美國GPS只有24顆衛(wèi)星而中國北斗有35顆,為何相差11顆?:首先你這個問題兩者的衛(wèi)星數(shù)量是不準確的,2020年6月23日,北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射
先簡單講講GPS。GPS需要24顆衛(wèi)星只是最基本的數(shù)目。這個數(shù)目可以保證全球每個地方任何時刻至少能看見4顆衛(wèi)星,通過4個方程可以解出空間三維坐標和時間四個變量。這24顆衛(wèi)星分布在6個軌道面,每個軌道面有4顆衛(wèi)星。 GPS系統(tǒng)的接收機都是采用無源定位方式(就是接收機不需要發(fā)送信號)。
第一:首先軌道越高,所需的衛(wèi)星總數(shù)就越少,北斗會適當?shù)脑龃笮l(wèi)星發(fā)射功率以保證地面接收到信號的信噪比而不是增加衛(wèi)星數(shù)!
第二:其次美國的GPS六個軌面,并不比北斗的三軌面設計更優(yōu),事實上全球四大導航系統(tǒng)中,就只有GPS用的是六軌面,其他三個都是用的三軌面設計!
能夠在星基,精密單位點定位等特色服務上發(fā)揮關鍵作用,而北斗系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)基本上接近于完整。全面覆蓋,能夠精準的定位到我們的位置,而與GPS的相同,北斗系統(tǒng)更加的精密準確。至于北斗系統(tǒng)都是用無緣接收工作,但是北斗系統(tǒng)多了一個獨特的功能,那就是有源接收,地球已同步軌道衛(wèi)星運動軌跡一致,可以看到衛(wèi)星靜止不動,但是能看到星星在。周圍天空劃出軌跡。這個就是北斗系統(tǒng)的獨特之處。而北斗系統(tǒng)需要35顆衛(wèi)星的原因,因為覆蓋了整個全球,實現(xiàn)了全球定位,系統(tǒng)一和二兩部分衛(wèi)星主要覆蓋中國以及周邊國家。提高了國內的定位精度與提供服務有重要作用。北斗系統(tǒng)相對于之前美國的那些GPS來說,更加的精準,精確,而且功能更加的復雜完整。實現(xiàn)了真正的全球GPS定位。夠更加精準精確的定位到每個人的位置以及提供更好的幫助。北斗系統(tǒng)將是一個獨立的,完整的系統(tǒng),而很多國家正是因為有了GPS才能夠實現(xiàn)精準的導彈射擊,而北斗系統(tǒng)更加的強大,精準,所以才需要這么多的衛(wèi)星
拋磚引玉,簡單回答一下。
首先說一下,只是GPS定位的話,是需要四顆衛(wèi)星才能校準的,也就是說開始必須搜索到四顆衛(wèi)星才可以正常工作,后續(xù)移動的時候搜索到三個衛(wèi)星就可以工作了。
當初美國的設計是盡快全球鋪開,GPS可以全球覆蓋,于是設計了24顆衛(wèi)星,分布在6個軌道面,這樣設計在地球上任何一個位置可以看到四顆衛(wèi)星,就可以正常工作了。
但是實際上北斗使用了27顆中軌道衛(wèi)星進行定位,一方面是高了一點兒,需要多一點兒衛(wèi)星進行定位。另外一方面就是北斗的衛(wèi)星只有3個軌道面,軌道面夾角是120度,這樣一來就需要9顆衛(wèi)星一組了,3*9=27顆。
北斗的剩余8顆衛(wèi)星中,有3顆是傾斜同步軌道衛(wèi)星,起到快速輔助北斗系統(tǒng)組網(wǎng)成型的作用。
另外5顆衛(wèi)星是靜止衛(wèi)星,是中國北斗獨有的功能,是使用有源接收機和收發(fā)短報文作用的。
27+3+5=35,所以中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)在就有35顆衛(wèi)星了。
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在解釋這個問題之前,我們先來了解一下衛(wèi)星定位的原理,其實沒什么高大上的,原理很容易理解,當然了不好做。假如地面上有一個點A,我想確定它的位置,現(xiàn)在告訴你A點距離B點5米,這樣我們就能大致確定A點在以B為圓心,5米為半徑的圓上,再告訴你A點距離C點8米,我們再畫出以C為圓心,8米為半徑的圓,A點也一定在這個圓上,這樣以B點和C點做出的圓要么相交要么相切,如果相切,A點的位置就是切點,如果相交,A點的位置就有兩個,不能確定。此時,再告訴你A點距離D點3米,我們再以D點為圓心,3米為半徑做出一個圓,這三個圓一定有一個共同的交點,這個交點是唯一的,就是A點的位置。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)就是這樣定位的,只是較為復雜一些。如果粗略的定位,接收到三顆衛(wèi)星的信號就夠了;如果要精確定位,接收到發(fā)信號的衛(wèi)星數(shù)量越多就越精確。
