǒng)也是行業(yè)發(fā)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(tǒng)的。兼容系統(tǒng),數(shù)據(jù)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(yōu)勢。

補充一下,目前魅族MX4,MX4pro,小米4,華為G7,三星S5,NOTE4現(xiàn)在均已支持 GPS、GLONASS、北斗?？梢钥吹?兼容三大導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)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(yōu)化。

與信號傳播路徑有關(guān)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(yīng),地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)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(jù)長時間氣象觀測數(shù)據(jù),構(gòu)造出電離層折射隨時間變化的經(jīng)驗公式。說白了就是猜出來的,不過是有水平,有數(shù)據(jù)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(xù)改。

全球不同地區(qū)的電離層對流層都是不同的,這些公式是根據(jù)國外的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)造的,用在中國自然會差一些,我們需要給北斗更多的時間累計觀測數(shù)據(jù),等待開發(fā)或優(yōu)化更多的適合中國地區(qū)的改正模型。

(3)衛(wèi)星軌道精度提高。

衛(wèi)星的實際運行軌道肯定與設(shè)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(wèi)星軌道精度提高了定位精度才會高。衛(wèi)星的軌道是通過監(jiān)控站的觀測數(shù)據(jù)擬合出來的,觀測時間越久,累積的數(shù)據(jù)越多,擬合的軌道越精確。北斗缺少國外的觀測數(shù)據(jù),所以軌道精度在亞太地區(qū)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(wèi)星。GEO衛(wèi)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(wèi)星只能在分配的范圍內(nèi)移動,否則可能與其他衛(wèi)星相撞,所以每隔一段時間就需要調(diào)整GEO衛(wèi)星位置。

目前調(diào)整北斗采用的是脈沖式,只能按整次數(shù)來調(diào)整衛(wèi)星的位置,不能是零點幾次,所以可能出現(xiàn)多一次嫌多,少一次不足的情況。在后續(xù)發(fā)射的GEO衛(wèi)星,調(diào)整衛(wèi)星會改用連續(xù)式,想噴多少就噴多少,增強衛(wèi)星控制能力與精度。

一旦進行調(diào)整,之前的觀測數(shù)據(jù)就會作廢,需要重新累積數(shù)據(jù)。在調(diào)整衛(wèi)星期間,那顆衛(wèi)星處于失效狀態(tài),因為我們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(wèi)星數(shù)量比較少(5顆),定軌比其他兩種衛(wèi)星容易一些,速度也比較快一些。其他兩種衛(wèi)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。

北斗系統(tǒng)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(yōu)于20ns,目前在中國及周邊地區(qū),北斗系統(tǒng)服務(wù)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(shè)計北斗系統(tǒng)的時候都沒想到,已經(jīng)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(yīng)該是對亞太地區(qū)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?shù)?而GPS系統(tǒng)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(xiàn)的,但是不能脫離限制條件而談。衛(wèi)星定位方法有很多種形式,如果按用戶衛(wèi)星測量設(shè)備在作業(yè)中的狀態(tài),可分為靜態(tài)定位與動態(tài)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(shù)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(fā)送給流動站,進而改正流動站的瞬時位置。這是針對動態(tài)測量的技術(shù),把定位精度由10-40m 提高到小于3m。

精度達到mm級應(yīng)該是靜態(tài)的長時間的優(yōu)質(zhì)觀測條件下的絕對定位。具體解釋一下,靜態(tài),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(jīng)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(yōu)質(zhì)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(yīng)),沒有大的山坡。

不可或缺的是一臺高精度,高穩(wěn)定性,高品質(zhì)的 GPS 接收機及其他附屬設(shè)施(保存、處理數(shù)據(jù)等功能)。要滿足這些條件只能遠離城市,在有一定條件的農(nóng)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(shè)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(shù)據(jù)就說比北斗強,請說明觀測條件。特別說明一下,GPS系統(tǒng)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(shù)值不能直接進行比較,需要進行坐標轉(zhuǎn)換,而坐標轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

