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  • 一文简说北斗定位系统的前世今生

    千次阅读 2019-06-10 09:18:21
    它只有四个会员,却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统),四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。...

    国际上有一个高大上的俱乐部,它只有四个会员,却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统),四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

    中国北斗是个新会员,同时也是发展势头最猛的会员,北斗是咋回事?对我们的生活有什么影响?这是一个很有意思的话题。关于北斗,学术期刊上的文章有很多了,但专业文章的术语太多,普通人读不懂,而且也不会有兴趣去读。今天我们就来用最浅显易懂的语言,向大家解释解释。

    1、从GPS说起

    1957 年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注,有一位名叫比尔·盖伊的数学家和一位叫乔治·威芬巴赫的物理学家,他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象,那就是这颗卫星的频率出现了偏移,经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

    这两位科学家对此进行了实验研究,发现如果在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置,他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克。麦克卢尔,说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。

    弗兰克主任当时在做海军的一项研究,研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置,听到两位科学家的汇报后他眼前一亮,既然你们能够发现卫星在哪里,如果把问题反过来,卫星就能发现你们在哪里,海军军舰定位的问题有思路了!

    GPS系统就按这种思路启动了,方案中需要解决的第一个问题就是:卫星该采用低、中、高哪种轨道?如果采用低轨道的话,发射成本比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,这样浩大工程实在是负担不起。

    如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但除了高轨道卫星的发射难度大之外,更主要的是定位精度会很低,原因有两个:一是轨道太高会导致测量误差大,二是静止轨道与地面物体的相对速度很小,不利于使用多普勒频移的解算方法。

    中轨道是比较折衷的方案,覆盖全球只需要24-36颗卫星,由于轨道是运动的,即使地面的物体不动,但相对卫星的速度也很大,这就可以充分利用多普勒频移方法了。

    基于以上综合考虑,美国选择了24颗卫星的中轨道星座,1978年发射了第一颗,全系统在1995年投入运行,现有卫星30颗,分为军用和民用两种定位模式,其中民用方式向全球开放。

    2、美国是不是活雷锋?

    GPS是个好东西,对人们生活品质的提升相当大,例如汽车和手机导航就非常重要,人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了,关键时刻可以救命。这么好的东西,美国又投入了巨资,居然向全世界免费,难道美国政府是活雷锋?

    其实即使GPS不免费那也收不上来钱,为啥这样说呢?因为GPS是单向通信体制,这跟广播电视塔类似。广播电视塔大家都知道,它只管发射信号,到底有1个收音机听还是1万个收音机听,广播电视塔是不知道的,GPS系统也是如此,30颗卫星只管不停地向地面发信号,具体是谁在接收并使用这些信号,它是根本不知情的,既然不知情,那还怎样收钱?

    通过售卖高价解码芯片来收钱行不行?答案是不行,因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制,这对加密传输来说是先天的障碍,即使搞了加密,没几天就会被破解了,尤其是民码还要求简单易用,接收设备要求成本低廉,这对加密来说就更加困难了。

    如果GPS免费,则一定会在全球形成巨大的市场,依托这套系统会产生新的国际性产业,同时会形成一股强大的国家软实力,所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

    GPS 免费对全世界的民生来说是个福利,但在军事方面却是个挑战,美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装,美国人也禁止不了,这对美国是不是一个威胁呢?其实GPS开放的只是民码,精度比美国军方使用的军码差了十倍,先天就挫了一大截。

    更重要的是,万一跟美国打起了仗,人家把GPS民码给你一停,你已经很依赖GPS了,甚至连指南针都丢了,这可就抓瞎了。如果美国不给你停GPS,而是发个欺骗码,瞄准美国的导弹就可能飞到自己的阵地上,这更加可怕。

    所以说,他国的军备绝不能使用美国的GPS,一旦形成依赖就会像吸毒者一样无法自拔,必须要发展本国的定位导航系统。当然,发展本国的定位导航系统也只是少数大国的权利,至于泰国墨西哥等小国家其实是不必操这个心的,因为全球定位导航系统实在是太浩大,综合国力微弱的小国家们根本就造不起,还是老老实实地继续用GPS吧,这倒也省心。

    3、北斗一代的由来

    中国是个有抱负的大国,在定位导航卫星这事上可不能图省心,实际上从上个世纪70年代就已经开始闹心了,七五规划中提出了“新四星”计划,随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。

    80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点,海湾战争把中国人打醒了,美国的GPS在作战中的应用非常成功,决策层深刻意识到以后打仗没这东西是真的不行,被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

    为啥不像美国那样搞30颗卫星的系统呢?当时的国情是又没经验又没钱,刚起步可得悠着点,从小打小闹开始吧,上来就玩大的容易搞砸锅。一定会有网友问,在空间中三个坐标才能定位,两颗卫星不够用啊?

