中国北斗是咋回事？从GPS说起

　　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。

　　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。中国北斗卫星导航系统总设计师杨长风31日对记者表示，2015年我国还将发射3到4颗北斗导航卫星，构成一个完整的试验体系，北斗导航卫星再次进入密集发射期。 首颗新一代北斗导航卫星将实现技术突破，除了寿命由8年延长到10到12年外，在功能、性能上将有较大提升，可为全球用户提供更高精度的卫星导航服务。下一代全球覆盖导航卫星从性能指标上要比现在在轨运行的这个系统性能提高1到2倍，最高精度会达到2到3米。

　　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。

　　(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。

　　(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，直到他死掉那天。

　　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，我个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，但是他的高程精度是软肋，比水平精度差得比较多，一般是1.5倍到2倍。 @silencew 说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。(以及有条件的相对定位。@snailchaser：绝对定位的话，长时间的静态PPP(精密单点定位技术)确实可以达到mm级，不过用相对定位的方法(载波相位测量+双差解模糊度)，在短基线+较开阔环境下，也是可以稳定达到mm级的，甚至连动态也能达到这个精度。)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，没有高大建筑遮挡，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，我们学校就有建这样的观测站，我们是不能进去看的，因为会干扰信号，只能瞻仰下外观了。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。

　　促进整个制造业的升级。

　　专家预测，到2015年，中国北斗相关产业规模将突破500亿。 预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”北斗很赚钱，国家给你创造机会了，这个钱要怎么拿，就看各自的本事了。看看全国遍地开花的北斗产业园就知道机会多难得。整个系统国家只负责空间星座和地面监控部分，这两部分耗资巨大，技术要求高，且具有唯一性，系统性能指标主要取决于这两部分。

　　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。

　　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。 北斗的第一颗卫星在 2007年4月14日发射升空， 2012年10月25日第16颗北斗卫星发射，这是北斗区域网最后一颗卫星，北斗导航工程区域组网顺利完成， 2013年12月27日正式发布了《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》和《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》两个系统文件，这是北斗正式商用的标志，所有的厂商都可以根据这两个文件来开发自己的产品。北斗与GALILEO在使用频率上是有竞争关系的(有重叠)， “根据 “谁先使用谁先得”的国际法原则，中国在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐。败下阵来，失去对频率的所有权。

　　国际认可。新闻：北斗正式纳入IMO全球无线电导航系统-2014年11月新闻

　　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。

　　北斗的问题：

　　国外监控站很少，优势与劣势并存的GEO卫星，星钟的差距，等等。

　　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。

　　(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。

　　(3)强制安装北斗。这一条消息刚出来的时候我也特别不舒服，但是请参考凤凰军事的短评。“ 明明知道GPS是处于绝对垄断地位的产品，却鼓吹“北斗”去搞什么所谓“市场竞争”，完全就是一种闹剧。这种言论明显背叛了市场经济最基本的原则。”