你早已用上了北斗，自己都不知道！| 北斗真相（一）

　　看了上一篇文章，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(qiáng)？北斗到底能不能“甩開”GPS，獨(dú)立定位？

　　作為GNSS（Global Navigation Satellite System全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)） 俱樂部的一員，導(dǎo)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(jī)使用衛(wèi)星定位的過程可以在二維抽象成在一個(gè)黑板上選至少四個(gè)點(diǎn)（衛(wèi)星），以每個(gè)點(diǎn)為圓心，分別用粉筆畫圓（接收機(jī)測(cè)量的到衛(wèi)星距離），這些粉筆跡的重疊區(qū)域就是定位的結(jié)果。因?yàn)楦鞣N誤差的存在，對(duì)每顆衛(wèi)星測(cè)距的結(jié)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(xì)受各種誤差機(jī)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(diǎn)上是GPS更優(yōu)，也就是粉筆跡更細(xì)一些。而現(xiàn)在北斗三代衛(wèi)星使用的是氫原子鐘，頻率準(zhǔn)確度由5×10-13提高到6×10-14，頻率穩(wěn)定度由2×10-14（1d）提高到6×10-15（1d），相比二代衛(wèi)星都提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，定位精度也將進(jìn)一步的提高。

　　除了受粉筆粗細(xì)的影響，顯然畫圓的點(diǎn)越多，也就是衛(wèi)星數(shù)越多，重疊區(qū)域也就越小，也就是定位越精確，但是，如果這些點(diǎn)都在一側(cè)集中，甚至重疊的話，它們畫出的粉筆跡的重疊區(qū)域會(huì)變得很大，反之這些點(diǎn)越分散，畫出的粉筆跡重疊度也就越低，也就表示接收機(jī)得出的定位結(jié)果也就越精確。這個(gè)衡量位置分布的參數(shù)就是所謂的PDOP值，越低代表分布越佳，定位結(jié)果越精確。

　　北斗一代時(shí)候確實(shí)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(wèi)星少”、“還在建”、“精度比GPS差遠(yuǎn)了”？

　　其實(shí)從北斗二代開始，星座就是針對(duì)亞太地區(qū)設(shè)計(jì)的，不同于美國MEO為主的模式，采用了GEO+IGSO+MEO的模式。優(yōu)點(diǎn)是用較少衛(wèi)星快速在重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域達(dá)到高精度，缺點(diǎn)是高緯度地區(qū)對(duì)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(wèi)星的增多，這些問題以后都會(huì)解決的。

　　即便如此，在三代還沒用上的今天，看看現(xiàn)在的北斗精度如何吧，我們?cè)谥袊畋边呥x個(gè)點(diǎn)：

　　北緯52.4476°，夠北了吧，官方公布的北斗二代服務(wù)區(qū)域可是只在南北緯55°之間，這個(gè)位置一天24小時(shí)北斗衛(wèi)星的可見性如何呢：

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

　　對(duì)比現(xiàn)在GNSS俱樂部“一哥”GPS，在此地的衛(wèi)星可見性：

　　是不是發(fā)現(xiàn)可見衛(wèi)星數(shù)還不如北斗多？感覺是不是可以搞個(gè)諸如“GPS在中國被北斗完敗”的大新聞……

　　當(dāng)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(duì)于民眾認(rèn)識(shí)北斗只有壞處沒有好處。除了使用自己導(dǎo)航系統(tǒng)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(hào)兼容與互操作聯(lián)合聲明》，互為備份多和諧……

　　剛才說到北斗衛(wèi)星數(shù)多，但是定位不能只看星數(shù)，吃星座設(shè)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：

　　北斗幾何精度因子最大達(dá)到6.0而且波動(dòng)較大，相比來說GPS的最大也就4.4：

　　所以你要非說在這里北斗不如GPS是可以勉強(qiáng)接受的，當(dāng)然隨著三代組網(wǎng)，這點(diǎn)差距很快就沒了，多發(fā)幾顆MEO就好了……下邊是該地GPS的衛(wèi)星軌跡分布：