    这是个好问题,双星定位方案中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标,这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星,这就实现了三星定位。那为什么不干脆发射三颗卫星呢?原因很简单,高度仪很便宜,这个方案更省钱。

    只有两颗星,当然不能像美国GPS那样搞中轨道的,轨道低了覆盖面就小,两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行,那中国大陆还咋用呢?因此只能搞高轨道的,而且还得是静止的,这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。

    静止高轨道是双星定位的必须选择,从技术上讲这毫无疑问是正确的,但却埋下了性能不强的隐患,这就是要谈的下一个问题,北斗一代被诟病。

    4、北斗一代被诟病

    MH370 失联后出现了很多科普,令公众熟悉了多普勒效应这个名词,那多普勒效应对卫星来说到底是好事还是坏事呢?这要看是哪一种卫星,多普勒效应对导航定位卫星来说是好事,因为卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大,多普勒效应越明显,定位就会更加准确,这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

    但是,多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了,因为频率偏移会导致通信失败,必须得做修正。例如位于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的,失联的MH370在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移,这本来是要被修正掉的数据,没想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据。用一句话总结就是:用通信卫星干了定位卫星的活,把本来是坏事的多普勒效应变成了好事。

    既然中国的这两颗卫星是静止轨道的,自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务,于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点,而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。

    美国GPS不具备北斗这样的通信功能,这真不能说人家技术落后,因为人家的卫星系统是各司其职的,定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。而中国北斗一代是身兼两职,听起来功能更加全面,其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上,自然能收获了通信这个副业。

    毕竟定位才是北斗一代的主业,大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送,所以留给通信的信道资源就很少,它无法完成实时的话音通信,只能完成短信功能。

    由于这两颗星的轨道很高,导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS。因此虽然北斗一代既能通信又能定位是独特优势,其实是通信功能比国际海事卫星差得多,定位功能比GPS卫星差得多,通信和定位虽说啥都能干,但啥性能都不行。

    平心而论,北斗一代已经达到了设计指标,工程是非常成功的,毕竟就只有两颗星嘛,咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢,好比是你花了800块买了部双卡双待的山寨机,骂它不如苹果手机好,这其实并不公平。

    不妨做个假设,假如没有国际海事卫星和GPS卫星的话,那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的,但问题是北斗一代问世时,这两种卫星系统已经相当成熟了,在它们的对比之下,北斗一代简直就是一坨翔,而且是国家花了大价钱造出的一坨翔,当然是各种被骂,研发人员们灰头土脸不敢吭气。

    5、与伽利略计划的姻缘

    北斗一代的使用体验比较差,那该咋往下走呢?这时中国看上了欧洲的伽利略计划,这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划,因为这个项目实在是太烧钱,欧洲单个国家谁都搞不起,但又不能不搞,虽然欧洲国家跟美国关系很好,但也不能把国家安全都系在美国政府身上。

    欧洲有技术但缺钱,于是他们瞄上了土豪中国,中国正因为北斗一代不给力而发愁呢,自然是一拍即合,据报道称中国加入了伽利略技术,并且很大方的拍了两个亿的入伙费。

    但中国越来越觉得不对劲,欧洲居然把日本和印度也拉入伙了,他们出的钱少但权利不少,这不是把中国当作冤大头了吗?多出点钱倒不是问题,关键在于这两个国家本来是我们在军事上要防备的,难道要跟他们在国防方面使用相同的系统?中国发现苗头不对,下定决心后就咔嚓地退出了,退出后自己单干,开始发展北斗二代。

    北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主要是完成短信任务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。

    北斗二代的规模与GPS相当,申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致,这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源,那该如何分配呢?国际规则是既不按国家来分,也不按人口来分,而是谁先占了算谁的。

    先占先得的原则是西方发达国家制定的,他们认为这是各国都有同样机会的公平原则,理由是:你有本事你也打卫星啊,我又没拦着你,你不打是你自己的事,如果你永远不打,难道说轨道和频率还要永远给你留着?这听起来也有道理,更关键的是,即使你觉得没道理,你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。

    2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了,但并没有开通,只是占了轨道但没占频率,为啥没开通呢?原因是没钱,开通需要花钱的,欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了,而且上去就开通了,这下就把轨道和频率都占上了,这为啥呢?这是因为中国政府不差钱。

    欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓,而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星,后来还搞起了一箭双星,而伽利略计划和北斗二代有些频率是重合的,双方都在国际电信联盟组织备案了,谁先占上就算谁的,中国的快节奏把欧洲搞急眼了,通过美国给中国施压,要求中国放慢脚步等等欧洲人民。

    以前欧美国家凭借技术和经济优势抢占资源,中国技术和经济不给力只能吃哑巴亏,你们从来就没谦让过,现在凭什么要我谦让?中国不理会欧美的抗议,按既定的节奏继续打卫星。

    6、亚太地区组网

    虽然现在还没有把35颗卫星打全,但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建起来了,并已投入了使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗,它们各在太空上织就了一张网,GPS网眼最密处是在美国上空,北斗二代网眼最密处在中国上空,为本土提供服务是第一要务,这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS,而对于亚太国家来说,北斗却比GPS更有优势。

    亚太国家认识到了北斗的覆盖优势,中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用,于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家,于2014年7月来到中国考察北斗二代,研究讨论合作的事项。

    第一站去的是武汉光谷北斗集团,参观了中国最大的遥感卫星地面接收站,第二站去的是黄石,参观了建设中的中国-东盟北斗示范城,第三站参观了北斗地球空间产业国际学院,第四站是参加“2014北斗技术与应用国际培训班”,在两院院士李德仁领衔的武汉大学测绘遥感国家生点实验室里连续学习了半个月。

    行程安排是很讲究的,先带他们参观,行程非常密集不容你思想懈怠,一处更比一处高端大气上档次的北斗产业园区,令他们的眼睛瞪得越来越大,在内心受到了震撼后,再由国际知名科学家李德仁院士亲自授课,解答你国使用北斗的所有疑问,顺便收获了这些东盟专家的膝盖。

    泰国专家表示,有些GPS卫星的信号泰国收不到,而北斗所有的卫星信号都能接收到,当然要参加北斗的“天眼”计划,而且泰国现在已建成了首批CORS(连续运行卫星定位服务综合系统)。马来西亚紧随其后,将成为北斗“天眼”的下一个落户的国家。

    7、在渔业的应用

    北斗的首次成功应用是2008年5月12日的汶川地震,甭看我们平时的通信非常方便,电话、短信、互联网等手段很多,但其实都是高度依赖光纤和基站的,当这些基础设施遭到大面积损坏时,你会发现QQ、微信、微博、短信……所有平时很方便的通信手段全都完蛋了,除了靠吼之外简直就没有一点办法。

    那时候北斗还是一代系统,虽然因为性能指标比不过GPS和海事卫星而被骂出了翔,但北斗一代在地震时却发挥出了不受地面影响的优势,它的定位和短信能力充分发挥了作用,成为了救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用,彰显了北斗服务民生的技术优势。

    远洋渔业是个充满危险的行当,遇到风险时能得到及时得到救助非常重要,再节省的渔民都会备齐两样电子设备,一是GPS二是海事卫星电话,以便遇到风险时能及时求助。

    遇到风险需要求救,首先要用GPS定好位,然后用海事卫星电话通知岸上的救援队,告诉他们我遇险的GPS坐标,以便他们来救我。当然也有用电台的,但电台的可靠性不如海事卫星电话,生死攸关时通不上可就抓瞎了。但是,养一部海事卫星电话是很贵的,但为了关键时刻救命又不敢不养,很多渔民对此很纠结。

    北斗二代在亚太地区布网后,渔民有了一个新选择,那就是装北斗卫星船载终端,北斗的双向短信功能在渔船救险方面得到了完美应用,遇到险情后一键求救,终端会自动把附带着定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队,实现了GPS+海事卫星电话的功能,而且更加方便。

    那这个终端贵吗?政府大力推广,将之列为安全机械设备,享受农机补贴政策,政府额外拿出了1个亿,免费为辽宁、山东、浙江、海南的1万艘渔船安装的北斗终端,后续再安装的直接补贴九成,渔民只需要象征性的出一成的钱就可以安装。

    海事卫星电话很贵,那北斗卫星短信贵不贵呢?答案是一条三毛!这是有史以来最便宜的卫星短信了,为啥这么便宜,有政府补贴呗,其实根本就没考虑成本,收费是象征性的。本来有专家建议免费,但怕渔民们没事就发段子,过于浪费卫星信道资源,干脆就定一条三毛吧。

