【導(dǎo)讀】北斗衛(wèi)星建設(shè)是中國戰(zhàn)略事業(yè)重要的一環(huán)。當(dāng)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。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(rèn)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(qiáng)，逐步成熟；
- 定位精度；
- 促進(jìn)整個制造業(yè)的升級；
- 建設(shè)速度快。
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(xì)比較北斗和GPS的區(qū)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(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(qiáng)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(jìn)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)。
2 有源定位及無源定位
有源定位就是接收機(jī)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(bǔ)充功能。
這個功能的好處是當(dāng)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(jī)，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(jìn)行后續(xù)改進(jìn)，設(shè)計的初衷根本沒打算民用啊。
3 短報文通信服務(wù)
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。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(nèi)監(jiān)控
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(jī)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。
5 分步開通
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(dāng)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(jìn)程，有利于對后續(xù)的系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)，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。
6 局部加強(qiáng)，逐步成熟
理論上 GPS在全球的定位精度是相當(dāng)?shù)摹１倍废到y(tǒng)針對中國及其周邊地區(qū)是特別加強(qiáng)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(xiàn)，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。“逐步成熟 ” 并不是一個托詞，而是技術(shù)、理論上的進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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。可以看到，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(jìn)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(jìn)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(jī)天線的三維坐標(biāo)。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(bǔ)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(qiáng)衛(wèi)星控制能力與精度。一旦進(jìn)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。
7 定位精度
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(dāng)。 許院士講座時說，他們的實測精度（按中誤差算）可以達(dá)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(dá)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(jìn)步空間，精度還能進(jìn)一步提高。
上述10m的精度，很多人認(rèn)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(dāng)?shù)模鳪PS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(dá)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(zhǔn)站，計算出改正信息，再發(fā)送給流動站，進(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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(yuǎn)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(qiáng)，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(biāo)系，北斗使用的是CGCS2000坐標(biāo)系，所以二者的數(shù)值不能直接進(jìn)行比較，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一般會帶來精度上的損失。精度是可以在各自坐標(biāo)系下直接比較的，不用進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
8 促進(jìn)整個制造業(yè)的升級
（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(jìn)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(jī)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(dá)到年產(chǎn)值4000億元人民幣，年復(fù)合增長率達(dá)到 40% 以上。
北斗很賺錢，國家給你創(chuàng)造機(jī)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(chǎn)業(yè)園就知道機(jī)會多難得。整個系統(tǒng)國家只負(fù)責(zé)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(biāo)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(qiáng)。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(jìn)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(jìn)，但也勉強(qiáng)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。
9 建設(shè)速度快
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(jìn)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(rèn)可的航行安全通函，標(biāo)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(rèn)可后，我國將繼續(xù)全面推進(jìn)國際電工委員會、國際航標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、指南文件的制定和修訂，以實現(xiàn)北斗系統(tǒng)進(jìn)一步在國際海事領(lǐng)域的全方位應(yīng)用。
(作者：Semi ,來源：知乎)
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