发射成功!北斗开启全球时代,能叫板GPS?

2020-11-09 15:00:55 132

古有指南针,今有北斗星。


1994年,中国启动北斗一号工程建设,2004年北斗二号启动建设,2009年北斗三号启动建设,今年6月23日,北斗三号最后一颗组网卫星发射成功。从双星定位到区域组网,再到覆盖全球,历时26年。26年,一代代航天人奋斗着、千万万民众期盼着。26年,北斗人爬坡过坎,风雨兼程,有泪水、有欢笑。如今,不走寻常路的中国北斗,以更新的姿态、更强的能力闪耀星空。近日,中国北斗迎来了一个重要的历史时刻。

7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式,宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

这标志着我国北斗建设“三步走”,已成功实现,将正式完成全球组网。

中国向世界宣布,服务于全球的,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

这就意味着,今后中国人无论走到世界的哪个角落,我们都可以依靠自己国家的卫星导航服务寻找到“家”的方向。

今天,我就来跟大家聊聊咱中国北斗的那些事,文末再讲一下大家关心的问题:全球组网后的北斗系统与美国GPS系统到底孰优孰劣?


为什么要建设北斗系统


谈起中国的北斗导航系统,很多人都会习惯性的问这么一个问题:美国的GPS系统已经运行了30多年了,而且对全球用户开放服务,价格服务费用也比较低廉。这种情况下,我国为什么还要花费巨资发射数十颗昂贵的卫星去组建自己的导航系统呢?

事实上,美国的GPS确实为全球用户提供了价格相对低廉的服务,且已经占领了大部分的商用市场,以中国市场为例,我国境内用户使用的苹果、华为、小米等终端设备上都安装了美国GPS系统提供的定位模块,手机厂商只需要缴纳一定的费用即可。

但是,虽然我们接触到的GPS系统大多是商用场合,但是不能掩盖的事实是:GPS本质上是为美国空军研发和服务的军用卫星导航系统,它的最根本需求是战争需要,次要功能是提供民用服务。

而让我国真正下定决心研制自己的导航系统的也是其军用意义。

其一,美国在1990年的海湾战争中,利用GPS精密制导的武器崭露头角。比如,在传统战争中,假设要炸毁敌人的某个大型基地、或者要炸掉某个敌军头目,空军需要数十架轰炸机,携带数百吨弹头,进行地毯式轰炸才能完成任务。而在GPS的精确制导下,美军只需要使用2枚制导导弹就能在数百里的范围外发动精准袭击,节省了大量弹药和时间。

美军给这种新的战法起名为“外科手术式打击”,足见精准定位的重要性。

其二,在1999年的印巴战争期间,美国为了自身利益关停了印巴战区的所有GPS服务,导致双方依赖GPS的大量武器无法使用,大部分的导弹都成了“无头苍蝇”,给双方造成巨大损失。经历过这件事情之后,印度彻底放弃了原本依赖GPS增强印度地区服务的卫星导航系统建设,决心自己做一套独立的系统。

美国的海湾战争、以及印巴战争中印度、巴基斯坦两个军事大国的窘境给中国的触动非常之大,从那时起,中国下定决心要发展以“精准定位”和“信息化”等为特征的现代化军队,导航系统的建设提上日程。

依赖GPS导航的战斧式巡航导弹是“外科手术式打击”的著名武器之一

当然了,即使是在民用领域,你以为GPS会以中国人、欧洲人或者日本人的利益为先吗?显然不是,GPS永远把美国利益放在第一位,如今的廉价服务也仅仅是为了抢占全球市场罢了。

美国在提供GPS服务的早期,就曾经在民用信号上放了特定干扰频段,以提供不同精度等级的定位精度。至于为什么现在又取消了干扰,这还得感谢前苏联的格洛纳斯系统。当时美国为了抢占全球市场,不让格洛纳斯系统钻了空子,不得已在2000年5月2日取消了干扰信号,这才使得定位精度大幅提高。

下图所示为2020年5月2日前后的定位精度图,可见,在5月2日的早上6点钟去除主动干扰后,GPS定位误差由100米以上降低到了10米左右,定位精度大大提高。

GPS定位精度图


北斗导航系统的前世今生


阶段一:中欧合作蜜月期

前面我们说到,中国见识到了精准定位的重要性后,也决心建设一套自己的定位系统。但是,2000年前后的中国科技实力有限,当时只得向欧洲抛出橄榄枝,寄希望于采用“中国提供建设资金、欧洲提供导航技术”的合作方式来建设一套导航系统。

由于当时的欧洲也有意摆脱对美国全球定位系统的依赖,所以中欧双方一拍即合,中国成为了第一个加入“伽利略计划”的非欧盟国家,而且按合约拥有全部使用权。

2003年,中欧双方正式签订合作协议,中国承诺投入2.3亿欧元的建设费用,第一笔7000万欧元当年就完成了汇款,双方科学家也立即着手进行技术储备。

伽利略中欧合作签约仪式

阶段二:中国遭遇排挤

然而到了2005年,随着“亲华”的德国总理施罗德黯然退隐,默克尔上台,法国的萨科齐也代替希拉克崛起,欧洲的政治开始转向,使得欧洲迅速向美国靠拢。

在美国人的引诱下,欧洲重新审议了对华合作方案,对华政策发生了180度大反转,中国虽然是主要投资方,但被挤出了伽利略计划的决策机构之列,中方技术人员也无权接触核心技术。

