2016-12-15 今日北斗
本文从九个方面大致描述了北斗与GPS的技术差异。通过阅读这篇文章，可以帮助你理清对北斗系统技术原理的理解。包括：1.三频信号2.主动定位和被动定位3.短消息通信服务4.国内监控5.分步激活6.部分加强逐步成熟7.定位精度8.推动整个制造业升级9.建设速度快。
北斗卫星建设是中国战略事业的重要组成部分。当然，国防和安全是建设北斗的最重要原因。在地理信息如此重要的战场上，必须拥有自己的知识产权和产品。虽然GPS在中国民用是免费的，但如果美国在战时关停或利用“SA政策”“操纵”GPS，对于当时依赖GPS的国家来说无疑是致命的。
北斗卫星始于1992年，2012年实现区域覆盖。可以说是亚洲国家提供服务，现在已经走出国门，受到东南亚国家的欢迎。本文旨在从技术角度仔细比较北斗和GPS的区别。
1个三频信号
北斗使用三频信号，而GPS使用双频信号，这是北斗的后发优势。虽然 GPS 在 2010 年 5 月 28 日发射了第一颗三频卫星，但距离所有 GPS 卫星都老旧报废并被三频卫星取代还需要几年的时间。这几年一直是北斗的主导时期。三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟的影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度定位效率。并且，如果一个频率信号出现问题照相侦察卫星的主要缺点是，可以使用其他两个频率的传统方法进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球首个提供三频信号服务的卫星导航系统。
2 主动定位和被动定位
主动定位是指接收器本身需要传输信息并与卫星通信，而被动定位则不需要。北斗一代主动定位，主动定位技术只需两颗卫星即可完成定位，但需要信息中心DEM（数字高程模型）数据库的支持并参与计算。它在北斗二代上被保留，但不是作为主要的定位方式。北斗二代采用被动定位，与GPS相同。不需要信息中心参与计算，主动定位作为辅助功能。
这个功能的好处是当你观察到的卫星质量很差，卫星数量很少时（理论上被动定位至少需要4颗卫星才能解决XYZ和时间这四个未知参数，而实际上需要更多），仍然可以定位。该功能在紧急情况下很有用，例如在山谷中，观察条件很差，知道大致位置也很重要。缺点是你的位置信息会在战争中泄露。
信息中心参与解决方案的需要是由于“资源有限”。比如北斗一代的手持设备可以每60秒定位一次，不能频繁定位，保证信息中心不会超载。但是北斗一代不能用于民用的主要原因却不是因为这个。
第一代北斗称为北斗卫星实验系统（RDSS），第二代北斗称为北斗卫星导航系统（RNSS）。 “第一代，第二代”是为了方便。听名字就知道，北斗一代只是一个内部实验，测试我们的理论和技术是否可行，定位有多准确，然后进行后续改进。设计初衷并非民用。
3 短信通讯服务
这是中国卫星导航独创的功能，非常实用。 2008年汶川地震时，震区唯一的通讯方式是北斗发电。第二代并没有意外保留此功能。不过这个功能也有容量限制，所以不适合作为日常通讯功能，而是作为应急通讯功能。基于这个功能，北斗还有一个优势，就是不仅知道我在哪里，还能让别人知道你在哪里。此功能对于寻求帮助很有用。
4 国内监控
卫星定位系统一般由三部分组成：空间星座部分、地面监测部分和用户接收部分。其中，地面监测部分由监测站、主控站和注入站三部分组成。
GPS系统在全球建设5个监测站、1个主控站和3个注入站，保障卫星运行。这些站点都位于美国境内照相侦察卫星的主要缺点是，在全球范围内均匀分布。包括美利坚合众国大陆、太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭戈以及大西洋的阿森松群岛。中国不可能在全世界都建监测站，所以在设计北斗系统时，中国必须考虑到地面监测部分只建在中国，以保证整个系统的正常运行。在海外建站也不是不可能，但就算建了，也只会起到提高精度的作用，绝不能作为控制功能。这本来就是北斗的劣势。国内监控被迫退出，别无选择，现在却成了北斗的安全优势，不受制于其他国家。