美國的GPS定位系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)目前確實只有24顆,其中21顆為運行衛(wèi)星,3顆為備用衛(wèi)星(人教版高中地理必修3教材上的數(shù)據(jù))。它們分布在距離地面約2萬千米的中圓軌道上,共占用了6個軌道,每個軌道上有4顆衛(wèi)星。由于美國的GPS系統(tǒng)是上世紀70年代開始研制,90年代初建成,當時對它的功能定位主要是空間定位、導航、授時。所以只要在全球任何時間任何位置能夠接受到至少4顆衛(wèi)星的信號就能進行空間定位了,不需要太多的衛(wèi)星數(shù)量。
而我們的北斗三號衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量為30顆,并不是35顆。其中24在2萬多千米的中圓軌道上運行,是進行全球定位服務的核心星座,這和美國的相同,不同的是,我們還有3顆在3.5萬千米的地球靜止軌道(赤道上空)上運行的衛(wèi)星,它們有一個非常重要的作用就是短報文通信,這是美國的GPS所不具有的功能,另外還有3顆在3.5萬千米的傾斜地球同步軌道上運行的衛(wèi)星,它們3個時時刻刻都在亞太地區(qū)的上空,使北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)的衛(wèi)星數(shù)量更多,性能更優(yōu)。
所以,我們的衛(wèi)星數(shù)量比美國多,主要是功能增多了,并為重點地區(qū)(亞太地區(qū),畢竟中國在這里)增強了服務。這就是后發(fā)優(yōu)勢。
北斗衛(wèi)星建設是中國戰(zhàn)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(zhàn)場,必須握有自己的知識技術產權和產品。雖說GPS的民用在中國是免費的,但是如果戰(zhàn)時美國關閉或者利用其“SA政策”對GPS“做手腳”,那么對到時依賴GPS的國家來說,無疑是致命的。
北斗衛(wèi)星起步在1992年,在2012年實現(xiàn)區(qū)域覆蓋能力,可謂亞洲國家提供服務,如今也已經(jīng)走出國門,受到東南亞國家的歡迎。
1.三頻信號
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(wèi)星,但等到GPS衛(wèi)星全部老化報廢更換為三頻衛(wèi)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(shù)據(jù)預處理能力,大大提高模糊度的固定效率。而且如果一個頻率信號出現(xiàn)問題,可使用傳統(tǒng)方法利用另外兩個頻率進行定位,提高了定位的可靠性和抗干擾能力。北斗是全球第一個提供三頻信號服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
電離層會影響電磁波傳播,是衛(wèi)星導航定位的最大誤差源,必須消除。電離層的干擾與衛(wèi)星信號頻率相關,因而采用至少雙頻信號可以構建電離層延遲修正模型最大限度去除這部分干擾因素,對定位精度的提升非常顯著,三頻則可以構建更復雜模型消除高階影響。北斗在三個頻段上發(fā)射也增加了不同信號(軍用、民用)的調制選項,抗干擾能力得到提升,也提高定位可靠性。
2.有源定位及無源定位
有源定位就是接收機自己需要發(fā)射信息與衛(wèi)星通信,無源定位不需要。北斗一代的有源定位,有源定位技術只要兩顆衛(wèi)星就可以完成定位,但需要信息中心DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)庫支持并參與解算。它在北斗二代上被保留下來,但不作為主要的定位方式。而北斗二代使用的是無源定位,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。
