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北斗正式兼容GPS信号!为何GPS只有24颗卫星,北斗却要35颗?

2017-12-02热点聚焦

昨日,中国卫星导航系统委员会王力主席与美国国务院乔纳森·马戈利斯助理副国务卿在北京举行中美卫星导航会晤。

同时,中国卫星导航系统管理办公室冉承其主任与美国国务院空间和先进技术办公室戴维·特纳副主任签署了《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》,提出北斗和GPS两套系统在国际电联(ITU)框架下实现射频兼容,实现民用信号互操作,并将持续开展兼容与互操作合作。

历史性一步!中国北斗正式信号兼容美国GPS

关于北斗导航系统

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,集成了传感、自动化、定位追踪和数据处理等智能化技术。这一“国之重器”,是关系国家安全的重大信息基础设施,是推进我国信息产业升级换代的核心发动机。
北斗作为世界上唯一的由3种轨道卫星构成的导航系统,未来除具备导航、定位、授时等基础功能,还将增加搜救、全球位置报告、星基增强等拓展功能。

就在11月5日,我国发射了北斗三号首发双星(第24、25颗),开启了北斗全球组网的新时代,北斗“三步走”发展战略进入“最后一步”,2020年前后全部建成。

历史性一步!中国北斗正式信号兼容美国GPS

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GPS只有24颗卫星,北斗却要35颗卫星

GPS只需24颗卫星,北斗为何却要35颗卫星,难不成太空中也有房地产这一说,去的早占地。老美发射的早,占的位置好,所以24个就可以覆盖全球了。咱发射的晚,没有人家位置好,所以要发射35个才能覆盖。

其实,需要的卫星数目和别人占坑没有任何关系。在课堂上,老师最多只会给你讲有多少颗星,各自功能是什么,永远不会讲为什么这样。

先上图,取自wikipedia

GLONASS(俄罗斯的全球定位系统)、GPS(美国)、 COMPASS(即北斗,中国)的一部分和Galileo(欧洲)的卫星都运行在地球中轨道(MEO),高度分别为19,100km、20,200km、21,500km 、23222km。别家需要全球覆盖的的卫星数目分别为24、24和27。

GPS 


先简单讲讲GPS。GPS需要24颗卫星只是最基本的数目。这个数目可以保证全球每个地方任何时刻至少能看见4颗卫星,通过4个方程可以解出空间三维坐标和时间四个变量。这24颗卫星分布在6个轨道面,每个轨道面有4颗卫星。 GPS系统的接收机都是采用无源定位方式(就是接收机不需要发送信号)。

北斗

北斗的工作原理和和GPS一样,而轨道高度比GPS略高比Galileo略低,理论上24颗也能提供GPS一样的无源定位服务了——实际上北斗和伽利略一样用了27颗地球中轨道卫星,一个原因是因为他们的轨道高一些,需要略多数目保证卫星离接收机不太远,另一个主要原因是这些卫星的轨道同GPS不同,只有3个轨道面,每个轨道面9颗,轨道面之间为相隔120°均匀分布。这种分布方式是北斗需要比GPS多3个卫星的原因。慢着——没完呢,北斗不是35颗吗,还有8颗哪里去了?

这要涉及到卫星系统这样的庞大系统工程的周期问题,上述27颗卫星的发射是漫长的过程,即使是初步覆盖中国全境也需要20颗左右才能做到,从发射第一颗到最后一颗中间有可能会有10~20年的时间,而且先发射的使用寿命只有8年——27颗没有准备齐呢,老的卫星开始往下掉了,显然这种做法浪费太大了,在前十几年系统根本不能正常使用!如何让系统尽快工作呢?于是北斗发明了一个巧妙的想法——首先发射3颗倾斜同步轨道卫星,这些倾斜同步轨道卫星高度和地球同步卫星类似,绕地球一周也是24小时,但是轨道并不正好在赤道上,而是和地球赤道面有个夹角。

这种卫星在地球固定一个位置看到的轨迹是这样的类似于日行线的形状,同经线平行的一个8字形(需要一点儿想象力才能理解)。这3颗卫星虽然不是完全同地面静止,但是大部分时候中国境内仍然能看到,所以对系统立即可用帮助很大——可是还差5颗呢?。
这就要回到北斗系统本身来讲,北斗除了像GPS一样用无源接收机工作之外,还有两个独到的功能,就是用有源接收机(接收机主动发信号给卫星)和收发短报文(卫星短信)功能。最后还有5颗地球同步轨道卫星就是主要针对这两个功能都要求发上去的。当然,这5颗星也支持无源定位方式。下图就是地球同步轨道卫星的照片,可以看到卫星真的不动,周围的星星会在天空划出轨迹。
下图就是北斗目前的状态,以及未来最终的样子。再强调一遍:为了能尽早发挥作用,北斗系统实际上是(不太严格地)按照上述3(地球同步轨道)、2(地球倾斜轨道)、1(中轨道)的顺序发射部署的,甚至倾斜同步轨道卫星发了4颗。未来理论上来讲,只要27颗中地球轨道卫星就能完成全球定位功能的覆盖了,但是3和2两部分卫星主要覆盖中国及周边国家,对于提高国内的定位精度和提供特殊服务(比如卫星短信)有重要作用

补充:事实上目前GPS正在运行的也不是24颗,而是有32颗卫星;而GLONASS实际上有29颗。多出来的星除了做备份,还可以增加系统精度,比如GPS可以保证绝大部分地方通常能看到至少9颗卫星,能明显提高定位精度。Galileo目前因为欧洲各国扯皮,进展缓慢,只放上去4颗(功能不全)的卫星,未来什么时候发挥作用还是猴年马月的事情。相比之下中国放上去四五颗卫星立即就能提供定位服务和特殊服务,加速技术向市场转化速度,这个思路还是非常值得称赞的。所以,中国人还是有创造力的!

不过话说回来,在北斗系统现阶段成本较高的下,利用垄断的力量强制货运车辆安装这种流氓做法太......

要学到的东西:技术需要尽早拿到市场上检验,不要像欧洲人那样追求完美,最好初期就能开始盈利,若有可能可以借助行政力量,但是未来还是要靠市场运作。


再上点儿花絮:谷歌地图上可以看到所有的卫星
这些卫星的名字:
部分内容参考自知乎
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