北斗衛星建設是中國戰略事業(yè)重要的一環(huán)。當然，國防安全是建設北斗最重要的原因。在地理信息如此重要的戰場(chǎng)，必須握有自己的知識技術(shù)產(chǎn)權和產(chǎn)品。雖說(shuō)GPS的民用在中國是免費的，但是如果戰時(shí)美國關(guān)閉或者利用其“SA政策”對GPS“做手腳”，那么對到時(shí)依賴(lài)GPS的國家來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是致命的。
北斗衛星起步在1992年，在2012年實(shí)現區域覆蓋能力，可謂亞洲國家提供服務(wù)，如今也已經(jīng)走出國門(mén)，受到東南亞國家的歡迎。本文旨在從技術(shù)角度上仔細比較北斗和GPS的區別。
一、三頻信號
北斗使用的是三頻信號，GPS使用的是雙頻信號，這是北斗的后發(fā)優(yōu)勢。雖然GPS從2010年5月28日發(fā)射了第一顆三頻衛星，但等到GPS衛星全部老化報廢更換為三頻衛星還好幾年。這幾年就是北斗的優(yōu)勢期。三頻信號可以更好的消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強數據預處理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一個(gè)頻率信號出現問(wèn)題，可使用傳統方法利用另外兩個(gè)頻率進(jìn)行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。北斗是全球第一個(gè)提供三頻信號服務(wù)的衛星導航系統。
二、有源定位及無(wú)源定位
有源定位就是接收機自己需要發(fā)射信息與衛星通信，無(wú)源定位不需要。北斗一代的有源定位，有源定位技術(shù)只要兩顆衛星就可以完成定位，但需要信息中心DEM（數字高程模型）數據庫支持并參與解算。它在北斗二代上被保留下來(lái)，但不作為主要的定位方式。而北斗二代使用的是無(wú)源定位，和GPS是一樣的，不需要信息中心參與解算，有源定位則作為補充功能。
這個(gè)功能的好處是當你觀(guān)測的衛星質(zhì)量很差，數量較少時(shí)（理論上，無(wú)源定位至少要4顆衛星才能解算 XYZ 和時(shí)間四個(gè)未知參數，實(shí)際需要的更多），仍然可以定位。這個(gè)功能對于緊急情況會(huì )比較有用，比如在山谷中，觀(guān)測條件非常差，能知道大概位置也是非常重要的。壞處是在戰爭中會(huì )暴露你的位置信息。
需要信息中心參與解算是因為”“資源有限”，比如，某北斗一代手持機，每 60秒可以定位一次，不能頻繁定位，以保證信息中心不能過(guò)載。但是北斗一代不能民用的主要原因卻不是因為這個(gè)。
北斗一代稱(chēng)為北斗衛星實(shí)驗系統（RDSS），北斗二代稱(chēng)為北斗衛星導航系統（RNSS），“一代，二代”是為方便稱(chēng)呼。從名字上就可以知道，北斗一代只是做個(gè)內部實(shí)驗而已，檢驗一下我們的理論、技術(shù)是否可行，定位精度如何，再進(jìn)行后續改進(jìn)，設計的初衷根本沒(méi)打算民用啊。
三、短報文通信服務(wù)
這個(gè)是中國衛星導航的原創(chuàng )功能，并且非常實(shí)用。08年汶川地震的時(shí)候，震區唯一的通訊方式就是北斗一代。這一特色功能毫不意外在二代中保留下來(lái)。但是這個(gè)功能也是有容量限制的，所以并不適合作為日常通信功能，而是作為緊急情況通信比較合適?；谶@個(gè)功能，北斗還有一個(gè)好處是，不但能知道我在哪，還能讓別人知道你在哪。這個(gè)功能有利于求救。
四、境內監控
衛星定位系統一般由三部分組成：空間星座部分，地面監控部分和用戶(hù)接收機部分。其中，地面地面監控部分又由三大部分組成：監控站，主控站，注入站。