這個功能的好處是當你觀測的衛(wèi)星質量很差,數(shù)量較少時(理論上,無源定位至少要4顆衛(wèi)星才能解算 XYZ 和時間四個未知參數(shù),實際需要的更多),仍然可以定位。這個功能對于緊急情況會比較有用,比如在山谷中,觀測條件非常差,能知道大概位置也是非常重要的。壞處是在戰(zhàn)爭中會暴露你的位置信息。
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載。但是北斗一代不能民用的主要原因卻不是因為這個。
北斗一代稱為北斗衛(wèi)星實驗系統(tǒng)(RDSS),北斗二代稱為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(RNSS),“一代,二代”是為方便稱呼。從名字上就可以知道,北斗一代只是做個內部實驗而已,檢驗一下我們的理論、技術是否可行,定位精度如何,再進行后續(xù)改進,設計的初衷根本沒打算民用啊。
3.短報文通信服務
北斗還有一個獨門絕活:短報文系統(tǒng),簡而言之是通過衛(wèi)星實現(xiàn)天地雙向通信。其他三大系統(tǒng)都不存在接收機和衛(wèi)星之間的雙向通訊,只是單向接收。北斗這功能意味著衛(wèi)星可以向擁有此項授權服務的接收機發(fā)送專屬訊息,例如大洋之上、深山老林等特殊情況并沒有任何手機信號,發(fā)生緊急情況時高軌北斗衛(wèi)星可以及時與地面互動。對于軍事行動的意義更是無法形容08年汶川地震的時候,震區(qū)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。但是這個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。
4 境內監(jiān)控
衛(wèi)星定位系統(tǒng)一般由三部分組成:空間星座部分,地面監(jiān)控部分和用戶接收機部分。其中,地面地面監(jiān)控部分又由三大部分組成:監(jiān)控站,主控站,注入站。
GPS系統(tǒng)在全球建 5個監(jiān)控站,1個主控站和3個注入站以保證衛(wèi)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。中國沒法把監(jiān)控站建到全球,所以中國在設計北斗系統(tǒng)時必須考慮到,地面監(jiān)控部分只建在中國境內,就能夠保證整個系統(tǒng)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。這本來是北斗的劣勢,境內監(jiān)控是被逼出來的,沒有其他選項,但現(xiàn)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陸地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站 “北極站 ”,將于今年在瑞典開工建設,預計兩年建成。中國將在南美洲的阿根廷建造首個境外衛(wèi)星跟蹤站。從南美到北極,中國衛(wèi)星產業(yè)開啟全球化模式。
5.分步開通
GPS必須整個系統(tǒng)建成后才能使用。目前北斗的14顆在軌衛(wèi)星使用了5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星,5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星,4顆中高度圓軌道(MEO)衛(wèi)星。北斗的星座方案來之不易,許院士說當時有幾個方案參與競爭,光是方案的修改論證就持續(xù)了整整三年,最后確定的這個方案不敢說沒有缺點,但絕對是所有方案里最好的一個。言歸正傳,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在這個創(chuàng)新的空間星座支持下,僅僅發(fā)射了16顆衛(wèi)星,就于2012年12月27日在亞太地區(qū)正式開通運行。這有利于加快北斗的商用進程,有利于對后續(xù)的系統(tǒng)做進一步改進,有利于加快北斗產業(yè)鏈的成熟。畢竟北斗的最大市場肯定是中國嘛,先讓北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)發(fā)展幾年,讓芯片成熟幾年,想推廣到全球的時候也會相對容易。而且亞太地區(qū)的衛(wèi)星利用效率肯定也更高,更值得優(yōu)先投資。
