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北斗 PK GPS,定位到底誰更強?

發布時間:2018-04-12 17:02 來源:科普中國-科普融合創作與傳播

  看了文章《你早已用上了北斗,自己都不知道!》,不少小伙伴才恍然大悟,原來北斗早就深入了日常生活。

  不過新的問題又來了:北斗跟GPS比,到底誰更強?北斗到底能不能“甩開”GPS,獨立定位?

  北斗 PK  GPS,誰能嬴?

  作為GNSSGlobal Navigation Satellite System全球導航衛星系統) 俱樂部的一員,導航定位是基本功能。先來看看,定位功能是怎么比較的:

  接收機使用衛星定位的過程可以在二維抽象成在一個黑板上選至少四個點(衛星),以每個點為圓心,分別用粉筆畫圓(接收機測量的到衛星距離),這些粉筆跡的重疊區域就是定位的結果。因為各種誤差的存在,對每顆衛星測距的結果更像是一條粉筆畫出來的帶,而不是一條沒有寬度的線。

  粉筆的粗細受各種誤差機制的影響,北斗和GPS比較,主要是星上原子鐘的精度不同,北斗二代使用的是銣原子鐘,GPS使用的是銫原子鐘組合銣原子鐘,在這點上是GPS更優,也就是粉筆跡更細一些。而現在北斗三代衛星使用的是氫原子鐘,頻率準確度由5×10-13提高到6×10-14,頻率穩定度由2×10-141d)提高到6×10-151d),相比二代衛星都提高了一個數量級,達到世界領先水平,定位精度也將進一步的提高。

  除了受粉筆粗細的影響,顯然畫圓的點越多,也就是衛星數越多,重疊區域也就越小,也就是定位越精確,但是,如果這些點都在一側集中,甚至重疊的話,它們畫出的粉筆跡的重疊區域會變得很大,反之這些點越分散,畫出的粉筆跡重疊度也就越低,也就表示接收機得出的定位結果也就越精確。這個衡量位置分布的參數就是所謂的PDOP值,越低代表分布越佳,定位結果越精確。

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  北斗一代時候確實定位速度慢一些,精度差一些,怎么都十多年過去了還有人覺得北斗就是不好使,說什么“衛星少”、“還在建”、“精度比GPS差遠了”?

  其實從北斗二代開始,星座就是針對亞太地區設計的,不同于美國MEO為主的模式,采用了GEO+IGSO+MEO的模式。優點是用較少衛星快速在重點服務區域達到高精度,缺點是高緯度地區對GEO接收效果不好,精度因子值偏大,還有就是地球另外一邊收不到,隨著北斗衛星的增多,這些問題以后都會解決的。

  即便如此,在三代還沒用上的今天,看看現在的北斗精度如何吧,我們在中國最北邊選個點:

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  北緯52.4476°,夠北了吧,官方公布的北斗二代服務區域可是只在南北緯55°之間,這個位置一天24小時北斗衛星的可見性如何呢:

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  如圖可見,全天可用的仰角在10°以上的北斗衛星至少有8顆,誰說星少來著?

  對比現在GNSS俱樂部“一哥”GPS,在此地的衛星可見性:

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  是不是發現可見衛星數還不如北斗多?感覺是不是可以搞個諸如“GPS在中國被北斗完敗”的大新聞……

  當然,盲目自大也是不可取的,總有一些北斗各種“秒殺GPS”的假新聞,對于民眾認識北斗只有壞處沒有好處。除了使用自己導航系統的安全性以外,GNSS俱樂部四家誰也秒殺不了誰好嗎,前不久中美都簽了《北斗與GPS信號兼容與互操作聯合聲明》,互為備份多和諧……

  剛才說到北斗衛星數多,但是定位不能只看星數,吃星座設置的虧,這里收到的北斗GEO仰角太低,幾何分布不佳,所以精度因子要差:

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  北斗幾何精度因子最大達到6.0而且波動較大,相比來說GPS的最大也就4.4

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  這是因為北斗GEO衛星懸在赤道上方,在這里收到的仰角都不足30°,IGSO衛星軌道傾角55°,走到這也就到了“8”字型軌跡的頭了,所以1、4象限大部分區域基本就沒什么星,這些因素加起來,導致北斗的DOP值較大,不過滿足10m精度還是沒啥問題的。

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  所以你要非說在這里北斗不如GPS是可以勉強接受的,當然隨著三代組網,這點差距很快就沒了,多發幾顆MEO就好了……下邊是該地GPS的衛星軌跡分布:

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  接下來,咱在中國南方隨便選個點:

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  北緯26.6940°,東經109.9688°,這坐標目測是在湖南,這里北斗衛星可見性如何呢:

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  最少也有十顆星可見,再看看GPS的:

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  還是老樣子,南北差別不大,重點是DOP值,可以一戰否?北斗的DOP值如下:

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  最大不超過3.4,再看看GPS的:

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  可以忽略特別高的那點,基本還是在4.4以內,但是明顯北斗的更平滑!

