什么是北斗卫星导航系统？它与 GPS 有何不同？

中国航天局（CNSA）既不是世界上历史最悠久也不是最大的航天机构，但它即将实现过去只有少数人完成的壮举；建立一个功能齐全的全球导航卫星系统或GNSS。

GNSS 只是一个在全球舞台上提供各种地理空间服务的卫星导航系统。目前，仅有美国制造的 GPS 和俄罗斯的 GLONASS 是仅有的两个这样的系统。

我几乎可以肯定，我们的大多数读者都对 GPS 或全球定位系统及其不太受欢迎的竞争对手 GLONASS 了如指掌，但北斗这个名字是否为您敲响了警钟？对于那些不知道的人，北斗 (BDS) 是中国首屈一指的卫星导航系统，由 CNSA 单独管理。

据信，这样一个广泛项目的想法最初是由中国政府在 1980 年代构想的，以响应美国在军事太空技术方面的进步。北斗的名字来源于北斗七星，这是一群位于大熊座的明亮恒星。

与目前正在开发的 GPS、GLONASS、Galileo 等导航系统一样，北斗的最终目标是在全球范围内提供更准确的服务（相对于其他 GNSS）。

为了实现这一目标，整个项目被精心组织成三个阶段；第一阶段（北斗一号）于 2000 年开始，第二阶段于 2007 年开始，第三阶段是 2015 年。北斗卫星导航系统预计将于 2020 年某个时候在全球范围内运行。

简而言之，北斗是中国版的 GPS，但在区域范围内（至少目前是这样）。它是亚洲第二个运营的区域导航系统，另一个是 NAVIC（印度拥有）。如果一切顺利，中国的北斗将在全球范围内与 GLONASS 和 GPS 竞争。

北斗一号和二号

包括北斗二号（COMPASS）在内的不同卫星系统的轨道对比

随着北斗一号A的发射，北斗卫星导航系统的第一阶段和探索阶段于2000年10月30日启动 卫星。紧随其后的是北斗一号B和北斗一号C，分别于2000年12月20日和2003年5月25日发射。

三颗北斗卫星的成功部署标志着该项目的初步成功。随后还发射了一颗备用卫星（北斗四号），以备不时之需。

有趣的是，北斗一号的四颗卫星都驻扎在地球静止轨道 (GEO)，而不是像 GPS 和 GLONASS 那样驻扎在中地球轨道 (MEO)。

通过在地球静止轨道上使用其卫星，北斗一号消除了对大型卫星星座的需求，但是，它也限制了它可以覆盖的最大区域（地球上）。其有效覆盖范围为东经 70 度至东经 140 度，北纬 5 度至北纬 55 度。北斗一号于2012年全面淘汰。

另一方面，早在 2008 年，单个北斗 1 接收器的成本约为 2,929 美元（人民币 20,000 元），比当时的 GPS 终端贵近 10 倍。据报道，由于昂贵的进口微芯片，价格高得离谱。一旦他们开始在国内制造芯片，他们的价格就会大幅下降。

北斗一号和北斗二号覆盖区域对比图片提供：北斗政府网

北斗导航系统的第二阶段，BeiDou-2，也称为 COMPASS , 于 2007 年推出，是对之前系统的重大升级。直到 2008 年，中国导航仪只向军队和中国其他相关政府机构提供服务，但可供民用和商业使用。

在这一阶段，共部署了 19 颗卫星（其中两颗现已退役），其中一颗卫星将于 2019 年发射。 在初始阶段，COMPASS 提供的报告定位精度为 25 米，但在更多卫星成为可操作。

新系统于 2011 年 12 月全面投入使用，并于 2012 年底向亚太地区的其他国家开放了定位和导航服务。目前北斗的覆盖范围在东经55°到180°之间，北纬55°到55°之间。

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精度和频率

与 GPS 和伽利略非常相似，北斗在两个不同的层面上提供服务——免费供民用的服务和供军用的受限版本。民用服务具有10米的位置跟踪精度和10纳秒的时钟同步精度。

另一方面，其受限服务具有更高的10厘米跟踪精度，并具有先进的数据传输能力。迄今为止，只有中国和巴基斯坦武装部队才能进入北斗的受限频道。北斗的测距信号基于码分多址 (CDMA) 方法。

GPS、伽利略和北斗2（COMPASS）的频率分配

北斗二号有四个公认的频段； E1、E2、E6 和 E5B（在上图中以红色条显示）。如您所见，它的所有四个波段都与伽利略的波段重叠。虽然这些类型的重叠在一定程度上是有益的（它可以解决与接收器或接地端子设计相关的问题），但它们大多会造成信号干扰等严重问题。

如果两个导​​航系统在相似的情况下同时启动，它们很有可能会受到严重的信号干扰，尤其是在 E1 和 E2 频段内，这些频段目前分配给伽利略的公共服务。

然而，为了避免这些类型的冲突，国际电信联盟 (ITU) 制定了一项普遍的“先到先得”法，允许首先开始广播的国家拥有特定频率的权利。任何愿意使用该频率的后续用户国家都必须在使用前获得所有者国家的许可。这样双方就可以确保他们的广播不受干扰。