现在中国境外首个陆基遥感卫星数据接收站“北极站”将于今年在瑞典开工建设，预计两年内建成。中国将在南美阿根廷建设首个海外卫星跟踪站。从南美到北极，中国卫星产业走上了全球化模式。
分五步打开
在构建整个系统之前无法使用 GPS。目前，北斗14颗在轨卫星使用5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中高圆轨道（MEO）卫星。北斗星座计划来之不易。徐院士说，当时参加比赛的计划有好几个。该计划的修改和论证历时三年。最终的方案并不是说没有缺点，但绝对是所有方案中最好的。好一个。言归正传，在这个创新空间星座的支持下，北斗卫星导航系统在仅发射了16颗卫星后，于2012年12月27日在亚太地区正式启动。这有利于加快北斗商用进程，进一步完善后续体系，加速北斗产业链成熟。毕竟，北斗最大的市场一定是中国。让北斗系统在亚太地区发展几年，让芯片成熟几年。将其推广到世界会相对容易。而且，亚太地区的卫星利用效率肯定更高，更值得优先投资。
6局部强化，逐渐成熟
理论上，GPS的全球定位精度是相当的。北斗系统针对中国及周边地区进行了特别强化，国内卫星几何条件相对较好。单点定位精度取决于两个方面：一是测量精度，二是观测卫星的空间几何分布。在导航中，卫星空间图形的贡献用精度衰减因子DOP来表示，包括：空间精度衰减因子GDOP、位置精度衰减因子PDOP、时间精度衰减因子TDOP、平面精度衰减因子HDOP、垂直精度衰减因子VDOP、相对定位几何精度系数 RDOP 减小。随着北斗全球系统逐渐成熟，DOP越来越小，其定位精度超过中国及周边地区的GPS只是时间问题。 “逐渐成熟”不是借口，而是技术和理论的进步。
(1）卫星数量增加。GPS设计使用21+3颗卫星，即21颗工作卫星和3颗备用卫星。目前GPS实际使用了32颗卫星。冗余数据越多你得到，数据越可靠，DOP值越小。现在北斗卫星只有16颗，随着北斗卫星数量的增加，会得到更多的观测数据，精度的提高是必然的。目前北斗芯片普遍支持GPS，可能有以下几个原因，一是补充北斗系统的精度，二是开拓市场（只支持北斗，刚开始没人用）。 , 芯片更复杂, 功耗更高, 开发难度更大. 但不能说全是缺点. 目前, 兼容不同系统也是一个行业发展趋势. GLONASS芯片普遍兼容GPS ， 和北斗芯片还支持GLONASS甚至三系统。系统兼容，数据冗余更多 精度更高，DOP更小。这个功能做得好，将成为中国芯片厂商的优势。
另外，目前魅族MX4、MX4pro、小米4、华为G7、三星S5、NOTE4均支持GPS、GLONASS、北斗。可见，兼容三大导航系统是大势所趋。相信在不久的将来，兼容北斗的终端会越来越多。
(2）修正模型优化。与信号传播路径有关的误差包括：对流层折射误差、电离层折射误差延迟误差、多径效应、地球自转效应误差。这些误差不能完全消除，只能用于改善电离层折射误差延迟误差的Klobuchar模型，是根据长期气象观测数据，构造电离层折射随时间变化的经验公式。一个关卡，有数据支持，做个聪明的猜测，出来后测试一下，好用就保留，不好用就继续改。世界不同地区的电离层和对流层不一样，这些公式都是根据国外的观测数据构建的优化或优化更多适合中国的修正模型。