6.局部加強,逐步成熟
理論上 GPS在全球的定位精度是相當?shù)。北斗系統(tǒng)針對中國及其周邊地區(qū)是特別加強過的,在國內衛(wèi)星的幾何條件比較好。單點定位的精度取決于兩個方面:一是觀測量精度,二是所觀測衛(wèi)星的空間幾何分布。
目前魅族MX4,MX4pro,小米4,華為G7,三星S5,NOTE4現(xiàn)在均已支持 GPS、GLONASS、北斗?梢钥吹剑嫒萑髮Ш较到y(tǒng)已經(jīng)是大勢所趨,相信在不久的將來,兼容北斗的終端將會越來越多。
7.定位精度
北斗系統(tǒng)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,受時精度優(yōu)于20ns,目前在中國及周邊地區(qū),北斗系統(tǒng)服務性能與GPS相當。 許院士講座時說,他們的實測精度(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(tǒng)的時候都沒想到,已經(jīng)非常滿意了,而且北斗還有很大進步空間,精度還能進一步提高。
上述10m的精度,很多人認為應該是對亞太地區(qū)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?shù),而GPS系統(tǒng)的水平精度確實不錯,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,這是能實現(xiàn)的,但是不能脫離限制條件而談。衛(wèi)星定位方法有很多種形式,如果按用戶衛(wèi)星測量設備在作業(yè)中的狀態(tài),可分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位,若按參考點的位置不同,可分為絕對定位和相對定位。差分技術是基于同步同軌性原理,使用已知點的基準站,計算出改正信息,再發(fā)送給流動站,進而改正流動站的瞬時位置。這是針對動態(tài)測量的技術,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)的長時間的優(yōu)質觀測條件下的絕對定位。具體解釋一下,靜態(tài),就是要專門建一個房子,專門建一個固定觀測墩,這時三腳架精度已經(jīng)不夠,而且還容易被移動。長時間,就是24小時,365天不間斷觀測,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)質觀測條件,就是要沒有電磁干擾,沒有高達建筑遮擋,人不能隨意靠近GPS天線,附近不能有平靜水面(會有多路徑效應),沒有大的山坡。不可或缺的是一臺高精度,高穩(wěn)定性,高品質的 GPS 接收機及其他附屬設施(保存、處理數(shù)據(jù)等功能)。要滿足這些條件只能遠離城市,在有一定條件的農村,建一個永久的高精度觀測站。不是隨隨便便就能滿足這樣苛刻條件的,建設和運行成本都非常高。北斗要這么觀測,精度肯定也不是10m了,不要隨便道聽途說了一個數(shù)據(jù)就說比北斗強,請說明觀測條件。特別說明一下,GPS系統(tǒng)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(shù)值不能直接進行比較,需要進行坐標轉換,而坐標轉換一般會帶來精度上的損失。精度是可以在各自坐標系下直接比較的,不用進行坐標轉換。
8.促進整個制造業(yè)的升級
(1)GPS的芯片那么好用,難道我們北斗系統(tǒng)的芯片不好用就不去努力進步了嗎?答案肯定是否定。
建成北斗系統(tǒng),中國芯片廠商春天到了!雖然目前存在著差距,但是中國的芯片廠商終于可以有機會和國外的芯片廠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商生產 GPS 的芯片和國外廠商競爭,那才叫幾乎不可能。這就叫打破GPS的壟斷地位。專家預測,到2020年,僅北斗衛(wèi)星導航市場將達到年產值4000億元人民幣,年復合增長率達到 40% 以上。
北斗很賺錢,國家給你創(chuàng)造機會了,這個錢要怎么拿,就看各自的本事了?纯慈珖榈亻_花的北斗產業(yè)園就知道機會多難得。整個系統(tǒng)國家只負責空間星座和地面監(jiān)控部分,這兩部分耗資巨大,技術要求高,且具有唯一性,系統(tǒng)性能指標主要取決于這兩部分。用戶接受設備部分則主要交給市場完成,這部分決定了導航系統(tǒng)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品終究會被替換下場。