    北斗卫星的短信功能非常受欢迎,根据浙江省2011年的统计,浙江渔民利用北斗卫星发短信1300万条,其中船与船互通604万条,船与手机互通696万条。

    渔业省份在岸上大建基于北斗二代的渔业信息服务基础设施,通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息,甚至还有当日渔市价格,帮助渔民决定捕捞哪种鱼,渔民在海上就可以把渔获信息传到岸上,提前联系好了卖家。

    8、“两客一危”与地基增强系统

    “两客一危”指的是从事道路班线客运、旅行包车、危险货物运输车,这些都必须安装电子定位装置,并将运行信息及时接入到全国的联网联控系统中。在交通管理部门的监控大屏幕上,车辆的运动状态一目了然,超速闯禁行等违规驾驶行为会自动报警,这是一项保护人民生命安全的法规。

    “两客一危”的范围还在扩展,警车、公务车、校车也正在被纳入到卫星定位监控系统之中,不仅仅是为了行车安全,还要监控公车私用,车辆行驶路线清清楚楚,数据妥妥地存在数据库里,由不得司机遮掩狡辩。

    这种对特种车辆的卫星监控,以前要求使用GPS,现在被政府明令要求必须使用北斗二代。有些人为此质疑过政府,以前基于GPS的系统本来就能完成任务,现在为了推广国产北斗就来硬的,这不是劳民伤财吗?

    这真不是功民伤财,而是有着长远规划的必要措施。中国正在筹划搞北斗二代的地基增强系统,在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设备,形成北斗的地基增强系统,与天基的卫星相互配合,可达到米级以下的实时定位精度。

    北斗二代的天基系统和地基系统一旦成功结合,那大货车就再也不敢长期占用超车道了,而以前的GPS定位精度是10米,是无法区分车道的。给孩子戴的定位手表会更加精准和灵敏,定位信息不再是“在某地附近”,而是精确到孩子站在哪块地板砖上。

    地基增强系统是要与天基系统密切配合的,如果把这个遍及全国的国字号系统搭建在美国GPS的基础之上,那万一人家收费了呢?或者把底层数据屏蔽了,那我们就被会卡了脖子。我们已经有了完全自主产权的北斗二代,自家的地基增强系统当然要跟自家的北斗二代配对。

    9、形变监测与自动驾考

    北斗二代的用途非常非常多,据统计有200多项,例如有一项就是形变监测,专门对水坝、大桥、高速公路等巨大建设物的沉降和变形做测量。网友们一定会疑问,北斗与GPS的精度都是10米,咋能搞如此细致的活计呢?这源于差分算法技术。

    任何测量都是会有误差的,而把多次测量后的结果统计平均,就会有效地减少误差。卫星定位的差分算法也是这个道理,一次定位的精度是10米,但把成千上万次的定位数据进行合并处理,就有可能得到更加精准的结果,甚至精确到毫米以下。

    很显然,测量的次数越多和时间越长则精度就越高,而建筑物的沉降和变形是缓慢的,正好可以利用这些特点来进行高精度测量。把北斗设备固定在建筑特上面,令它自动地接收定位信息,攒足了一个月的海量定位数据后进行差分计算,精度在毫米以下的定位数据就算出来了,这比人工测量方便和准确的多。

    很多偏远监测点是没有手机信号的,基于GPS的形变监测必须得人工采集,而使用北斗进行形变监测还有个好处就是数据可以直接通过北斗短信功能传回基地,给它安个太阳能板就齐活了,定位、差分解算、数据回传全部自动化。

    在地面设施的配合下,北斗的实时定位精度已经远远高于GPS,现在已经达到了80公里/小时情况下2厘米的精度,这就给另一种业务提供了技术手段,那就是基于北斗二代系统的无考官驾考。

    现在的倒车入库等驾考项目已经有电子监控了,压线就会报警,但路考还得有考官。以后的全部驾驶课目考试可能被北斗系统全面取代,在考试车上安装北斗接收机,无论是倒库还是路考,系统都会精确实时记录车辆轨迹,并自动评分,会比考官更严格和公正。

    10、北斗二代的政府推广

    北斗二代是国字号工程,政府当然会推广,但推广的路子跟以前很不一样了。大约七八年前吧,手机上有了Wi-Fi功能,而中国政府觉得这个技术标准不好,于是出了国家自主知识产权的WAPI标准,试图以此取代Wi-Fi。其实并不是只有中国这么干,韩国也推出了自己的技术标准并抵制Wi-Fi。

    Wi- Fi技术简洁便于推广,这也是它风靡全球的重要原因,但它也有死穴,那就是单向的安全机制并不可靠。前阵子3.15晚会上有带眼罩的网络安全人员现场表演了劫持观众手机信息,媒体也经常刊登手机用户接入免费Wi-Fi导致损失的报道,这都是Wi-Fi先天技术缺陷所致。