(3）提高了卫星轨道的精度。卫星实际运行的轨道与设计的轨道必须有一定的差距。伪距定位的原理是：距离切除的方法用于确定接收天线的三维坐标，只有提高卫星轨道精度，定位精度才会高。卫星轨道是由监测站的观测数据拟合的，观测时间越长，积累的数据越多，拟合的轨道越准确，北斗缺乏国外的观测数据，所以亚太地区的轨道精度比较高，国外的轨道精度会比较差。这个缺陷，需要给北斗时间。再说地球静止轨道（GEO）卫星，GEO卫星相对于地球不可能完全静止，会有一定的漂移吨。但是，地球同步轨道只有一个，资源非常稀缺。国际上将此轨道划分为一个小弧线，卫星只能在分配的范围内移动，否则可能与其他卫星同相。因此，每隔一段时间就需要调整GEO卫星的位置。目前北斗是以脉冲方式调整的，卫星的位置只能整次调整，而不是十分之几，所以可能会出现多一倍多，少一倍不足的情况。在随后的GEO卫星发射中，卫星的调整将改为连续方式，可随意喷洒，增强卫星控制能力和精度。一旦进行调整，之前的观测数据将失效，需要重新积累数据。在卫星调整过程中，那颗卫星处于故障状态，因为我们不知道它的具体位置，需要几天时间才能重新入轨。但好在GEO卫星的数量比较少（5颗），而且定轨比其他两颗卫星更容易、更快。其他两颗卫星的情况并非如此。经过长时间的观察，拟合的轨道精度自然会提高，直到用完为止。
7定位精度
北斗系统的定位精度从水平25m、高程30m提升到目前的10m、10m高程水平。测速精度从每秒0.4m提高到0.2m，授时精度优于20ns，目前在中国及周边地区，北斗系统服务性能堪比GPS 徐院士在讲座中表示，他们的实际测量精度（按中等误差计算）可以达到水平4-5m，高程5-6m的水平。徐院士表示，北斗在投入使用时能够达到这样的精度，这是他们在设计北斗系统时没有想到的。他们已经很满意了，北斗还有很大的提升空间，准确率还可以进一步提升。
上面提到的10m精度被很多人认为是亚太地区的平均精度。需要注意的是，北斗的平面精度和仰角精度基本相当，GPS系统的水平精度确实不错，但是它的仰角精度是一个弱点，比水平精度差很多，一般1. 5次到2次。
GPS定位精度可以达到毫米级，这是可以实现的，但不能超出限制讨论。卫星定位方法有多种形式。根据用户卫星测量设备在运行中的状态，可分为静态定位和动态定位。如果参考点的位置不同，可以分为绝对定位和相对定位。差分技术是基于同步同轨原理，利用已知点的参考站，计算出改正信息，然后发送给流动站，对流动站的瞬时位置进行修正。这是一种动态测量技术，将定位精度从10-40m提高到3m以下。达到毫米级的精度应该是静态长期高质量观测条件下的绝对定位。详细解释一下，静态就是建房子和固定的观景台。这时候三脚架的精度不够，容易移动。很长一段时间，也就是24小时，365天不间断的观察，这必须保证有电源，而且要求还是很高的，一定要有后备电源。高质量的观测条件是没有电磁干扰，没有高层建筑，没有人可以随意接近GPS天线，附近没有平静的水面（会有多径效应），没有大的山坡。不可或缺的是高精度、高稳定性、高质量的GPS接收机等辅助设施（数据保存、处理等功能）。为了满足这些条件，我们只能远离城市，在具备一定条件的农村建设永久性高精度观测站。满足如此苛刻的条件并不容易，而且建设和运营成本非常高。北斗这样观察，精度肯定不是10m。不要道听途说比北斗强，请说明观察条件。特别是GPS系统使用WGS-84坐标系，北斗使用CGCS2000坐标系，所以两者的数值不能直接比较，需要进行坐标转换，而坐标转换一般会带来损失准确性。精度可以直接在各自的坐标系中进行比较，无需坐标转换。
8促进整个制造业升级
(1）GPS芯片这么好用，不好用的北斗系统芯片为什么不努力改进呢？答案肯定是否定的。北斗系统成功后建成了，中国芯片厂商的春天来了！虽然目前还存在差距，但中国芯片厂商终于可以有机会在北斗芯片上与国外芯片厂商竞争，这是完全有可能的。而是让国内芯片厂商生产GPS芯片要与国外厂商竞争，那这叫几乎不可能。这叫打破GPS垄断。专家预测，到2020年，仅北斗卫星导航市场就将达到4000亿元的年产值，复合年增长率超过40%。