德国总理默克尔

阶段三:中国自主打造北斗系统

在这种背景下,我国退出了伽利略导航系统的研制,痛定思痛,着手自主开发一套完全拥有自主产权的北斗导航系统。

然而,在中国建设自己的北斗系统之初就遭遇了一个棘手的事,那就是卫星的频率。

在卫星导航系统建设初始阶段,频率资源相对比较充沛,建设时间较早的GPS系统和GLONASS系统不存在频率资源的冲突问题。

但到了北斗系统和“伽利略”系统建设的时候,有限的频率冲突就非常明显了。但是,国际上普遍遵循国际电信联盟“先占先得”的规定,也就是说哪个国家先把这颗卫星发射上去,并且卫星向下发射这个频率的信号,以后这个频率资源就是他的了。

由于“伽利略”系统提前申请了频率资源,并发射了相应轨道高度的卫星,因此在频率争夺中占了先机。

好在,接下来的欧洲经济危机使伽利略的资金链断裂,卫星只占了轨道但没有向地面接收站发射出这个频率的信号,所以严格按照国际电信联盟的规定来说,伽利略并没有该频段的所有权。

此时,我国科学家创造性将S波段划出一部分作为新的导航定位无线电频谱资源,克服重重困难在2012年世界无线电大会上获得通过。至此,我国在该频段上,具有了优先使用权限,在频率争夺战中大获全胜,北斗一号、北斗二号和北斗三号卫星均工作于此频段。

阶段四:北斗系统领先伽利略进度,后来居上

如上文所说,欧洲的经济危机使得伽利略系统的资金链断裂,这给了中国弯道超车的机会。接下来,从2007年开始,中国“下饺子般”的速度陆续发射了多颗中低轨道卫星,北斗二代的组网横空出世!

下图列出了北斗卫星发射历程表。

北斗二号系统的组网成功,使得北斗系统具备了为亚太地区提供精准定位服务的能力。下图是2018年11月16日北斗卫星全球可见情况,目前亚太地区已经逐步点亮。

下面一张图更清晰的画出了北斗二代基本可以覆盖到亚太地区图示。

在2007年至2020年的这13年间,中国迅速构建了国内-亚太-全球的定位能力,赶超了本来先立项的欧洲伽利略系统。在2019年,中国一年内发射了10箭18星,创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。要知道,世界四大系统中,美国GPS系统最快纪录为一年6星,苏格洛纳斯系统为一年9星,欧洲伽利略系统为一年6星。

毫不夸张地讲,北斗今年的建设速度是空前的,随着今天最后一颗卫星的入网,北斗已经成为GPS之后真正具备全球服务能力的第二大全球定位系统!


北斗导航的“绝活”


前面咱们说了这么多,那北斗系统的绝活是什么呢?鉴于篇幅关系,我仅列举3个方面。

01:三种工作频率。

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。

02:有源定位及无源定位的结合。

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。有源定位的好处是当你观测的卫星质量很差,仍然可以定位。

孙家栋院士说:“有源与无源两种体制的结合,是中国北斗的最大特色和亮点,也是中国北斗的优势所在。

03:短报文系统

这可堪称北斗的独门绝活,这个功能简单描述起来就是:北斗不但能知道我在哪,还能让别人知道你在哪。

这个功能是非常具有实用性的,例如。汶川大地震时,真去的唯一的通讯方式就是采用短报文的北斗一。

04:三种轨道搭配

目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道,而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座:27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道,分布在三个轨道面上,保持55度倾角;5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道;3颗卫星处在地球同步轨道(也接近35800千米高)、保持约55度倾角。

GPS星座(左)和北斗星座(右)的对比

这样带来一定好处:卫星定位需要接收机收到至少4颗卫星信号。27颗中圆轨道卫星为主力,围绕地球一圈的轨道周期约为12小时,可以保持对全球范围内任一点的稳定覆盖,在任意时间、任意地点观测到6颗星以上,符合常规卫星定位系统需求。55度倾角的设计,也增加了对人口稠密的地球中低纬度区域覆盖。

北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道则是为中国乃至亚太地区特殊定制而来。日本拥有四颗倾斜同步轨道的准天顶系统,用以提高GPS在日本的应用精度,我国相当于在设计之初就有亚太专属服务。两种高轨卫星的轨道周期与地球自转24小时周期完全同步,因而相对而言5颗卫星静止在赤道上空,3颗卫星由于倾角设置相对地面做固定周期的运动,投影轨迹始终留在亚太及沿赤道对称区域,抗遮挡能力强。因而在亚太地区可以几乎永久保持至少12颗卫星可见,大幅提高该区域定位精度。在配合地面建设的增强基站情况下,实现分米乃至厘米级定位亦很现实。

可以从卫星轨迹在地面投影看出北斗的亚太服务专属:蓝色8字形轨迹为倾斜同步卫星,红点为地球静止卫星,绿色为服务全球的中圆轨道卫星。


北斗导航能叫板“GPS”吗?