    中国的WAPI标准是双向安全认证的,的确比Wi-Fi更安全,政府为了推广它而把行货手机的Wi-Fi功能阉割了,想要Wi-Fi功能的话只能买水货手机。此举引来很多人的不满,但最终也没挡着Wi-Fi的流行,后来就低调放开了,行货手机上也有了Wi-Fi,而WAPI并没有推广开,现在只是在军队等有保密要求的场所使用。韩国政府抵制Wi-Fi的行动也同样地失败了。

    中国政府在推广北斗二代方面显然有了新的思路,不再用行政力量去限制其竞争技术了,而是采用免费或补助的方式来利诱,事实证明这招更加有效。例如渔船安装北斗设备,政府并不禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话,而在给北斗设备提供大量补助,卫星短信也只是象征性地收费,明显北斗方案更划算,渔民当然会装北斗而弃用GPS和海事卫星电话。

    北斗二代有200多项应用,需要全社会的高科技企业去研究开发,不断提供更好的北斗产品,这样才能把北斗产业做大做强。中国已经有了不少搞定位导航的高科技企业,它们大多是搞GPS起家的,政府的科技部门请这些老总来开会,领导讲话言简意赅:欢迎各位继续搞GPS的研究开发,政府绝不会限制和干扰,但如果搞北斗二代项目的话,会享受高科技企业的免税政策,还会从某处得到支持资金。

    北斗二代的技术体制与GPS差不多,由GPS转向北斗并不难,政府划下道了,企业老总都是人精,纷纷表态要改道搞北斗项目。被请来开会的还有高校教授,领导又说了,政府有一笔北斗科研的经费,欢迎教授们来立项,教授们也纷纷表示要申请北斗科研项目,谁忒么还傻乎乎地继续研究GPS啊,美国政府又不给钱。

    领导又说了,企业有资金设备的优势,高校有人材技术的优势,不如强强联手,把教授带的研究生放在企业去做北斗科研,由企业出场地出设备出资金,研究生搞出的成果除了供他们毕业拿学位,还可作为该企业的技术创新。企业老总和高校教授都觉得这个主意不错,于是在政府牵线下纷纷结起了对子,领导管这个叫作北斗产业推广联盟。

    政府推广新产业的路子变了,不再像推WAPI那样强行阉割Wi-Fi了,而是使用了利益杠杆,企业老总和高校教授都得了利,政府出面组建了产业联盟也是政绩,三方都很高兴。

    中国政府对北斗二代的决心很大,搞这种国字号工程的财力很足,对内的推广政策很有成效,对外积极谈合作已有成果,还有国际电信联盟的支持,占尽了天时地利人和,预计5000亿的新产业正在浮出水面,北斗二代的前景非常乐观。


    最后总结一下北斗的优势

    安全

    这绝对是建北斗最最重要的原因,没有这个原因北斗真的是可以不建的,或者说可以缓一缓再建。GPS使用了这么多年,军队官方都没有统一装备GPS的任何产品(当然,会有私自购买的,只是一小部分),因为战时美国绝对不会让你他的GPS,GPS信号是可以加密或关闭的。在地理信息如此重要的战场,你只能靠自己。

    三频信号

    北斗使用的是三频信号,GPS使用的是双频信号,这是北斗的后发优势。虽然GPS从2010年5月28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。

    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2颗卫星就可以完成定位,但需要信息中心DEM(数字高程模型)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(这个有待考证。 必须强调一下,北斗二代使用的是无源定位,和GPS是一样一样的,不需要信息中心参与解算,有源定位顶多算个补充功能 )。

    这个功能的好处是当你观测的卫星质量很差,数量较少时(理论上,无源定位至少要4颗卫星才能解算XYZ和时间四个未知参数,实际需要的更多),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。需要信息中心参与解算就是排名第一答案说的“资源有限”,使用的北斗一代手持机,每60秒可以定位一次,不能频繁定位,以保证信息中心不能过载。

    但是北斗一代不能民用的主要原因不是这个啊!北斗一代称为北斗卫星实验系统,北斗二代称为北斗卫星导航系统,叫他一代二代仅仅是方便而已。从名字上就可以知道,北斗一代只是做个内部实验而已,检验一下理论、技术是否可行,定位精度如何,再进行后续改进,设计的初衷根本没打算民用。就像是苹果公司做个内部样机,自己试用一下看看要怎么改进。