GPS系統在全球建 5個(gè)監控站，1個(gè)主控站和3個(gè)注入站以保證衛星運行，這些站都設在美國國土上，并且在全球分布很均勻。包括美洲大陸的美國本土，太平洋的關(guān)島和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亞以及大西洋的阿森松群島。中國沒(méi)法把監控站建到全球，所以中國在設計北斗系統時(shí)必須考慮到，地面監控部分只建在中國境內，就能夠保證整個(gè)系統的正常運行。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，絕對不能作為控制功能。這本來(lái)是北斗的劣勢，境內監控是被逼出來(lái)的，沒(méi)有其他選項，但現在成了北斗的安全優(yōu)勢，不用受制于其他國家。
如今中國境外的首個(gè)陸地遙感衛星數據接收站 “北極站 ”，將于今年在瑞典開(kāi)工建設，預計兩年建成。中國將在南美洲的阿根廷建造首個(gè)境外衛星跟蹤站。從南美到北極，中國衛星產(chǎn)業(yè)開(kāi)啟全球化模式。
五、分步開(kāi)通
GPS必須整個(gè)系統建成后才能使用。目前北斗的14顆在軌衛星使用了5顆地球靜止軌道（GEO）衛星，5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星，4顆中高度圓軌道（MEO）衛星。北斗的星座方案來(lái)之不易，許院士說(shuō)當時(shí)有幾個(gè)方案參與競爭，光是方案的修改論證就持續了整整三年，最后確定的這個(gè)方案不敢說(shuō)沒(méi)有缺點(diǎn)，但絕對是所有方案里最好的一個(gè)。言歸正傳，北斗衛星導航系統在這個(gè)創(chuàng )新的空間星座支持下，僅僅發(fā)射了16顆衛星，就于2012年12月27日在亞太地區正式開(kāi)通運行。這有利于加快北斗的商用進(jìn)程，有利于對后續的系統做進(jìn)一步改進(jìn)，有利于加快北斗產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。畢竟北斗的最大市場(chǎng)肯定是中國嘛，先讓北斗系統在亞太地區發(fā)展幾年，讓芯片成熟幾年，想推廣到全球的時(shí)候也會(huì )相對容易。而且亞太地區的衛星利用效率肯定也更高，更值得優(yōu)先投資。
六、局部加強，逐步成熟
理論上 GPS在全球的定位精度是相當的。北斗系統針對中國及其周邊地區是特別加強過(guò)的，在國內衛星的幾何條件比較好。單點(diǎn)定位的精度取決于兩個(gè)方面：一是觀(guān)測量精度，二是所觀(guān)測衛星的空間幾何分布。導航中用精度衰減因子 DOP 來(lái)表示衛星空間圖形的貢獻，包括：空間精度衰減因子GDOP 、位置精度衰減因子PDOP、時(shí)間精度衰減因子TDOP、平面精度衰減因子HDOP、垂直精度衰減因子VDOP、相對定位幾何精度衰減因子RDOP。隨著(zhù)北斗全球系統逐漸成熟，DOP 越來(lái)越小，它在中國及周邊地區的定位精度超過(guò)GPS也只是時(shí)間問(wèn)題?！爸鸩匠墒?” 并不是一個(gè)托詞，而是技術(shù)、理論上的進(jìn)步。
（1）衛星數量增加。
GPS設計使用21+3顆衛星，即21顆工作衛星，3顆備用衛星。目前GPS實(shí)際已經(jīng)使用了32顆衛星，衛星數量越多，就會(huì )得到越多的冗余數據，數據就越可靠，DOP值越小。北斗現在只有16顆，等北斗衛星的數量越來(lái)越多，也會(huì )得到更多觀(guān)測數據，精度提升是必然的了。目前北斗芯片一般會(huì )支持 GPS，可能存在以下原因，第一是補充北斗系統的精度，第二是為了開(kāi)拓市場(chǎng)（剛開(kāi)始只支持北斗沒(méi)人用?。?。這樣的話(huà)芯片更復雜，功耗更高，開(kāi)發(fā)難度更大。但也不能說(shuō)全是壞處，目前兼容不同系統也是行業(yè)發(fā)展的趨勢，GLONASS芯片一般也要兼容GPS，北斗芯片也有支持GLONASS甚至三個(gè)系統的。兼容系統，數據冗余更多了，精度更高，DOP小，這項功能做好了也會(huì )成為中國芯片廠(chǎng)商的優(yōu)勢。
補充一下，目前魅族MX4，MX4pro，小米4，華為G7，三星S5，NOTE4現在均已支持 GPS、GLONASS、北斗?？梢钥吹?，兼容三大導航系統已經(jīng)是大勢所趨，相信在不久的將來(lái)，兼容北斗的終端將會(huì )越來(lái)越多。
