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实现更精确、更安全的定位——美国拟发射新一代GPS卫星

2018.12.18

　　美国空军定于18日发射全球卫星定位系统(GPS)首颗新一代组网卫星“韦斯普奇”，以期实现更精确、更安全的定位。

　　美国国会下辖政府问责局推断，军方高调宣传的这类性能升级2022年或2023年才能部分实现，缘由是地面控制系统的研发进度跟不上。

　　定位误差将缩小至3米以内

　　“韦斯普奇”号人造卫星定于18日由美国太空探索技术公司“猎鹰9”火箭搭载，从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心升空，比原定发射时间2014年晚大约4年。

　　第二颗新卫星已经造好，在洛克希德—马丁空间系统公司位于科罗拉多州丹佛市以南的一家工厂“待命”。

　　包括“韦斯普奇”在内，新一代定位系统网络由32颗卫星组成，提供更强、更抗干扰的军用信号，替代现今在绕地球轨道运行的第二代卫星。

　　新一代GPS组网卫星可以发送一种新的民用信号，与其他国家定位卫星兼容，包括欧洲联盟伽利略卫星导航系统。美联社报道，这种新信号意味着部分民用设备可以与更多卫星确定相对距离，减少定位误差。

　　洛—马公司发言人介绍，手机等民用设备搜索GPS信号时，“能‘看见’的卫星颗数越多，越能知道自己在哪里。”

　　《全球导航卫星系统内幕》杂志创办人、前任编辑格伦·吉本斯告诉美联社记者，在现有GPS信号下，民用接收设备获取的位置信息误差范围在3至10米之间。吉本斯推断，新信号传输良好时，定位误差将在1至3米之间，相当于现有准确度的三倍。同时，军用信号的误差更小。

　　地面控制系统尚未建成

　　美国政府问责局分管军用和民用航天项目的斯蒂娜·沙普兰说，军用信号号称更强、更抗干扰，但只有在新一代地面控制系统预期2022年或2023年建成后才能部分实现。而且，民用信号频段在这套复杂系统建成前完全不能使用。

　　她说，新地面控制系统建设之所以延期，是因为无法达到国防部所定网络安全标准。国防部在一份评估中认定，就这类标准而言，为美国联邦政府承包研发地面控制系统的雷神公司“表现非常差”。

　　沙普兰说，联邦政府原先为地面控制系统拨款37亿美元，现在交付至少延期4年，可能超支25亿美元。

　　雷神公司副总裁比尔·沙利文回应，新系统网络安全问题已经解决；没有超支或逾期，定于2021年6月交付空军。美联社报道，美国空军已经着手制定新地面控制系统的替代方案，供发射、操控卫星。

　　新一代组网卫星中，第一批10颗卫星每颗造价5.77亿美元，其中建成或在建卫星有8颗。美空军9月推断，其余22颗卫星将合计花费72亿美元。政府问责局估算的费用则是120亿美元。

　　美国军事机构上世纪70年代研发GPS系统，现今依然由军方设计、发射和运营。这套系统80年代起部分民用化。美空军估计，全球大约40亿人使用GPS系统提供的导航、银行转账时间戳等服务。

　　新科普|北斗和GPS，定位到底谁更强？

　　北斗跟GPS比，到底谁更强？北斗到底能不能“甩开”GPS，独立定位？

　　北斗 PK GPS，谁能嬴？

　　作为GNSS（Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统）俱乐部的一员，导航定位是基本功能。先来看看，定位功能是怎么比较的：

　　接收机使用卫星定位的过程可以在二维抽象成在一个黑板上选至少四个点（卫星），以每个点为圆心，分别用粉笔画圆（接收机测量的到卫星距离），这些粉笔迹的重叠区域就是定位的结果。因为各种误差的存在，对每颗卫星测距的结果更像是一条粉笔画出来的带，而不是一条没有宽度的线。

　　粉笔的粗细受各种误差机制的影响，北斗和GPS比较，主要是星上原子钟的精度不同，北斗二代使用的是铷原子钟，GPS使用的是铯原子钟组合铷原子钟，在这点上是GPS更优，也就是粉笔迹更细一些。而现在北斗三代卫星使用的是氢原子钟，频率准确度由5×10-13提高到6×10-14，频率稳定度由2×10-14（1d）提高到6×10-15（1d），相比二代卫星都提高了一个数量级，达到世界领先水平，定位精度也将进一步的提高。

　　除了受粉笔粗细的影响，显然画圆的点越多，也就是卫星数越多，重叠区域也就越小，也就是定位越精确，但是，如果这些点都在一侧集中，甚至重叠的话，它们画出的粉笔迹的重叠区域会变得很大，反之这些点越分散，画出的粉笔迹重叠度也就越低，也就表示接收机得出的定位结果也就越精确。这个衡量位置分布的参数就是所谓的PDOP值，越低代表分布越佳，定位结果越精确。

　　北斗一代时候确实定位速度慢一些，精度差一些，怎么都十多年过去了还有人觉得北斗就是不好使，说什么“卫星少”、“还在建”、“精度比GPS差远了”？

　　其实从北斗二代开始，星座就是针对亚太地区设计的，不同于美国MEO为主的模式，采用了GEO+IGSO+MEO的模式。优点是用较少卫星快速在重点服务区域达到高精度，缺点是高纬度地区对GEO接收效果不好，精度因子值偏大，还有就是地球另外一边收不到，随着北斗卫星的增多，这些问题以后都会解决的。