我们评价一个定位系统的好坏的指标是什么?对于专业人士来说,需要考虑授时精度、年均中断次数、可维护性等多个指标。

但对于普通大众来说,最直观的,应该就是我们能够直接体会到的定位的准确性,也就是精度。

对于一个卫星导航系统来说,定位误差的主要来源有7项,分别是:时钟误差、轨道误差、对流层误差、电离层误差、微距噪声、接收机噪声、多径误差。这7个误差项中,对流层误差、电离层误差等都可以通过额外手段消除,直接能体现卫星性能的只有三项,分别是:时钟误差、轨道误差、伪距噪声。

因此,我们评价北斗卫星和GPS卫星性能好坏,就看这三个误差项了,这三项合起来有一个名字,叫做用户测距误差URE,它是UserRangeError的缩写。

用户测距误差最终体现到定位上就是定位误差,下面的图就是从用户测距误差到用户定位误差的很好描述。

我们先来看一下GPS的定位误差如何。

根据2016年GPS官网发布的数据显示,在95%的概率下,GPS星座卫星的用户测距误差URE平均值为1.28米,只有5%的概率误差会超过1.28米。可见,GPS的定位精度是非常优秀的。

下面这张图为GPS的URE测试数据。

那么GPS的定位精度呢?

NGA和IGS两个不同机构都测试了GPS的定位精度数据,该数据如下图所示。

可以看到,NGA测得GPS在垂直方向上(红色曲线)的定位精度在1.5米左右,最大2米,在水平方向上(蓝色曲线)的定位精度在1.0米左右,最大1.5米;

IGS测得GPS在垂直方向上(粉红色曲线)的定位精度在2.2米左右,最大3米,在水平方向上(浅蓝色曲线)的定位精度在1.3米左右,最大1.6米。

可见,即使按照最大误差数据,GPS的误差也保持在3米以内。注意,这是还仅仅是依靠GPS卫星,没有使用任何辅助手段的情况下取得的定位精度。

那么北斗系统的定位精确度如何呢?

由于北斗三号卫星组网今天刚刚完成,我们还没有得到实测的定位数据。因此,我们就以北斗二号的数据与GPS系统作为对比。

在2017年9月27日举行的“57thMeetingoftheCivilGPSServiceInterfaceCommittee”会议上,中国代表的报告指出,95%概率下北斗二号的用户测距误差目前在2米以内,垂直方向的定位精度在8米以内,水平方向在4米以内。

下面两个表格显示了北斗二号系统的URE指标和定位精度指标。

所以从上面的数据来看,北斗二号的URE为2米,GPS的URE为1.28米,显然北斗二号与GPS相比是有些差距的。

然而,我们说了上述的数据都是北斗二号的定位数据,它显然代表不了北斗三号的性能。

北斗二号只是覆盖了亚太地区,而GPS则是全球覆盖,显然GPS的可用卫星空间几何状态的精度因子PDOP值比北斗要高一些,也就是说卫星数量越多,定位偏差的修正性能越好,我们拿尚未组网完成的北斗二号与已经拥有几十颗卫星的GPS比显然是不公平的。

下图是PDOP曲线,蓝色曲线为北斗系统,红色曲线为GPS。

那么,随着今天北斗三号“收官卫星”的发射,全球组网的北斗系统是否就超越了GPS呢?

虽然目前官方还没有公布北斗系统的实测定位数据,但我们可以从北斗系统新闻发言人冉承其的描述中得到答案:北斗三号将在北斗二号性能的基础上,再提升1~2倍的精度,也就是保证垂直精度小于5米,水平精度小于2.5米。

我们前文提到,GPS在垂直方向上的定位精度在1.5米左右,最大2米,在水平方向上的定位精度在1.0米左右,最大1.5米。从这些指标来看,北斗系统的定位精度仍然稍逊一筹。

看到这里,你可能就有些失望了。我们在2020年组网完成的定位系统为什么会落后于GPS呢?

可你是否想过,即使我们从北斗二号投入使用的2012年开始算,到现在为止也只是发展了8年。

而GPS近40年的使用过程中并非没有技术上的更新换代,它并非一个老古董,GPS近些年庞大的商用利润保证了GPS系统能够有钱持续更新迭代。

俗话说的好:饭要一口一口吃,路要一步一步走,赶超也需要时间。

如果要我给咱们的北斗系统排个名,北斗已经超越了俄罗斯的GLONASS系统,领先了欧洲的伽利略系统,缩小了与GPS的差距。

这样看来,咱们的北斗导航系统妥妥的世界老二。

科学驿站表示:承认差距,是为了更好地进步。