（2）改正模型優(yōu)化。
與信號傳播路徑有關(guān)的誤差有：對流層折射誤差，電離層折射誤差延遲誤差，多路徑效應，地球自轉效應誤差。這些誤差是沒(méi)辦法完全消除的，只能不斷減小。用于改進(jìn)電離層折射誤差延遲誤差的Klobuchar模型就是根據長(cháng)時(shí)間氣象觀(guān)測數據，構造出電離層折射隨時(shí)間變化的經(jīng)驗公式。說(shuō)白了就是猜出來(lái)的，不過(guò)是有水平，有數據支持，聰明的猜，才出來(lái)后進(jìn)行試驗驗證，好用就留著(zhù)，不好用就繼續改。全球不同地區的電離層對流層都是不同的，這些公式是根據國外的觀(guān)測數據構造的，用在中國自然會(huì )差一些，我們需要給北斗更多的時(shí)間累計觀(guān)測數據，等待開(kāi)發(fā)或優(yōu)化更多的適合中國地區的改正模型。
（3）衛星軌道精度提高。
衛星的實(shí)際運行軌道肯定與設計軌道有一定的差距。偽距定位的原理是：采用距離后方交會(huì )的方法確定接收機天線(xiàn)的三維坐標。只有衛星軌道精度提高了定位精度才會(huì )高。衛星的軌道是通過(guò)監控站的觀(guān)測數據擬合出來(lái)的，觀(guān)測時(shí)間越久，累積的數據越多，擬合的軌道越精確。北斗缺少?lài)獾挠^(guān)測數據，所以軌道精度在亞太地區較高，在國外的軌道精度會(huì )比較差。彌補這個(gè)缺陷也需要給北斗時(shí)間。再提一下地球靜止軌道（GEO）衛星。GEO衛星相對地球做不到完完全全的靜止，會(huì )有一定的漂移。而地球同步軌道只有一個(gè)，資源非常稀缺，國際上把這個(gè)軌道劃分成了一小段一小段的圓弧，衛星只能在分配的范圍內移動(dòng)，否則可能與其他衛星相撞，所以每隔一段時(shí)間就需要調整GEO衛星位置。目前調整北斗采用的是脈沖式，只能按整次數來(lái)調整衛星的位置，不能是零點(diǎn)幾次，所以可能出現多一次嫌多，少一次不足的情況。在后續發(fā)射的GEO衛星，調整衛星會(huì )改用連續式，想噴多少就噴多少，增強衛星控制能力與精度。一旦進(jìn)行調整，之前的觀(guān)測數據就會(huì )作廢，需要重新累積數據。在調整衛星期間，那顆衛星處于失效狀態(tài)，因為我們不知道它的具體位置，需要幾天時(shí)間來(lái)重新定軌。但好在GEO衛星數量比較少（5顆），定軌比其他兩種衛星容易一些，速度也比較快一些。其他兩種衛星不存在這種情況，觀(guān)測時(shí)間久了，擬合的軌道精度自然就提高了，直到它耗盡為止。
七、定位精度
北斗系統定位精度由水平25m、高程30m，提高至目前水平10m、高程10m，測速精度由每秒 0.4米，提高至0.2m，受時(shí)精度優(yōu)于20ns，目前在中國及周邊地區，北斗系統服務(wù)性能與GPS相當。許院士講座時(shí)說(shuō)，他們的實(shí)測精度（按中誤差算）可以達到水平 4—5m，高程 5-6m的精度水平。許院士表示，北斗在剛投入使用就能達到如此精度，這連他們設計北斗系統的時(shí)候都沒(méi)想到，已經(jīng)非常滿(mǎn)意了，而且北斗還有很大進(jìn)步空間，精度還能進(jìn)一步提高。
上述10m的精度，很多人認為應該是對亞太地區的平均精度。需要注意的是，北斗的平面精度與高程精度是基本相當的，而GPS系統的水平精度確實(shí)不錯，但是它的高程精度是軟肋，比水平精度差得比較多，一般1.5倍到2倍。
