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GPS VS 北斗 | 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大PK!
2024-12-10 中國電信博物館
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在信息化的社會里,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已然成為人們?nèi)粘I钪械闹匾?,無論在導(dǎo)航指引、精準(zhǔn)定位,還是應(yīng)急通信服務(wù)領(lǐng)域,它都扮演著舉足輕重的角色。

自20世紀(jì)末以來,GPS作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域的先驅(qū)便以其全球覆蓋、高精度定位等優(yōu)勢成為了導(dǎo)航技術(shù)的“代表”。它的出現(xiàn)極大推動了軍事、航空、航海等領(lǐng)域的導(dǎo)航精確度,深刻改變了人們的日常生活,可以說從智能手機的地圖導(dǎo)航到物流運輸?shù)木珳?zhǔn)追蹤,GPS無處不在!

而北斗作為中國航天科技的重要成果,它在發(fā)展中逐漸形成了自己的獨特優(yōu)勢。北斗不僅提供了與GPS相媲美的全球定位服務(wù),更在短報文通信、星基增強等特色功能上獨樹一幟,其精度與可靠性在亞太區(qū)域內(nèi)得到了廣泛認(rèn)可。

那么,北斗和GPS有什么區(qū)別?它們各自的優(yōu)點又是什么呢?如果之前“北斗”對你來說還只是一個名詞,那么看完今天的文章,你就不再是一個北斗“小白”了!

一、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是什么?

在深入探討GPS與北斗之前,讓我們首先理解一個基礎(chǔ)而關(guān)鍵的概念——全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, 簡稱GNSS)。它是一種通過衛(wèi)星提供定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)可以通過利用在軌衛(wèi)星的電波信號,實現(xiàn)測距、三維定位和測速等功能,能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度和時間信息。

根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會公布,全球共有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商,他們分別是:中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)以及歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO),它們之間是兼容和互操作的關(guān)系,不是非此即彼。

二、GPS與北斗的核心區(qū)別

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)由美國國防部于1973年組織研制,歷經(jīng)20年,耗資高達300億美元。于1994年問世。雖然該系統(tǒng)最初是為軍事導(dǎo)航與定位而生,它卻在發(fā)展中走進了千家萬戶,并逐漸具備了全球性、全天候、高精度、快速實時的三維導(dǎo)航、定位、測速和授時功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS,BeiDou Navigation Satellite System)由中國自主建設(shè)、獨立運行,是一種著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要,與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它旨在為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。

01 衛(wèi)星數(shù)量與布局

在衛(wèi)星布局上, GPS目前在軌衛(wèi)星31顆,均勻分布在6個軌道平面內(nèi),以55°的傾角環(huán)繞地球,平均高度達20200公里,運行周期精準(zhǔn)控制在11小時58分鐘,確保了全球定位系統(tǒng)的連續(xù)覆蓋和準(zhǔn)確性。

而北斗系統(tǒng)則采用了更為復(fù)雜的衛(wèi)星構(gòu)成。截至目前,北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星已達59顆。這些衛(wèi)星分別位于中圓地球軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道,通過精密的布局與協(xié)同工作,確保了北斗系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的穩(wěn)定覆蓋與高效服務(wù)。

02 定位精度

作為目前商業(yè)應(yīng)用最廣的衛(wèi)星導(dǎo)航,GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位精度在2023年10月份達到了0.1米的水平,也就是說,GPS系統(tǒng)能夠測量出用戶位置的誤差在0.1米以內(nèi)(根據(jù)美國國家空間政策委員會(NSpC)的報告)。

根據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室(CSNO)的報告,北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星定位精度在2023年10月份達到了2.5米的水平,這意味著北斗系統(tǒng)能夠測量出用戶位置的誤差在2.5米以內(nèi),這是目前世界上第三高的衛(wèi)星定位精度,也是中國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)成就。 同時,結(jié)合地基增強技術(shù),北斗可以提供厘米級甚至毫米級的定位服務(wù)。這主要依賴于地面上的高精度增強網(wǎng),該網(wǎng)絡(luò)通過實時處理和事后處理,能夠顯著提高定位精度。

作為全球第一個采用三頻信號定位的衛(wèi)星系統(tǒng),北斗系統(tǒng)隨著技術(shù)的不斷進步和地面基站等輔助設(shè)施的完善,其定位精度也可比肩GPS。

03 定位原理

GPS系統(tǒng)利用多顆衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時間和位置信息的無線電信號,用戶設(shè)備接收這些信號,并通過測量信號從衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮斩说臅r間差來計算距離,進而利用三角定位原理確定自身的三維位置。在這個過程中,用戶設(shè)備需獨立解算定位數(shù)據(jù),因此GPS定位的實時性較好。

