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1.三频信号
北斗使用的是三频信号,GPS使用的是双频信号,这是北斗的优势。虽然GPS从2010年5月28日发射了第一颗三频卫星,但等到GPS卫星全部老化报废更换为三频卫星还好几年。这几年就是北斗的优势期。三频信号可以更好的消除高阶电离层延迟影响,提高定位可靠性,增强数据预处理能力,大大提高模糊度的固定效率。而且如果一个频率信号出现问题,可使用传统方法利用另外两个频率进行定位,提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。
2.有源定位及无源定位
有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信,无源定位不需要。北斗一代的有源定位,有源定位技术只要两颗卫星就可以完成定位,但需要信息中心数据库支持并参与解算。它在北斗二代上被保留下来,但不作为主要的定位方式。而北斗二代使用的是无源定位,有源定位则作为补充功能。
这个功能的好处是当你观测的卫星质量很差,数量较少时,仍然可以定位。这个功能对于紧急情况会比较有用,比如在山谷中,观测条件非常差,能知道大概位置也是非常重要的。坏处是在战争中会暴露你的位置信息。
3.短报文通信服务
这个是中国卫星导航的原创功能,并且非常实用。08年汶川地震的时候,震区唯一的通讯方式就是北斗一代。这一特色功能毫不意外在二代中保留下来。但是这个功能也是有容量限制的,是作为紧急情况通信比较合适。基于这个功能,北斗还有一个好处是,不但能知道我在哪,还能让别人知道你在哪。这个功能有利于求救。
4 境内监控
卫星定位系统一般由三部分组成:空间星座部分,地面监控部分和用户接收机部分。其中,地面地面监控部分又由三大部分组成:监控站,主控站,注入站。
GPS系统在全球建 5个监控站,1个主控站和3个注入站以保证卫星运行,这些站都设在美国国土上,并且在全球分布很均匀。包括美洲大陆的美国本土,太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亚以及大西洋的阿森松群岛。中国没法把监控站建到全球,所以中国在设计北斗系统时必须考虑到,地面监控部分只建在中国境内,就能够保证整个系统的正常运行。这本来是北斗的劣势,境内监控是被逼出来的,没有其他选项,但现在成了北斗的安全优势,不用受制于其他国家。
5.分步开通
GPS必须整个系统建成后才能使用。目前北斗的14颗在轨卫星使用了5颗地球静止轨道卫星,5颗倾斜地球同步轨道卫星,4颗中高度圆轨道卫星。北斗卫星导航系统在这个创新的空间星座支持下,仅仅发射了16颗卫星,就于2012年12月27日在亚太地区正式开通运行。这有利于加快北斗的商用进程,有利于对后续的系统做进一步改 进,有利于加快北斗产业链的成熟。毕竟北斗的最大市场肯定是中国嘛,先让北斗系统在亚太地区发展几年,让芯片成熟几年,想推广到全球的时候也会相对容易。而且亚太地区的卫星利用效率肯定也更高,更值得优先投资。
6.局部加强,逐步成熟
理论上 GPS在全球的定位精度是相当的。北斗系统针对中国及其周边地区是特别加强过的,在国内卫星的几何条件比较好。单点定位的精度取决于两个方面:一是观测量精度,二是所观测卫星的空间几何分布。导航中用精度衰减因子 DOP 来表示卫星空间图形的贡献,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、相对定位几何精度衰减因子RDOP。随着北斗全球系统逐渐成熟,DOP 越来越小,它在中国及周边地区的定位精度超过GPS也只是时间问题。“逐步成熟 ” 并不是一个托词,而是技术、理论上的进步。
7.定位精度