  之所以能夠在全天各時段保持較好的位置分布,是因為在此可以穩定的接收到北斗GEO衛星和IGSO衛星信號,MEO衛星只占少數,而非像GPS全由MEO組成,隨著時間變化會不斷地更換參與定位的衛星,而北斗則少了在更換定位衛星的過程中帶來的計算結果跳變和低仰角時大量誤差的引入,衛星仰角越低時信號穿過的大氣越多,所引入的誤差也就越多,同時信號衰落也越多,受多徑等因素的影響也越大。

  在這里北斗的GEO衛星全天可視,IGSO衛星半程以上可視,而MEO衛星不在一個地方呆著,就是繞著地球轉它們自己的圈圈,因此它們會不斷地、一顆顆地重復從低仰角進入視野范圍,升到一定高度,再降低仰角離開視野范圍的循環過程。

  綜合這些因素后從定位精度上來看,北斗肯定是不比GPS差的。所以作為身在北方的工程師我要吐槽一下:現階段搞北斗的在廣東測試和在黑龍江測試完全是兩個概念好嘛,同樣的東西去海南測隨便都能過,去哈爾濱就很費勁了……等三代組網完了我們就不用再吃這個虧了。

  因此總體來看,在目前北斗二代服務區域內,北斗的全天可視星數超過GPS,在星座分布上大部分區域也優于GPS,但考慮到原子鐘精度差異和中高緯度星座分布等問題,說北斗與GPS不相上下還是靠譜的,也是符合實際測量結果的。但是現在三代組網建設正在進行中,北斗衛星數正穩定增加,而且最關鍵的原子鐘問題在三代上也解決了,到那時候咱就不用謙虛了!

  誰說北斗不能獨立定位?

  然而又有人懟我了:“GPS才是定位的主力,你家北斗只是用來給GPS湊數的,自己沒有獨立定位的能力,沒了GPS你家北斗啥也不是!钡鹊饶氵@說的是QZSS吧,不能獨立使用國家花錢搞這個干嘛?

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  道理很顯然,但是證明起來并不簡單,為啥?對于手機來說衛星接收通道硬件是客觀存在的,除非對外開放了芯片的底層控制指令,所謂“關GPS”并不是真正的關閉接收通道,只是不采信GPS定位結果,不能完全的確保要求驗證的“北斗能否獨立定位”,畢竟芯片的底層算法不可控啊,萬一設計導航芯片的人非要偷摸的用GPS引導怎么辦?

  證明方法就是借助一種特種微波暗室——GNSS測試暗室!

  GNSS測試暗室的原理與普通的微波暗室相似,都是屏蔽外邊的電磁波信號,暗室里發射的信號照到墻上不會有反射,只是重點防護的頻段不同。相比于測試雷達或者大型陣列天線的微波暗室,GNSS測試暗室凈區不用太大,因為GNSS接收機尺寸都不大,最重要的區別就是,GNSS導航信號模擬器,及成套測試評估系統,有了這套東西可以模擬地球上任意一點天空的GNSS衛星情況,想發什么信號就發什么信號,想發哪個位置就發哪的,想動就動,想停就停,并且能夠對被測設備的定位結果進行評估,給出權威的精度測試結果。

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  在暗室里可以保證只能收到北斗衛星信號,功率也是標校到與露天相一致的,能夠排除所有不可控因素,如果在這種情況下還能定位,那就可以證明該手機確有“北斗獨立定位”之能力。結果如何呢:

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  當然是沒什么懸念的啦:

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  收到十顆衛星全是北斗,9顆參與定位,沒有GPS,沒有可以輔助的,北斗衛星真的“獨立定位”了。北斗志在全球, 2020年北斗三代組網完成后,在這個星球上任意一個點,我們都可以依靠北斗獨立完成定位。

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編輯:王媛
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