现在，几乎可以肯定的是，中国的北斗二号将在伽利略卫星之前开始在上述有争议的频段进行传输，从而获得这些频率的主要权利。

北斗三号

中国国家航天局 (CNSA) 于 2015 年 3 月 30 日启动了北斗导航卫星的第三阶段，北斗三号卫星从位于四川省的西昌航天中心首次发射。该阶段计划共发射35颗卫星，其中19颗已在各自的轨道上运行。

北斗 3 将引入新的频段； B1C/B1I/B1A (1575.42 MHz)、B2a/B2b (1191.795 MHz)、B3I/B3Q/B3A (1268.52 MHz) 包括测试频率 Bs (2492.028 MHz)。

在总共 35 颗卫星中，27 颗是中地球轨道 (MEO) 卫星、5 颗倾斜地球同步轨道 (IGSO) 卫星和 3 颗地球静止轨道 (GEO) 卫星。这些卫星还具有类似于GPS和GLONASS的SAR（合成孔径雷达）和SBAS（星基增强系统）能力。

北斗商用

北斗卫星导航系统在中国取得了商业上的成功。据《中国日报》报道，北斗帮助中国航天科工集团和高德控股等多家民营和国有企业在 2015 年创造了超过 310 亿美元（2000 亿元人民币）的收入。文章还指出，这个数字可能会达到到2020年达到4000亿元。

2013年以来，国内多家手机厂商纷纷推出兼容北斗导航系统的产品。数百万辆商用车、数千艘渔船（在中国）也配备了北斗系统，未来几年更有可能获得客户群。

如您所知，现在越来越多的移动设备同时配备 GPS 和 GLONASS 技术以提供更好的覆盖范围和位置服务，因此北斗也加入其中可能只是时间问题。

它与 GPS 的区别

卫星导航系统无疑是当今任何国家都可以拥有的重要技术之一，考虑到中国目前与美国的地缘政治和经济立场，它对中国更有价值。

有了 GPS 在他们的控制之下，美国陆军可以有效地停用其在全球任何地区的服务，这就是许多国家正在开发类似 GPS 的独立系统的原因。

除了精度，两者之间没有太大区别。 GPS 的星座大小为 31 颗卫星，而新的北斗将拥有大约 35 颗卫星。全面投入使用后（到 2020 年），北斗卫星导航系统有望提供比 GPS 更准确的定位服务。

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早在 2016 年，就有人声称中国系统将达到毫米级精度（经过后处理），这意味着它的精度将是最精确的 GPS 水平的十倍。

WAAS（广域增强系统）覆盖的区域图片提供：美国联邦航空管理局

在美国、加拿大和墨西哥上空 GPS 通常与称为广域增强的导航辅助装置一起使用 或 WASS 系统，可显着提高北美大陆 GPS 的准确性。

据 gps.gov 称，在高端接收器和实时运动学等先进技术的帮助下，基于美国的系统将能够在几厘米内提供实时定位精度，并测量毫米级的距离。目前，美国空军与洛克希德马丁公司正在合作研发第七代 GPS 卫星 GPS III。

众所周知，GPS 的垂直精度与其在水平面上的服务相比要差很多，但它在两个组件上的精度水平仍然高于北斗（水平 25 米和垂直 30 米）。

但是，根据中国航空学报的一篇文章，北斗的水平精度可以达到1厘米以上，垂直精度可以达到3厘米以上，按照目前的标准，这远远优于全球定位系统（GPS）。

其他卫星导航系统

除了北斗，目前在建或已经投入使用的卫星导航系统很少。这些系统中最引人注目的是 Galileo .欧盟的伽利略是一项耗资数十亿美元的项目，旨在为欧洲国家提供高度准确和独立的定位系统，同时考虑到地缘政治因素。整个伽利略星座由 26 颗卫星组成，未来十年将进一步部署 6 颗卫星。

IRNSS（印度区域导航系统的简称）或 NAVIC 是另一个自主导航系统，由四颗卫星组成的星座（计划再增加三颗卫星）。 NAVIC由印度空间研究组织独立开发和维护。

显然，IRNSS 提供 10 m（开放服务）和 10 cm（限制服务）的定位精度。与 GPS、GLONASS 和伽利略不同，印度导航系统没有立即提供全球服务的计划。

描绘 QZSS 卫星轨道的动画图片提供：Hiroshi FUKUDA

接下来是日本的准天顶卫星系统或 QZSS .这是一个与 GPS 兼容的基于卫星的增强系统，基本上可以提高 GPS 在日本及其周边地区的准确性和可靠性。目前QZSS系统由4颗卫星组成，到2023年将逐步扩展到7颗（估计）。

它的四颗卫星中的三颗位于高度倾斜的地球同步轨道上，彼此相距约 120°。这种高倾角使它们能够以独特的不对称模式运行，称为 analemmas，并始终存在于日本上空。 QZSS卫星传输的信号与旧的和现代化的GPS信号（L1C/A、L1C、L2C）相同，更容易与美国导航网络合作。

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虽然几乎可以肯定，我们不必完全依赖 GPS 来满足我们的经济和政治需求，但看看未来中国的北斗如何与美国、俄罗斯和欧洲同行相比，将会非常有趣。