(2)北斗系統(tǒng)的精度不夠高很大一部分的原因是中國的原子鐘不行。
衛(wèi)星導定位中,時間系統(tǒng)有著極其重要的意義,在由跟蹤站對衛(wèi)星進行定軌時,要求衛(wèi)星位置的誤差小于1cm時,相應的時刻誤差應小于2.6μs(1微秒=10-6秒);如果要求測量的距離誤差小于1cm時,則信號傳播時間的測定誤差應小于 0.03ns(1納秒=10-9秒)。中國的原子鐘相對國外產品,體積大、質量重、精度還差了一個量級,這種高精尖的技術國外是對中國禁運的,我們只能靠自己。為什么不行?因為有一段時間原子鐘是可以從國外買的,相比起自己研制成本還不高,質量很好,國內直接放棄研制原子鐘了。等中國說要建導航系統(tǒng),國外立刻對中國實施禁運,中國這個時候才趕緊又開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,本來技術雖然不算先進,但也勉強跟上世界潮流,現(xiàn)在卻拉下一大截,如果中國一直堅持自己研制原子鐘,現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)精度更高。要不是北斗系統(tǒng),中國的原子鐘技術更是悲劇了。
9.建設速度快
歐洲早在1999年2月10日就提出建設GALILEO系統(tǒng),在2005年發(fā)射了第一顆實驗衛(wèi)星,2008年4月27日,發(fā)射第二顆實驗衛(wèi)星,進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(wèi)星。這四顆衛(wèi)星組成網(wǎng)絡,初步發(fā)揮地面精確定位的功能。
北斗的第一顆衛(wèi)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(wèi)星發(fā)射,這是北斗區(qū)域網(wǎng)最后一顆衛(wèi)星,北斗導航工程區(qū)域組網(wǎng)順利完成, 2013年12月27日正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務性能規(guī)范(1.0版)》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件(2.0版)》兩個系統(tǒng)文件,這是北斗正式商用的標志,所有的廠商都可以根據(jù)這兩個文件來開發(fā)自己的產品。
北斗與GALILEO在使用頻率上是有競爭關系的(有重疊),根據(jù)“誰先使用誰先得”的國際法原則,中國在 2009 年發(fā)射三顆\" 北斗 \" 二代衛(wèi)星,正式啟用該頻率,而歐盟連預定的三顆實驗衛(wèi)星都沒有射齊。敗下陣來,失去對頻率的所有權。
你的情報不準確??美國定位值班的24顆還有替補幾顆先后他發(fā)射了50多顆。中國現(xiàn)在沒有完全確定需要對少顆。我們先后研發(fā)了3代定位衛(wèi)星。現(xiàn)在公布的要發(fā)射60多顆衛(wèi)星完全達到全是3代組網(wǎng)。我們和美國導航不是一個模式所以我們要比他衛(wèi)星多。我們還可以兼容通信所以我們比他先進不少。
美國的GPS衛(wèi)星只有24顆,是固為美國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)左有較好的近地空間,而近地空間衛(wèi)星軌道資源是有限的,既然最好的衛(wèi)蜜軌道資源被美國古有了,我國要建立全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),就只能運用離地球較遠的衛(wèi)星軌道,而這樣要覆蓋全球做到全球定位所需要的衛(wèi)星就要比美國的衛(wèi)星多一倍以上,經(jīng)測試總體設計需要55顆。這就是為什么我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是55顆衛(wèi)星。
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