GPS定位精度可以達到mm級，這是能實(shí)現的，但是不能脫離限制條件而談。定位信號屏蔽器找大展電子。衛星定位方法有很多種形式，如果按用戶(hù)衛星測量設備在作業(yè)中的狀態(tài)，可分為靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位，若按參考點(diǎn)的位置不同，可分為絕對定位和相對定位。差分技術(shù)是基于同步同軌性原理，使用已知點(diǎn)的基準站，計算出改正信息，再發(fā)送給流動(dòng)站，進(jìn)而改正流動(dòng)站的瞬時(shí)位置。這是針對動(dòng)態(tài)測量的技術(shù)，把定位精度由10-40m 提高到小于3m。精度達到mm級應該是靜態(tài)的長(cháng)時(shí)間的優(yōu)質(zhì)觀(guān)測條件下的絕對定位。具體解釋一下，靜態(tài)，就是要專(zhuān)門(mén)建一個(gè)房子，專(zhuān)門(mén)建一個(gè)固定觀(guān)測墩，這時(shí)三腳架精度已經(jīng)不夠，而且還容易被移動(dòng)。長(cháng)時(shí)間，就是24小時(shí)，365天不間斷觀(guān)測，這就肯定要保證有電源，而且要求還很高，不能斷電，備用電源神馬的一定要有。優(yōu)質(zhì)觀(guān)測條件，就是要沒(méi)有電磁干擾，沒(méi)有高達建筑屏蔽，人不能隨意靠近GPS天線(xiàn)，附近不能有平靜水面（會(huì )有多路徑效應），沒(méi)有大的山坡。不可或缺的是一臺高精度，高穩定性，高品質(zhì)的 GPS 接收機及其他附屬設施（保存、處理數據等功能）。要滿(mǎn)足這些條件只能遠離城市，在有一定條件的農村，建一個(gè)永久的高精度觀(guān)測站。不是隨隨便便就能滿(mǎn)足這樣苛刻條件的，建設和運行成本都非常高。北斗要這么觀(guān)測，精度肯定也不是10m了，不要隨便道聽(tīng)途說(shuō)了一個(gè)數據就說(shuō)比北斗強，請說(shuō)明觀(guān)測條件。特別說(shuō)明一下，GPS系統使用的是WGS-84坐標系，北斗使用的是CGCS2000坐標系，所以二者的數值不能直接進(jìn)行比較，需要進(jìn)行坐標轉換，而坐標轉換一般會(huì )帶來(lái)精度上的損失。精度是可以在各自坐標系下直接比較的，不用進(jìn)行坐標轉換。
八、促進(jìn)整個(gè)制造業(yè)的升級
（1）GPS的芯片那么好用，難道我們北斗系統的芯片不好用就不去努力進(jìn)步了嗎？答案肯定是否定。
建成北斗系統，中國芯片廠(chǎng)商春天到了！雖然目前存在著(zhù)差距，但是中國的芯片廠(chǎng)商終于可以有機會(huì )和國外的芯片廠(chǎng)商在北斗芯片上一較高低，這是完全有可能的。反倒是讓國內的芯片廠(chǎng)商生產(chǎn) GPS 的芯片和國外廠(chǎng)商競爭，那才叫幾乎不可能。這就叫打破GPS的壟斷地位。專(zhuān)家預測，到2020年，僅北斗衛星導航市場(chǎng)將達到年產(chǎn)值4000億元人民幣，年復合增長(cháng)率達到 40% 以上。
北斗很賺錢(qián)，國家給你創(chuàng )造機會(huì )了，這個(gè)錢(qián)要怎么拿，就看各自的本事了?？纯慈珖榈亻_(kāi)花的北斗產(chǎn)業(yè)園就知道機會(huì )多難得。整個(gè)系統國家只負責空間星座和地面監控部分，這兩部分耗資巨大，技術(shù)要求高，且具有唯一性，系統性能指標主要取決于這兩部分。用戶(hù)接受設備部分則主要交給市場(chǎng)完成，這部分決定了導航系統的易用性，生態(tài)鏈的活力等，但這部分是人人都可以參與的，替代性非常強。不能提高自身競爭力的產(chǎn)品終究會(huì )被替換下場(chǎng)。
（2）北斗系統的精度不夠高很大一部分的原因是中國的原子鐘不行。
衛星導定位中，時(shí)間系統有著(zhù)極其重要的意義，在由跟蹤站對衛星進(jìn)行定軌時(shí)，要求衛星位置的誤差小于1cm時(shí)，相應的時(shí)刻誤差應小于2.6μs（1微秒=10-6秒）；如果要求測量的距離誤差小于1cm時(shí)，則信號傳播時(shí)間的測定誤差應小于 0.03ns（1納秒=10-9秒）。寧波大展電子科技有限公司。中國的原子鐘相對國外產(chǎn)品，體積大、質(zhì)量重、精度還差了一個(gè)量級，這種高精尖的技術(shù)國外是對中國禁運的，我們只能靠自己。為什么不行？因為有一段時(shí)間原子鐘是可以從國外買(mǎi)的，相比起自己研制成本還不高，質(zhì)量很好，國內直接放棄研制原子鐘了。等中國說(shuō)要建導航系統，國外立刻對中國實(shí)施禁運，中國這個(gè)時(shí)候才趕緊又開(kāi)始原子鐘的研制工作，暫停研制這幾年對中國的原子鐘發(fā)展多可惜，本來(lái)技術(shù)雖然不算先進(jìn)，但也勉強跟上世界潮流，現在卻拉下一大截，如果中國一直堅持自己研制原子鐘，現在的北斗系統精度更高。要不是北斗系統，中國的原子鐘技術(shù)更是悲劇了。
