當前位置: 華文問答 > 科學

北鬥導航系統有多厲害?

2019-01-04科學

不吹不黑,用事實說話。對於北鬥,或則GPS,我們所謂的 到底指什麽?最直觀的,也是我們普通人能夠直接體會到的,應該就是「 定位的準確性 」。對於專業人員來說,評價標準那就多了,比如授時精度、可用性、年均中斷次數等。那麽我們普通人就以「 定位準確性 」作為對比,以下數據全部來自GPS官網,是具備說服力的。

一個導航系統的定位誤差有哪些,我在為什麽北鬥衛星和GPS衛星定位系統的高精度定位不向普通使用者開放?下回答過,主要誤差來源有7項:時鐘誤差、軌域誤差、對流層誤差、游離層誤差、偽距雜訊(就是導航訊號本身的精度)、接收機雜訊、多徑。那麽由衛星直接能體現的有幾項呢?三項:時鐘誤差、軌域誤差、偽距雜訊。其他幾項,像對流層誤差、游離層誤差可以透過額外手段消除,接收機雜訊、多徑就跟接收裝置和場地有關了。因此,我們就以時鐘誤差、軌域誤差、偽距雜訊三項作為比較物件,這三項合起來有一個名字,叫做使用者測距誤差URE(User Range Error)。

使用者測距誤差最終體現到定位上就是定位誤差,下面的圖就是從使用者測距誤差到使用者定位誤差的很好描述。

根據2016年GPS管理機構釋出的「An Analysis of Global Positioning System (GPS) Standard Positioning System (SPS) Performance for 2016」,2016年,在95%的範圍內,整個GPS星座衛星的使用者測距誤差URE平均只有1.28公尺,相當優越。95%的意思是:使用者測距誤差URE在95%的機率下是不超過1.28公尺的,有5%的可能超過1.28公尺。

下面的圖更加直觀。

那麽GPS的定位精度呢?請看下圖,NGA和IGS是兩個不同機構,可以看到,GPS在垂直方向上的定位精度在3公尺以內,在水平方向上的定位精度在1.5公尺以內。可以說是相當高的,註意,這是僅僅依靠GPS衛星,在沒有任何輔助手段的情況下取得的定位精度。

那麽北鬥的情況如何?根據2017年9月27日舉行的「57th Meeting of the Civil GPS Service Interface Committee」上中國代表的報告,北鬥二號的使用者測距誤差目前在2公尺以內(95%機率下)。而垂直方向的定位精度在8公尺以內,水平方向在4公尺以內。

可以說,目前的北鬥二號效能跟GPS還是有差距的。造成這種差距的原因是多方面的,比如:1、GPS采用的銫原子鐘穩定性要比北鬥二號的銣原子鐘要好,這個我在天宮二號搭載的冷原子鐘相比其他型別的原子鐘有什麽不同?為什麽能使北鬥衛星的定位精度大幅提高?下面的回答中提到過。

2、米國遍及全球的GPS監測跟蹤網路更好地保證了衛星軌域測量的準確度。

3、北鬥二號目前只是覆蓋亞太地區,而GPS則是全球覆蓋,表明可用衛星空間幾何狀態的精度因子PDOP值,目前北鬥還比GPS要差點。

為了縮小這種差距,北鬥也是在不斷進步的,比如馬上要發射的北鬥三號將采用比銫原子鐘穩定性還要高的氫原子鐘。

隨著衛星數的增加,北鬥系統的定位精度也會穩步提升,達到2.5公尺至5公尺。確實是在現階段「垂直方向定位精度在8公尺以內,水平方向在4公尺以內」基礎上提升了1~2倍。

北鬥二號從2012年開始投入使用,到現在也只不過過了6年,而GPS已經使用30來年了。飯要一口一口吃,路要一步一步走,趕超也需要時間。承認差距,是為了更好地進步。你看,北鬥官網上就講的比較客觀,也沒吹牛說現階段已經實作「趕美國GPS超俄羅斯Glonass」了。

那麽,為什麽北鬥會在網上遭部份人黑,被人認為在吹牛呢?我覺得主要原因有幾點。

1、部份新聞媒體為吸引眼球瞎報道

比如下面的報道,「GPS完敗」,是不是吸引你的眼球。

然後你點進去一看,人家是這麽描述的。北鬥精度達到亞米級,而GPS民用修正也就4公尺。關鍵是,作者認為這兩個量值差別還不止一個量級,作者對量級這個概念到底了不了解。然後,對衛星導航系統不甚了解的民眾就會想:不對啊,我怎麽沒感覺到北鬥這麽高精度。最後得出結論:北鬥吹牛。

再來看一則,目前商用市場占有率排名第二的俄羅斯Glonass要融入北鬥?怎麽回事?

然後你點進去一看,明明是兩個系統的相容互操作合作,被這新聞說成了Glonass融入北鬥。我在北鬥在幾個定位系統中能排第幾?如何看待蘋果支持日本QZSS卻不支持北鬥?中回答過,各個衛星導航系統在同一頻點采用相似的訊號,就是為了實作各個系統民用方面的相容,並不存在誰融入誰。

2、部份民眾還以為北鬥有使用者使用數限制

中國北鬥的發展從國情出發,分三步走,第一步是2000年在中國及周邊區域形成有源定位服務能力。第二步,2012年在亞太區域實作無源定位服務能力。第三步,2020年實作全球無源定位能力。有源和無源有什麽區別呢?有源就是,如果你想實作定位,就必須先給衛星發送訊號,由衛星轉向地面控制站,地面控制站算出你的位置後再透過衛星發送給你。這種定位方式需要使用者發送訊號,在軍事上極易被人偵查到。同時,由於衛星要接收使用者的請求,使用者同時請求時受到衛星能力限制,所以使用者使用數是由上限的。但是,從2012年起,北鬥也已經對外提供無源定位服務,只要在其服務範圍之內,使用者只需要接收就能實作定位,理論使用者上限無窮大。