(1)GPS的芯片那么好用,難道我們北斗系統(tǒng)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(tǒng),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(nèi)的芯片廠商生產(chǎn) 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(yù)測,到2020年,僅北斗衛(wèi)星導(dǎo)航市場將達到年產(chǎn)值4000億元人民幣,年復(fù)合增長率達到 40% 以上。

北斗很賺錢,國家給你創(chuàng)造機會了,這個錢要怎么拿,就看各自的本事了?？纯慈珖榈亻_花的北斗產(chǎn)業(yè)園就知道機會多難得。整個系統(tǒng)國家只負責空間星座和地面監(jiān)控部分,這兩部分耗資巨大,技術(shù)要求高,且具有唯一性,系統(tǒng)性能指標主要取決于這兩部分。

用戶接受設(shè)備部分則主要交給市場完成,這部分決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的易用性,生態(tài)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(chǎn)品終究會被替換下場。

(2)北斗系統(tǒng)的精度不夠高很大一部分的原因是中國的原子鐘不行。

衛(wèi)星導(dǎo)定位中,時間系統(tǒng)有著極其重要的意義,在由跟蹤站對衛(wèi)星進行定軌時,要求衛(wèi)星位置的誤差小于1cm時,相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)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(yīng)小于 0.03ns(1納秒=10-9秒)。

中國的原子鐘相對國外產(chǎn)品,體積大、質(zhì)量重、精度還差了一個量級,這種高精尖的技術(shù)國外是對中國禁運的,我們只能靠自己。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(zhì)量很好,國內(nèi)直接放棄研制原子鐘了。

等中國說要建導(dǎo)航系統(tǒng),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(fā)展多可惜,本來技術(shù)雖然不算先進,但也勉強跟上世界潮流,現(xiàn)在卻拉下一大截,如果中國一直堅持自己研制原子鐘,現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)精度更高。要不是北斗系統(tǒng),中國的原子鐘技術(shù)更是悲劇了。

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

北斗的第一顆衛(wèi)星在2007年4月14日發(fā)射升空,2012年10月25日第16顆北斗衛(wèi)星發(fā)射,這是北斗區(qū)域網(wǎng)最后一顆衛(wèi)星,北斗導(dǎo)航工程區(qū)域組網(wǎng)順利完成, 2013年12月27日正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件(2.0版)》兩個系統(tǒng)文件,這是北斗正式商用的標志,所有的廠商都可以根據(jù)這兩個文件來開發(fā)自己的產(chǎn)品。

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

上文列舉了北斗9點優(yōu)勢,當然也沒有回避北斗的問題。除了國外監(jiān)控站很少,優(yōu)勢與劣勢并存的GEO衛(wèi)星等,上面沒提到的有:

(1)衛(wèi)星質(zhì)量不高,壽命比較短。

GPS 衛(wèi)星的壽命一般在8年,北斗衛(wèi)星的壽命在5年左右,已發(fā)射的16顆衛(wèi)星中,已有2顆老舊衛(wèi)星失效。替換衛(wèi)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(wèi)星壽命已經(jīng)延長了。

(2)芯片價格較高。

這是由于芯片的生產(chǎn)特點決定的,芯片在研發(fā)階段投入非常大,一旦研制成功,后續(xù)的生產(chǎn)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(guī)模生產(chǎn)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認可的航行安全通函,標志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式成為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分,取得面向海事應(yīng)用的國際合法地位。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為繼全球定位系統(tǒng)(GPS)、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)后的第三個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),服務(wù)世界航海用戶。這必將帶動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航海領(lǐng)域的國際化、產(chǎn)業(yè)化。

獲得 IMO 認可后,我國將繼續(xù)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(shù)委員會、國際電信聯(lián)盟等國際技術(shù)組織的標準、規(guī)范、指南文件的制定和修訂,以實現(xiàn)北斗系統(tǒng)進一步在國際海事領(lǐng)域的全方位應(yīng)用。

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