北斗很赚钱，国家给你创造了机会。这笔钱怎么拿，就看你的能力了。看看遍地开花的北斗工业园，就知道机会是多么难得。整个系统国家只负责空间星座和地面监测部分，成本高，技术要求高，独树一帜。系统性能指标主要取决于这两部分。用户对设备的接受程度主要留给市场。这部分决定了导航系统的易用性和生态链的活力。不过这部分人人都可以参与，代入感很强。无法提升竞争力的产品，终将被取代。
(2）北斗系统精度不够高的很大一部分原因是中国的原子钟不好。在卫星导航定位中，时间系统意义重大。当卫星位置误差要求小于1cm，对应的时间误差应小于2.6μs（1微秒=10-6秒）；如果需要测量的距离误差小于1cm ，信号传播时间的测量误差应小于0.03ns（1纳秒=10-9秒）。与国外产品相比，中国的原子钟体积更大，重量更重，精度较低一个数量级。国外这种高精度的技术对中国来说非常重要。对于禁运，我们只能靠自己。为什么不呢？因为原子钟可以从国外购买一段时间。与我们相比自己开发，成本不高，质量很好，所以我们有放弃了中国原子钟的发展。等中国说建成导航系统后，外国立即对中国实施禁运。中国在这个时候匆忙开始了原子钟的研发。可惜的是，中国原子钟的发展已经暂停了好几年。虽然技术不先进，但也勉强跟上世界的步伐。现在趋势已经被拉低了很多。如果中国坚持研制自己的原子钟，现在的北斗系统会更加精准。如果没有北斗系统，中国的原子钟技术会更加惨烈。
9个施工速度方块
欧洲早在1999年2月10日就提出建造GALILEO系统，并于2005年发射第一颗实验卫星。2008年4月27日，第二颗实验卫星发射。与原计划相比，进度有所延迟。整整五年后，第三、四颗卫星于2012年10月发射升空。这四颗卫星组成一个网络，初步发挥地面精确定位的功能。
第一颗北斗卫星于2007年4月14日发射，第16颗北斗卫星于2012年10月25日发射。这是北斗区域网的最后一颗卫星。北斗导航工程区域网络成功建立。完成，2013年12月27日，《北斗系统开放服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统正式发布文件，是北斗官方的商业标志，所有厂商都可以根据这两个文件开发自己的产品。
北斗和伽利略在使用频率上处于竞争关系（有重叠）。按照“谁先用谁先服务”的原则，中国于2009年发射了三颗“北斗”二代卫星，正式发射卫星。频率，欧盟甚至未能发射三颗预定的实验卫星。迷失方向并失去对频率的所有权。
北斗的9分优势就在上面，当然也不能回避北斗的问题。除了GEO卫星国外监测站少、优劣并存外，以上未提及的有：
(1）卫星质量不高，寿命比较短。GPS卫星寿命一般8年，北斗卫星寿命5年左右。16颗卫星中拥有已发射，2颗老卫星出现故障，更换卫星的工作由国家完成，完全不影响用户使用，目前这个问题已经基本解决，新卫星的寿命已延长。
(2）芯片的价格偏高。这是由于芯片的生产特性。芯片在研发阶段的投入非常大。一旦开发成功，后续的生产成本相对较低，北斗刚刚投入使用，用户还很少，所以价格偏高，量产时成本会被摊薄。
2014年11月17日至21日，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第94次会议在英国伦敦召开，会议审议通过了《北斗导航卫星系统识别航行安全通函》该导航系统已正式成为全球无线电导航系统的组成部分，并获得了海事应用的国际法律地位。北斗卫星导航系统已成为继全球定位系统（GPS）和GLONASS之后的第三个全球卫星导航系统，服务于世界海洋用户。这必将推动北斗卫星导航系统在导航领域的国际化和产业化。获得IMO批准后，我国将继续全面推进国际电工委员会、国际助航组织、国际海事无线电技术委员会、国际海事无线电技术委员会等国际技术组织的标准、规范和指导性文件的制定和修订工作。国际电信联盟，以实现北斗系统的进一步国际化。在海事领域的全方位应用。