3、北鬥要求強制安裝

交通運輸部明確規定:從2013年1月1日起,各示範省份在用的旅遊包車、大客車、危險品運輸車輛需要更新車載終端的,應安裝北鬥 相容 車載終端;所有新進入運輸市場的重型載貨汽車和半掛牽引車應加裝北鬥 相容 車載終端,並接入道路貨運車輛公共監管與服務平台;鼓勵農村客運車輛安裝北鬥相容車載終端;自2013年6月1日起,所有新進入示範省份運輸市場的以上三類車輛及重型載貨汽車和半掛牽引車,在車輛出廠前應安裝北鬥 相容 車載終端。凡未按規定安裝或加裝北鬥相容車載終端的車輛,不予核發或審驗道路運輸證。

那麽在「兩客一危」上安裝的車載終端工作原理是怎麽樣的呢?兩客一危透過接收 北鬥/GPS 訊號實作自己的定位,並將位置資訊透過移動/聯通/電信網路發送至管理平台,以使管理機構能夠有效管理「兩客一危」。其實,在美國,Federal Motor Carrier Safety Administration 也是建議在車輛上安裝GPS相關裝置的。 不可否認,該項規定有強制嫌疑。但是,如果安裝的車載終端只能接收GPS訊號,那麽這項車輛管理系統就始終有脖子被捏在別人手裏,人家不給你用,你這個系統就完全癱瘓掉了。

同樣的套用也發生在船舶上,船舶上安裝有接收北鬥/GPS的接收機,能夠定出自身的位置。如果船舶航行在岸邊,那麽透過岸邊基站,尚能將船舶位置資訊傳給岸上。這項船舶位置回傳叫做AIS——Automatic Identification System,但是在地面網路無法覆蓋的遠海呢?

美國有一個專門的低軌域衛星星座Orbcomm,專門用來收集遠海上的船舶位置資訊,回傳至船舶管理機構。

但是,中國的船舶位置資訊回傳如果交給美國公司,所有的船舶資訊都將無所保留地奉獻給美國。由於北鬥具有短報文功能,即北鬥是可以在海上發簡訊的,所以透過北鬥,將北鬥覆蓋區域內的中國船舶位置回傳,既能保證資訊保安,又能在船舶遇險時及時救援。

在航空領域,同樣的服務叫做ADS-B——Automatic Dependent Surveillance-Broadcast。飛機是時刻都在向外匯報其位置資訊的,但是傳統的ADS-B接收站點都建立在陸地上,如果飛機飛越海洋,那麽其位置資訊很有可能遺失,這也是為什麽馬航Mp70最後消失在哪裏都不知道的原因。剛由馬斯克SpaceX公司發射的「」銥星下一代「」就具備接收飛機位置資訊功能,以後飛機將時刻保持線上。

上述在陸地、海洋、空中的位置資訊監控服務都需要用到通訊功能,同時還需要搭建服務平台,這也是為什麽這項位置資訊服務是收費的原因,而透過北鬥衛星傳遞這些位置資訊也保證了資訊保安。

所以,你覺得北鬥衛星導航系統怎麽樣?現階段,北鬥還只是覆蓋亞太區域,隨著2020年北鬥提供全球服務的臨近,其效能的提升是肯定的。GPS畢竟先行了那麽多年,在系統效能、營運管理方面,北鬥與其有差距是客觀存在的。但承認差距不等於甘願認輸,有差距才能激勵中國北鬥追趕,直至趕超。

國之重器,中國北鬥!



看到大家對「兩客一危」強制安裝北鬥終端(實際上是既支持北鬥,又支持GPS的終端)意見很大,那我們來看下歐洲是怎麽推廣Galileo、俄羅斯是怎麽推廣Glonass的。


首先是歐洲Galileo

The GSA, along with the European Commission, invite all eCall device manufacturers, which are suppliers of the automotive industry, to participate and assess their eCALL devices’ capability to support the reception and processing of the Galileo and EGNOS signals.

The testing initiative follows the 17 January 2017 publishing of European Commission Delegated Regulation (EU) 2017/79. According to the regulation, all new M1 (passenger cars) and N1 (light duty vehicles) types must be equipped with eCall in-vehicle systems as of 31 March 2018.

From 2019, all heavy vehicles must be equipped with a new Smart Tachograph, an improved version of the already existing digital tachograph which monitors and records the driving and resting times of professional drivers.

Smart Tachographs include a connection to the global navigation satellite system (「GNSS」) facility, a remote early detection communication facility, and an interface with intelligent transport systems, which will make it easier for authorities to track and identify potential offenders and detect fraud.

以上是歐洲要求安裝Galileo的情況,材料全部來自歐空局ESA或者Galileo官網,如果你想看這條法規出處的話,可以參考歐空局<<Eoropean GNSS Agency 44th meeting of the Administration Board>>在2006年的工作報告。



然後是俄羅斯Glonass,材料全部來自Glonass官網,來自俄羅斯推行的ERA-Glonass計劃。

PURPOSE OF THE SYSTEM:

Government Accident Emergency Response System ERA-GLONASS utilizes GLONASS technology for enhancing transportation safety. The ERA-GLONASS System will reduce emergency services’ time-to-arrival by up to 30%, saving up to 4,000 additional lives every year.

DEPLOYMENT SCALE:

All roads in the country, the entire vehicle fleet (40 million vehicles).

Russian ERA-GLONASS and EU's eCall – coordinated standards and protocols, common road safety space.