    短报文通信服务

    这个绝对是中国原创功能,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,当时简直是好用到哭啊,也没人嫌弃北斗一代手持机又大又丑了,有和没有简直是质的飞越,所以该功能果断在二代中保留下来!(说明:北斗不是唯一的通信手段。)但是这个功能也是有容量限制的,所以并不适合作为日常通信功能,而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啊。国家大力宣传此功能,可能基于以下两个原因:第一,这个功能中国独有。第二,宣传其他功能大众听不懂。

    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系统在全球建了5个监控站,1个主控站( 炸毁北斗地面指挥中心北斗就失效了,所以得出结论战争时北斗无用;那我们炸毁GPS的主控站(及其备用站)不也一样的吗,所以可以得出结论:GPS是无效的吗?)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。

    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,绝对不能作为控制功能。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。

    中国境外的首个陆地遥感卫星数据接收站“北极站”,将于2015年在瑞典开工建设,预计两年建成。2、中国将在南美洲的阿根廷建造首个境外卫星跟踪站。

    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(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。

    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。

    2015年3月30日,首颗新一代北斗导航卫星由长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射。该星的发射成功标志着我国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。北斗全球系统试验卫星工程I1-S星是第17颗北斗导航卫星,其将开展新导航信号体制、星间链路等试验验证工作。

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    前期实际北斗模块定位误差统计分析中得出了北斗模块的定位误差分布服从正态分布,根据北斗模块定位误差分布的规律,利用在同一块电路板上的双天线模块接收北斗定位信号,将定位信息传给TMS320F28335DSP芯片,DSP对北斗模块给出的定位信息做实时算法处理,并将处理后的定位信息传给嵌入式ARM芯片,ARM芯片在TFT液晶屏上更新定位信息,同时根据用户要求来设置北斗模块的工作模式。在接收不到北斗定位信息时DSP利用UKF滤波算法,将预测定位信息发送给ARM芯片,并标记为预测信息,且显示在TFT液晶屏上。

      北斗定位系统是我国自主开发的全球定位系统,目前北斗定位系统在轨运行卫星已达16颗,截止2012年12月27日,我国的北斗定位系统空间信号接口控制文件正式版已公布,北斗定位导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航及授时服务。该系统可为汽车、客机和轮船等常用交通工具提供定位服务,为精确制导武器提供定位导航服务,其对我国军事国防事业摆脱对国外GPS系统依赖有着重要意义,另外对农牧业、渔业生产也有着重要意义。

      在众多实际应用背景下,如何提高卫星定位导航系统的定位精度就显得尤为重要。本文提出一种基于双天线结构的构想,以提高北斗定位模块的定位精度为目的,在嵌入式ARM+DSP系统上实现北斗定位系统。

    1 系统设计思想

      在卫星定位系统众多应用中,常用于描述卫星定位精度的参数主要有水乎均方根误差(Distance Root-Mean-Square,DRMS)、圆概率误差(Circular Error Probable,CEP)和球概率误差(Spherical Error Probable,SEP)等,这些参数被广泛用于测量和各种定位系统中,其计算和准确性与定位误差的三维分布特征密切相关。文献证明在一般情况下,定位误差的三维分布呈椭球状,被称为误差椭球。其几何特征主要包括椭球的轴方向、轴长和轴比。轴方向是椭球的3个主轴所在的方向,轴长是定位误差在椭球轴方向上的标准差,轴比是椭球3个轴长之间的比值。误差椭球的轴比决定了真实位置落在DRMS圆上的概率。

      在对文献分析后,进行单点100组连续北斗模块定位测试,统计误差分布规律,经实际测试、统计分析得出北斗模块的实际定位误差近似服从正态分布,北斗定位模块的水平定位误差依91%的概率收敛于8~10 m之间,其中9 m处的分布概率为82%,如图1所示。

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    图1 北斗模块测试统计情况

      DRMS值为9.0 m,记作R,在实际测量中北斗模块给出一组定位数据(a1,b1),记作A,a1、b1分别表示经度和纬度信息,则以(a1,b1)为圆心的DRMS圆如图2所示。

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    图2 北斗定位二维DRMS圆示意图

      在同一块电路板上使用双天线模块接收北斗定位导航信息,由于将两个天线并排安放,所以在任意时刻两个北斗定位模块相对于北斗卫星的通信链路相同,两个北斗定位模块可见星情况和接收到的前端卫星定位信息也相同。假定某一时刻两个模块接收到的定位信息分别为(a1,b1)和(a2,b2),以(a1,b1)和(a2,b2)为圆心,R为半径的DRMS圆,两圆记为A、B,则真实点依大概率收敛于两个圆交点中(a3,b3)、(a4,b4)。根据前一时刻的位置信息和速度信息可排除其中一个交点(a3,b3)或(a4,b4),则剩下的点就为真实位置的最大概率分布点。