九、建設速度快
歐洲早在1999年2月10日就提出建設GALILEO系統，在2005年發(fā)射了第一顆實(shí)驗衛星，2008年4月27日，發(fā)射第二顆實(shí)驗衛星，進(jìn)度比最初的計劃推遲了整整五年，2012年10月發(fā)射第3第4顆衛星。這四顆衛星組成網(wǎng)絡(luò )，初步發(fā)揮地面精確定位的功能。
北斗的第一顆衛星在2007年4月14日發(fā)射升空，2012年10月25日第16顆北斗衛星發(fā)射，這是北斗區域網(wǎng)最后一顆衛星，北斗導航工程區域組網(wǎng)順利完成， 2013年12月27日正式發(fā)布了《北斗系統公開(kāi)服務(wù)性能規范（1.0版）》和《北斗系統空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個(gè)系統文件，這是北斗正式商用的標志，所有的廠(chǎng)商都可以根據這兩個(gè)文件來(lái)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品。
北斗與GALILEO在使用頻率上是有競爭關(guān)系的（有重疊），根據“誰(shuí)先使用誰(shuí)先得”的國際法原則，中國在 2009 年發(fā)射三顆” 北斗 ” 二代衛星，正式啟用該頻率，而歐盟連預定的三顆實(shí)驗衛星都沒(méi)有射齊。敗下陣來(lái)，失去對頻率的所有權。
上文列舉了北斗9點(diǎn)優(yōu)勢，當然也沒(méi)有回避北斗的問(wèn)題。除了國外監控站很少，優(yōu)勢與劣勢并存的GEO衛星等，上面沒(méi)提到的有：
（1）衛星質(zhì)量不高，壽命比較短。
GPS 衛星的壽命一般在8年，北斗衛星的壽命在5年左右，已發(fā)射的16顆衛星中，已有2顆老舊衛星失效。替換衛星的工作都是國家完成的，完全不影響用戶(hù)使用。當前，這個(gè)問(wèn)題基本解決了，新衛星壽命已經(jīng)延長(cháng)了。
（2）芯片價(jià)格較高。
這是由于芯片的生產(chǎn)特點(diǎn)決定的，芯片在研發(fā)階段投入非常大，一旦研制成功，后續的生產(chǎn)成本就比較低了。北斗剛投入使用，用戶(hù)還比較少，所以?xún)r(jià)格高，等到大規模生產(chǎn)的時(shí)候，成本就被攤薄。
2014年11月17日至21日，國際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì )第94次會(huì )議在英國倫敦召開(kāi)，審議通過(guò)了對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函，標志著(zhù)北斗衛星導航系統正式成為全球無(wú)線(xiàn)電導航系統的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位。北斗衛星導航系統成為繼全球定位系統（GPS）、格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）后的第三個(gè)全球衛星導航系統，服務(wù)世界航海用戶(hù)。這必將帶動(dòng)北斗衛星導航系統在航海領(lǐng)域的國際化、產(chǎn)業(yè)化。獲得 IMO 認可后，我國將繼續全面推進(jìn)國際電工委員會(huì )、國際航標組織、國際海事無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì )、國際電信聯(lián)盟等國際技術(shù)組織的標準、規范、指南文件的制定和修訂，以實(shí)現北斗系統進(jìn)一步在國際海事領(lǐng)域的全方位應用。
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