而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)則可以提供無源和有源兩種定位體制。無源定位即目前GPS系統(tǒng)的定位體制,其運行方式為衛(wèi)星廣播定位信號,用戶端負責(zé)接收處理;而有源定位是允許用戶端發(fā)送定位請求,衛(wèi)星收到信號后反饋定位信息,也就是與衛(wèi)星進行雙向通信。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方式也和GPS不同,其定位原理是基于主動式雙向測距。終端不僅要接收來自衛(wèi)星的信號,還要向衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號,通過終端發(fā)送定位請求到地面的服務(wù)基站,再由基站溝通衛(wèi)星,計算終端到地球地心的距離,衛(wèi)星到終端的距離,最后解碼算出坐標(biāo)之后再發(fā)送給終端。由于這個過程中地面基站會保存每個終端的位置,因此北斗系統(tǒng)對用戶設(shè)備的容量有一定的限制。

04 功能特點

在功能方面,GPS和北斗系統(tǒng)都提供了定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。而北斗系統(tǒng)還具備獨特的雙向報文通信功能,這是其他導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的。這意味著北斗系統(tǒng)的用戶終端可以發(fā)送包含40—60個漢字的短報文信息,這在某些特定場景下非常實用,比如應(yīng)急通信或偏遠地區(qū)的通信。如果是在中國及周邊地區(qū),一次可以發(fā) 1000 個漢字,它可以不受周圍基礎(chǔ)設(shè)施的限制,只要有衛(wèi)星信號就能隨時隨地進行通信。比如,2021年云南“象群迷路”事件中,北斗系統(tǒng)就派上用場,默默守護著象群。

三、你的手機里有北斗嗎?

GPS原本是全球定位系統(tǒng)的通用稱呼,但由于美國率先開發(fā)了定位系統(tǒng)并使用了這個名字,讓它與美國全球定位系統(tǒng)緊密相連。但實際上,現(xiàn)在的手機芯片大多非常智能,它們能夠兼容并處理來自多個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號,比如中國的北斗、歐洲的伽利略等。

當(dāng)你使用手機進行導(dǎo)航時,它其實是在綜合多個衛(wèi)星系統(tǒng)的信息,為你提供最準(zhǔn)確的定位服務(wù)。所以,你的手機是否在使用北斗,關(guān)鍵不在于你聽到了什么名字,而在于它的“心臟”——芯片。只要芯片能夠接收并解析北斗的信號,那么你的手機就是在用北斗來為你指引方向。

值得一提的是,現(xiàn)在中國市場上的智能手機對北斗的支持度非常高。2023年國內(nèi)智能手機出貨量為2.76億部,其中 2.69億部智能手機支持北斗定位功能,占比約98%;支持北斗三號短報文功能的國產(chǎn)智能手機,年銷量已經(jīng)達到數(shù)百萬部。部分國產(chǎn)新能源汽車也具備北斗定位或短報文通信功能,基于北斗高精度的車道級導(dǎo)航,已覆蓋全國超過100座城市的普通道路。

從某種程度上來說,北斗替代GPS將指日可待。國內(nèi)大部分智能手機廠商都內(nèi)置了北斗導(dǎo)航芯片,完全不需要下載任何軟件。只要手機支持北斗定位,你就可以使用北斗導(dǎo)航。當(dāng)然,你也可以給你的手機裝個測試軟件試試,比如“GPS狀態(tài)”“北斗伴”“AndroiTS GPS Test Pro”等等,就能查看當(dāng)前衛(wèi)星狀態(tài)。

此外,大部分地圖軟件目前都支持北斗定位,例如高德地圖或百度地圖。

雖然人們可能對GPS的應(yīng)用更為熟知,但可以預(yù)見的是,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用前景將愈發(fā)廣闊,其市場版圖勢必持續(xù)擴張。同時,依托于其不斷強化的創(chuàng)新能力與發(fā)展?jié)摿Γ倍废到y(tǒng)將有力推動社會經(jīng)濟效益的顯著提升,在GPS長期主導(dǎo)的市場中穩(wěn)步“開疆拓土”,為全球用戶帶來更加精準(zhǔn)、高效、多元的定位導(dǎo)航服務(wù)新體驗。

參考資料:

1. 《調(diào)整北斗定位優(yōu)先級,北斗有望取代GPS?》,來源:物聯(lián)傳媒,作者:朝霞;

2. 《中國北斗與美國GPS差距有多大?核心數(shù)據(jù)曝光,日媒驚嘆》,來源:每日經(jīng)濟新聞;

3. 《42頁PPT,徹底看懂北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)!》,來源:鮮棗課堂;

4. 《GPS工作原理》,來源:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)站;

5. 《好消息!北斗高精度定位服務(wù)已進入大眾手機,精度可達2到3米》,來源:北京日報;

6. 《[科普中國]-北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)》,來源:科普中國,內(nèi)容貢獻者:徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué);

7. 《全球?qū)Ш?,中國北斗已和美國GPS并駕齊驅(qū)》,來源:科普中國。

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