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    图3 北斗双天线真实点分布示意图

    2 系统硬件设计

      系统使用DSP+ARM双芯片结构,DSP主要负责接收北斗模块的定位信息和算法处理功能,ARM芯片负责与DSP芯片通信、控制TFT液晶屏的显示功能。硬件设计主要包括电源部分、ARM部分、DSP部分、网络部分、TFT液晶屏部分以及北斗模块多部分的设计。

      2.1 系统硬件结构框图

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    图4 系统硬件框图

      2.2 电源部分

      系统使用较为常见的12 V电压作为总的电源输入,经LM2596芯片得到5 V电压作为DSP模块和TFT液晶屏的电源,5 V电压经ASM1117得到3.3 V电压作为ARM模块和网络部分以及TF卡的电源。

      2.3 ARM部分设计

      ARM芯片使用意法半导体公司的STM32F103VET6芯片,该芯片为32位Cortex-M3内核微处理器,主频最高可达72 MHz,封装为LQFP100,减小了PCB板的面积。另外,还支持IO管脚的重映射配置,降低了PCB布线的难度,且支持JTAG、SWD两种调试/下载模式,方便用户使用市面上较为常见的调试工具J-LINK调试/下载程序,因此使用方便。

      2.4 DSP部分说明

      DSP部分使用的芯片为TI公司的新型数字信号处理器TMS320F28335,该款芯片最高主频达150 MHz,采用哈佛流水线结构,并具有片内硬件乘法器,完成一次浮点数的乘加运算只需10个机器周期,故可进行高速数据运算。

      2.5 网络部分说明

      网络部分主要提供了一个可选功能,当条件满足时可将系统的定位信息发送到以太网上,供远端的用户访问、查询。

      系统使用美国微星公司的ENC28J60网络芯片,该芯片为IEEE802.3兼容的以太网控制器,支持全/半双工模式,工作电压兼容TTL电平和CMOS电平,可编程会在发生冲突时自动重发,可编程填充和CRC生成,用于快速发送数据的内部FIFO、DMA以及硬件支持的IP校验和计算。其封装为SSOP28,与微处理器的链接方式为SPI总线,因此控制方便,最高速度可达10 Mbit·s-1。

      2.6 TFT液晶屏部分说明

      TFT液晶屏的每个像点均是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动的,从而可做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息,是目前最佳的LCD彩色显示设备之一,其效果接近CRT显示器,是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。

      系统使用16 bit真彩色,320×240分辨率TFT液晶屏。STM32F103ARM芯片负责TFT液晶屏的驱动,STM32F103ARM芯片与TFT液晶屏之间使用FSMC总线通信,以完成对该液晶屏的初始化和显示控制。

      2.7 北斗模块部分说明

      北斗模块部分使用北京和芯星通公司的UM220北斗定位芯片,其可同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点,输出数据方式为USART,数据协议为NMEA 0183,默认通信波特率为9 600 bit·s-1,并可根据用户需要自行设定最高支持波特率为230 400 bit·s-1,其输入/输出信号类型均为LVTTL电平。

      UM220通过串口与DSP连接,DSP通过串口完成对北斗模块的配置,并接收其定位信息。

    3 系统工作流程

      3.1 系统总体工作流程

      系统采用DSP+ARM双核结构,DSP与ARM各司其职。在系统上电后,DSP、ARM芯片完成上电复位,DSP通过USART接收北斗定位模块的定位信息,在不失星的情况下进行北斗双天线定位算法计算。而DSP在进行北斗双天线定位算法计算后,通过串口将计算后的北斗定位信息发送给ARM芯片。若处于失星的情况下,进行UKF算法轨迹预测,并将得到的预测结果通过串口发送给ARM芯片,ARM芯片接收到北斗定位信息后,通过FSMC总线将定位信息更新到TFT液晶屏上,如图5所示。

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    图5 系统程序流程图

      3.2 轨迹预测算法设计

      系统采用无迹卡尔曼滤波(UKF)做为失星情况下的轨迹预测算法。无迹卡尔曼滤波(UKF)是一种基于最小方差估计准则的非线性状态估计器,其以非线性最优高斯滤波器作为基本理论框架。UKF采用UT变换技术,即采用确定的样本点(Sigma点)来完成状态变量统计特性沿时间的传播,改进了扩展卡尔曼滤波(EKF)不能求解雅可比矩阵以及泰勒级数线性化只具有一阶的低精度问题,其逼近精度可达二阶或二阶以上。U KF算法实现过程如下

