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从技术层面上分析北斗与GPS的九大区别!  

2017-06-24 12:18:18|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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从技术层面上分析北斗与GPS的九大区别! - 涌馨定制 - 涌馨有你

从技术层面上分析北斗与GPS的九大区别! - 涌馨定制 - 涌馨有你












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(GEO)卫星,5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,4颗中高度圆轨道(MEO)卫星。北斗的星座方案来之不易,许院士说当时有几个方案参与竞争,光是方案的修改论证就持续了整整三年,最后确定的这个方案不敢说没有缺点,但绝对是所有方案里最好的一个。言归正传,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。



(1)卫星数量增加。GPS设计使用21+3颗卫星,即21颗工作卫星,3颗备用卫星。目前GPS实际已经使用了32颗卫星,卫星数量越多,就会得到越多的冗余数据,数据就越可靠,DOP值越小。北斗现在只有16颗,等北斗卫星的数量越来越多,也会得到更多观测数据,精度提升是必然的了。目前北斗芯片一般会支持 GPS,可能存在以下原因,第一是补充北斗系统的精度,第二是为了开拓市场(刚开始只支持北斗没人用啊)。这样的话芯片更复杂,功耗更高,开发难度更大。但也不能说全是坏处,目前兼容不同系统也是行业发展的趋势,GLONASS芯片一般也要兼容GPS,北斗芯片也有支持GLONASS甚至三个系统的。兼容系统,数据冗余更多了,精度更高,DOP小,这项功能做好了也会成为中国芯片厂商的优势。


(2)改正模型优化。与信号传播路径有关的误差有:对流层折射误差,电离层折射误差延迟误差,多路径效应,地球自转效应误差。这些误差是没办法完全消除的,只能不断减小。用于改进电离层折射误差延迟误差的Klobuchar模型就是根据长时间气象观测数据,构造出电离层折射随时间变化的经验公式。说白了就是猜出来的,不过是有水平,有数据支持,聪明的猜,才出来后进行试验验证,好用就留着,不好用就继续改。全球不同地区的电离层对流层都是不同的,这些公式是根据国外的观测数据构造的,用在中国自然会差一些,我们需要给北斗更多的时间累计观测数据,等待开发或优化更多的适合中国地区的改正模型。

(3)卫星轨道精度提高。卫星的实际运行轨道肯定与设计轨道有一定的差距。伪距定位的原理是:采用距离后方交会的方法确定接收机天线的三维坐标。只有卫星轨道精度提高了定位精度才会高。卫星的轨道是通过监控站的观测数据拟合出来的,观测时间越久,累积的数据越多,拟合的轨道越精确。北斗缺少国外的观测数据,所以轨道精度在亚太地区较高,在国外的轨道精度会比较差。弥补这个缺陷也需要给北斗时间。再提一下地球静止轨道(GEO)卫星。GEO卫星相对地球做不到完完全全的静止,会有一定的漂移。而地球同步轨道只有一个,资源非常稀缺,国际上把这个轨道划分成了一小段一小段的圆弧,卫星只能在分配的范围内移动,否则可能与其他卫星相撞,所以每隔一段时间就需要调整GEO卫星位置。目前调整北斗采用的是脉冲式,只能按整次数来调整卫星的位置,不能是零点几次,所以可能出现多一次嫌多,少一次不足的情况。在后续发射的GEO卫星,调整卫星会改用连续式,想喷多少就喷多少,增强卫星控制能力与精度。一旦进行调整,之前的观测数据就会作废,需要重新累积数据。在调整卫星期间,那颗卫星处于失效状态,因为我们不知道它的具体位置,需要几天时间来重新定轨。但好在GEO卫星数量比较少(5颗),定轨比其他两种卫星容易一些,速度也比较快一些。其他两种卫星不存在这种情况,观测时间久了,拟合的轨道精度自然就提高了,直到它耗尽为止。




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。
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(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。为什么不行?因为有一段时间原子钟是可以从国外买的,相比起自己研制成本还不高,质量很好,国内直接放弃研制原子钟了。等中国说要建导航系统,国外立刻对中国实施禁运,中国这个时候才赶紧又开始原子钟的研制工作,暂停研制这几年对中国的原子钟发展多可惜,本来技术虽然不算先进,但也勉强跟上世界潮流,现在却拉下一大截,如果中国一直坚持自己研制原子钟,现在的北斗系统精度更高。要不是北斗系统,中国的原子钟技术更是悲剧了。
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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,审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分,取得面向海事应用的国际合法地位。北斗卫星导航系统成为继全球定位系统(GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)后的第三个全球卫星导航系统,服务世界航海用户。这必将带动北斗卫星导航系统在航海领域的国际化、产业化。获得 IMO 认可后,我国将继续全面推进国际电工委员会、国际航标组织、国际海事无线电技术委员会、国际电信联盟等国际技术组织的标准、规范、指南文件的制定和修订,以实现北斗系统进一步在国际海事领域的全方位应用。
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