北斗系统定位精度由水平25m、高程30m,提高至目前水平10m、高程10m,测速精度由每秒 0.4米,提高至0.2m,受时精度优于20ns,目前在中国及周边地区,北斗系统服务性能与GPS相当。 许院士讲座时说,他们的实测精度(按中误差算)可以达到水平 4—5m,高程 5-6m的精度水平。许院士表示,北斗在刚投入使用就能达到如此精度,这连他们设计北斗系统的时候都没想到,已经非常满意了,而且北斗还有很大进步空间,精度还能进一步提高。
上述10m的精度,很多人认为应该是对亚太地区的平均精度。需要注意的是,北斗的平面精度与高程精度是基本相当的,而GPS系统的水平精度确实不错,但是它的高程精度是软肋,比水平精度差得比较多,一般1.5倍到2倍。
GPS定位精度可以达到mm级,这是能实现的,但是不能脱离限制条件而谈。卫星定位方法有很多种形式,如果按用户卫星测量设备在作业中的状态,可分为静态定位与动态定位,若按参考点的位置不同,可分为绝对定位和相对定位。差分技术是基于同步同轨性原理,使用已知点的基准站,计算出改正信息,再发送给流动站,进而改正流动站的瞬时位置。这是针对动态测量的技术,把定位精度由10-40m 提高到小于3m。精度达到mm级应该是静态的长时间的优质观测条件下的绝对定位。具体解释一下,静态,就是要专门建一个房子,专门建一个固定观测墩,这时三脚架精度已经不够,而且还容易被移动。长时间,就是24小时,365天不间断观测,这就肯定要保证有电源,而且要求还很高,不能断电,备用电源神马的一定要有。优质观测条件,就是要没有电磁干扰,没有高达建筑遮挡,人不能随意靠近GPS天线,附近不能有平静水面(会有多路径效应),没有大的山坡。不可或缺的是一台高精度,高稳定性,高品质的 GPS 接收机及其他附属设施(保存、处理数据等功能)。要满足这些条件只能远离城市,在有一定条件的农村,建一个永久的高精度观测站。不是随随便便就能满足这样苛刻条件的,建设和运行成本都非常高。北斗要这么观测,精度肯定也不是10m了,不要随便道听途说了一个数据就说比北斗强,请说明观测条件。特别说明一下,GPS系统使用的是WGS-84坐标系,北斗使用的是CGCS2000坐标系,所以二者的数值不能直接进行比较,需要进行坐标转换,而坐标转换一般会带来精度上的损失。精度是可以在各自坐标系下直接比较的,不用进行坐标转换。
8.促进整个制造业的升级
(1)GPS的芯片那么好用,难道我们北斗系统的芯片不好用就不去努力进步了吗?答案肯定是否定。
建成北斗系统,中国芯片厂商春天到了!虽然目前存在着差距,但是中国的芯片厂商终于可以有机会和国外的芯片厂商在北斗芯片上一较高低,这是完全有可能的。反倒是让国内的芯片厂商生产 GPS 的芯片和国外厂商竞争,那才叫几乎不可能。这就叫打破GPS的垄断地位。
(2)北斗系统的精度不够高很大一部分的原因是中国的原子钟不行。
卫星导定位中,时间系统有着极其重要的意义,在由跟踪站对卫星进行定轨时,要求卫星位置的误差小于1cm时,相应的时刻误差应小于2.6μs(1微秒=10-6秒);如果要求测量的距离误差小于1cm时,则信号传播时间的测定误差应小于 0.03ns(1纳秒=10-9秒)。中国的原子钟相对国外产品,体积大、质量重、精度还差了一个量级,这种高精尖的技术国外是对中国禁运的,我们只能靠自己。
9.建设速度快
欧洲早在1999年2月10日就提出建设GALILEO系统,在2005年发射了第一颗实验卫星,2008年4月27日,发射第二颗实验卫星,进度比最初的计划推迟了整整五年,2012年10月发射第3第4颗卫星。这四颗卫星组成网络,初步发挥地面精确定位的功能。
上文列举了北斗9点优势,当然也没有回避北斗的问题。除了国外监控站很少,优势与劣势并存的GEO卫星等,上面没提到的有:
(1)卫星质量不高,寿命比较短。
GPS 卫星的寿命一般在8年,北斗卫星的寿命在5年左右,已发射的16颗卫星中,已有2颗老旧卫星失效。替换卫星的工作都是国家完成的,完全不影响用户使用。当前,这个问题基本解决了,新卫星寿命已经延长了。
(2)芯片价格较高。
这是由于芯片的生产特点决定的,芯片在研发阶段投入非常大,一旦研制成功,后续的生产成本就比较低了。北斗刚投入使用,用户还比较少,所以价格高,等到大规模生产的时候,成本就被摊薄。