      Step1

    0f2220910d65788d87d50a3640d942c4.png

    (1)

      式中,x为未失星前时刻北斗双天线定位所得定位经、纬度信息;px是x的协方差;n表示系统状态维数;北斗应用中n取值为2;λ是微调参数,其可控制样本点到均值的距离。

      step2 根据系统状态方程求样本点传递值

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    (2)

      Step3 求系统定位误差均值和方差的一步预测

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    (3)

      Step4 根据系统量测方程求取定位误差状态一步预测的传递值

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    (4)

      Step5 获得定位误差均值和协方差

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  • 2018年12月27日,国务院新闻办公室宣布北斗三号基本系统建成,即日起提供全球服务,标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式进入全球时代,成为真正意义上的全球卫星导航系统北斗三号代表了中国...

    2018年12月27日,国务院新闻办公室宣布北斗三号基本系统建成,即日起提供全球服务,标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式进入全球时代,成为真正意义上的全球卫星导航系统。

    北斗三号代表了中国卫星导航最尖端的科学技术,不仅覆盖范围提升至全球,在技术体制上也实现性能提升和服务扩展。

    星舆北斗高精度定位网启动北斗三号服务

    近日,星舆科技北斗高精度定位网络已初步完成部分区域的升级和测试,预计2019年第一季度完成全网的升级,支持北斗三号B1C、B2a卫星信号。

    启动支持北斗三卫星信号后,从支持新信号的各个站点测试结果来看,搜星数量比以前有明显增加,定位精度、定位可靠性和稳定性也比以前得到进一步提升。

    星舆科技自研的北斗高精度定位网智能监测站设备

    未来,星舆科技计划在布设的所有北斗高精度定位网络的站点都将纳入对北斗三卫星信号的支持,从而让用户使用起来定位精度更好、定位可靠性更佳,并在固定率和固定速度上得到更好的体验。

    2018年,星舆北斗高精度定位网络已经面向全国进行建设,目前已覆盖广东、湖南、湖北、长三角、京津冀等国内主要区域,到2019年底,将完成全国主要区域的全覆盖。

    北斗三号比GPS有后发技术优势 信号更强更优

    中国用于导航的北斗系列卫星系统的全面建成与使用,将在国家的信息与安全领域起到至关重要的作用。

    从技术上来说,相比起早期建成的GPS,北斗三号具有技术上的后发优势,在空间段采用三种轨道卫星组成混合星座,与其他卫星导航系统相比,高轨卫星更多,因此抗遮挡能力更强,尤其在低纬度地区性能特点更为明显。

     “北斗”特有的GEO+IGSO+MEO卫星设计,使得信号更优,可视卫星多,跟踪时间长。另外,北斗三号可提供多个频点的导航信号,通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

    北斗卫星越来越密 中国卫星应用环境优势突显

     随着天上组网的北斗卫星越来越密,中国的卫星应用环境将越来越具有优势。

    普通的GPS或北斗定位,只需看到4颗卫星,高精度定位,需要看到至少8颗卫星。在亚太地区,北斗比GPS更有优势,因为在亚太地区,北斗卫星远多于其他的导航系统,网眼最密处在中国上空,卫星数提升、卫星更加密集、通过卫星定位更加稳定可靠,加上北斗三号将于2020年实现全球组网,届时优势会更明显,到2020年,在中国上空,同时存在北斗二号、北斗三号、GPS、伽利略、格洛纳斯,可同时用于高精度定位。

    此外,北斗使用三频信号,GPS是双频信号,三频比双频有更高的可靠性和抗干扰能力,北斗兼容GPS和其他导航系统,还可以辅助提高定位精度。因此,综合来看,中国有北斗,中国基于卫星定位的高精度技术应用环境会更好。

    ​星舆科技,聚焦北斗民用,通过在全国范围内构建北斗高精度定位网络,变革传统定位,着力打造下一代定位技术,主要瞄准移动互联网、物联网、AI人工智能、智慧城市等四大类应用领域进行业务布局,从而更好地助力北斗应用产业链的整体迭代与升级。

    目前,星舆科技高精度定位服务已开放试用,若想体验使用,可登陆如下网址注册申请:https://passport.starcart.cn/auth/login?service=https%3A%2F%2Fopen.starcart.cn%2Flogi

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