　　即便如此，在三代还没用上的今天，看看现在的北斗精度如何吧，我们在中国最北边选个点：北纬52.4476°，够北了吧，官方公布的北斗二代服务区域可是只在南北纬55°之间，这个位置一天24小时北斗卫星的可见性如何呢：

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如图可见，全天可用的仰角在10°以上的北斗卫星至少有8颗，谁说星少来着？

　　对比现在GNSS俱乐部“一哥”GPS，在此地的卫星可见性：

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　　是不是发现可见卫星数还不如北斗多？感觉是不是可以搞个诸如“GPS在中国被北斗完败”的大新闻……

　　当然，盲目自大也是不可取的，总有一些北斗各种“秒杀GPS”的假新闻，对于民众认识北斗只有坏处没有好处。除了使用自己导航系统的安全性以外，GNSS俱乐部四家谁也秒杀不了谁好吗，前不久中美都签了《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》，互为备份多和谐……

　　刚才说到北斗卫星数多，但是定位不能只看星数，吃星座设置的亏，这里收到的北斗GEO仰角太低，几何分布不佳，所以精度因子要差：

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　　北斗几何精度因子最大达到6.0而且波动较大，相比来说GPS的最大也就4.4：

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　　这是因为北斗GEO卫星悬在赤道上方，在这里收到的仰角都不足30°，IGSO卫星轨道倾角55°，走到这也就到了“8”字型轨迹的头了，所以1、4象限大部分区域基本就没什么星，这些因素加起来，导致北斗的DOP值较大，不过满足10m精度还是没啥问题的。

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　　所以你要非说在这里北斗不如GPS是可以勉强接受的，当然随着三代组网，这点差距很快就没了，多发几颗MEO就好了……下边是该地GPS的卫星轨迹分布：

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　　接下来，咱在中国南方随便选个点：北纬26.6940°，东经109.9688°，这坐标目测是在湖南，这里北斗卫星可见性如何呢：

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　　最少也有十颗星可见，再看看GPS的：

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　　还是老样子，南北差别不大，重点是DOP值，可以一战否？北斗的DOP值如下：

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　　最大不超过3.4，再看看GPS的：

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　　可以忽略特别高的那点，基本还是在4.4以内，但是明显北斗的更平滑！

　　之所以能够在全天各时段保持较好的位置分布，是因为在此可以稳定的接收到北斗GEO卫星和IGSO卫星信号，MEO卫星只占少数，而非像GPS全由MEO组成，随着时间变化会不断地更换参与定位的卫星，而北斗则少了在更换定位卫星的过程中带来的计算结果跳变和低仰角时大量误差的引入，卫星仰角越低时信号穿过的大气越多，所引入的误差也就越多，同时信号衰落也越多，受多径等因素的影响也越大。

　　在这里北斗的GEO卫星全天可视，IGSO卫星半程以上可视，而MEO卫星不在一个地方呆着，就是绕着地球转它们自己的圈圈，因此它们会不断地、一颗颗地重复从低仰角进入视野范围，升到一定高度，再降低仰角离开视野范围的循环过程。

　　综合这些因素后从定位精度上来看，北斗肯定是不比GPS差的。总体来看，在目前北斗二代服务区域内，北斗的全天可视星数超过GPS，在星座分布上大部分区域也优于GPS，但考虑到原子钟精度差异和中高纬度星座分布等问题，说北斗与GPS不相上下还是靠谱的，也是符合实际测量结果的。但是现在三代组网建设正在进行中，北斗卫星数正稳定增加，而且最关键的原子钟问题在三代上也解决了，到那时候咱就不用谦虚了！

　　谁说北斗不能独立定位？

　　然而又有人怼我了：“GPS才是定位的主力，你家北斗只是用来给GPS凑数的，自己没有独立定位的能力，没了GPS你家北斗啥也不是。”等等你这说的是QZSS吧，不能独立使用国家花钱搞这个干嘛？

　　道理很显然，但是证明起来并不简单，为啥？对于手机来说卫星接收通道硬件是客观存在的，除非对外开放了芯片的底层控制指令，所谓“关GPS”并不是真正的关闭接收通道，只是不采信GPS定位结果，不能完全的确保要求验证的“北斗能否独立定位”，毕竟芯片的底层算法不可控啊，万一设计导航芯片的人非要偷摸的用GPS引导怎么办？

　　证明方法就是借助一种特种微波暗室——GNSS测试暗室！

　　GNSS测试暗室的原理与普通的微波暗室相似，都是屏蔽外边的电磁波信号，暗室里发射的信号照到墙上不会有反射，只是重点防护的频段不同。相比于测试雷达或者大型阵列天线的微波暗室，GNSS测试暗室净区不用太大，因为GNSS接收机尺寸都不大，最重要的区别就是，GNSS导航信号模拟器，及成套测试评估系统，有了这套东西可以模拟地球上任意一点天空的GNSS卫星情况，想发什么信号就发什么信号，想发哪个位置就发哪的，想动就动，想停就停，并且能够对被测设备的定位结果进行评估，给出权威的精度测试结果。

　　在暗室里可以保证只能收到北斗卫星信号，功率也是标校到与露天相一致的，能够排除所有不可控因素，如果在这种情况下还能定位，那就可以证明该手机确有“北斗独立定位”之能力。结果如何呢：

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　　当然是没什么悬念的啦：

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　　收到十颗卫星全是北斗，9颗参与定位，没有GPS，没有可以辅助的，北斗卫星真的“独立定位”了。北斗志在全球， 2020年北斗三代组网完成后，在这个星球上任意一个点，我们都可以依靠北斗独立完成定位。

卫星 gps 韦斯普奇

新华社

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