　　接下來，咱在中國南方隨便選個(gè)點(diǎn)：

　　北緯26.6940°，東經(jīng)109.9688°，這坐標(biāo)目測(cè)是在湖南，這里北斗衛(wèi)星可見性如何呢：

　　最少也有十顆星可見，再看看GPS的：

　　還是老樣子，南北差別不大，重點(diǎn)是DOP值，可以一戰(zhàn)否？北斗的DOP值如下：

　　最大不超過3.4，再看看GPS的：

　　可以忽略特別高的那點(diǎn)，基本還是在4.4以內(nèi)，但是明顯北斗的更平滑！

　　之所以能夠在全天各時(shí)段保持較好的位置分布，是因?yàn)樵诖丝梢苑€(wěn)定的接收到北斗GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星信號(hào)，MEO衛(wèi)星只占少數(shù)，而非像GPS全由MEO組成，隨著時(shí)間變化會(huì)不斷地更換參與定位的衛(wèi)星，而北斗則少了在更換定位衛(wèi)星的過程中帶來的計(jì)算結(jié)果跳變和低仰角時(shí)大量誤差的引入，衛(wèi)星仰角越低時(shí)信號(hào)穿過的大氣越多，所引入的誤差也就越多，同時(shí)信號(hào)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(wèi)星全天可視，IGSO衛(wèi)星半程以上可視，而MEO衛(wèi)星不在一個(gè)地方呆著，就是繞著地球轉(zhuǎn)它們自己的圈圈，因此它們會(huì)不斷地、一顆顆地重復(fù)從低仰角進(jìn)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(huán)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(xiàn)階段搞北斗的在廣東測(cè)試和在黑龍江測(cè)試完全是兩個(gè)概念好嘛，同樣的東西去海南測(cè)隨便都能過，去哈爾濱就很費(fèi)勁了……等三代組網(wǎng)完了我們就不用再吃這個(gè)虧了。

　　因此總體來看，在目前北斗二代服務(wù)區(qū)域內(nèi)，北斗的全天可視星數(shù)超過GPS，在星座分布上大部分區(qū)域也優(yōu)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(shí)際測(cè)量結(jié)果的。但是現(xiàn)在三代組網(wǎng)建設(shè)正在進(jìn)行中，北斗衛(wèi)星數(shù)正穩(wěn)定增加，而且最關(guān)鍵的原子鐘問題在三代上也解決了，到那時(shí)候咱就不用謙虛了！

　　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(shù)的，自己沒有獨(dú)立定位的能力，沒了GPS你家北斗啥也不是。”等等你這說的是QZSS吧，不能獨(dú)立使用國家花錢搞這個(gè)干嘛？

　　道理很顯然，但是證明起來并不簡(jiǎn)單，為啥？對(duì)于手機(jī)來說衛(wèi)星接收通道硬件是客觀存在的，除非對(duì)外開放了芯片的底層控制指令，所謂“關(guān)GPS”并不是真正的關(guān)閉接收通道，只是不采信GPS定位結(jié)果，不能完全的確保要求驗(yàn)證的“北斗能否獨(dú)立定位”，畢竟芯片的底層算法不可控啊，萬一設(shè)計(jì)導(dǎo)航芯片的人非要偷摸的用GPS引導(dǎo)怎么辦？

　　證明方法就是借助一種特種微波暗室——GNSS測(cè)試暗室！

　　GNSS測(cè)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(hào)，暗室里發(fā)射的信號(hào)照到墻上不會(huì)有反射，只是重點(diǎn)防護(hù)的頻段不同。相比于測(cè)試?yán)走_(dá)或者大型陣列天線的微波暗室，GNSS測(cè)試暗室凈區(qū)不用太大，因?yàn)镚NSS接收機(jī)尺寸都不大，最重要的區(qū)別就是，GNSS導(dǎo)航信號(hào)模擬器，及成套測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，有了這套東西可以模擬地球上任意一點(diǎn)天空的GNSS衛(wèi)星情況，想發(fā)什么信號(hào)就發(fā)什么信號(hào)，想發(fā)哪個(gè)位置就發(fā)哪的，想動(dòng)就動(dòng)，想停就停，并且能夠?qū)Ρ粶y(cè)設(shè)備的定位結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，給出權(quán)威的精度測(cè)試結(jié)果。

　　在暗室里可以保證只能收到北斗衛(wèi)星信號(hào)，功率也是標(biāo)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(jī)確有“北斗獨(dú)立定位”之能力。結(jié)果如何呢：

　　當(dāng)然是沒什么懸念的啦：

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