科普：中國北斗導航系統
哆啦A攻城獅攻城獅、中國科普作家協會會員收錄於編輯推薦·不吹不黑，用事實說話。對於北斗，或則GPS，我們所謂的好到底指什麼？最直觀的，也是我們普通人能夠直接體會到的，應該就是「定位的準確性」。對於專業人員來說，評價標準那就多了，比如授時精度、可用性、年均中斷次數等。那麼我們普通人就以「定位準確性」作為對比，以下數據全部來自GPS官網，是具備說服力的。一個導航系統的定位誤差有哪些，我在為什麼北斗衛星和GPS衛星定位系統的高精度定位不向普通用戶開放?下回答過，主要誤差來源有7項：時鐘誤差、軌道誤差、對流層誤差、電離層誤差、偽距雜訊（就是導航信號本身的精度）、接收機雜訊、多徑。那麼由衛星直接能體現的有幾項呢？三項：時鐘誤差、軌道誤差、偽距雜訊。其他幾項，像對流層誤差、電離層誤差可以通過額外手段消除，接收機雜訊、多徑就跟接收設備和場地有關了。因此，我們就以時鐘誤差、軌道誤差、偽距雜訊三項作為比較對象，這三項合起來有一個名字，叫做用戶測距誤差URE（User Range Error）。
用戶測距誤差最終體現到定位上就是定位誤差，下面的圖就是從用戶測距誤差到用戶定位誤差的很好描述。
根據2016年GPS管理機構發布的「An Analysis of Global Positioning System (GPS) Standard Positioning System (SPS) Performance for 2016」，2016年，在95%的範圍內，整個GPS星座衛星的用戶測距誤差URE平均只有1.28米，相當優越。95%的意思是：用戶測距誤差URE在95%的概率下是不超過1.28米的，有5%的可能超過1.28米。
下面的圖更加直觀。
那麼GPS的定位精度呢？請看下圖，NGA和IGS是兩個不同機構，可以看到，GPS在垂直方向上的定位精度在3米以內，在水平方向上的定位精度在1.5米以內。可以說是相當高的，注意，這是僅僅依靠GPS衛星，在沒有任何輔助手段的情況下取得的定位精度。
那麼北斗的情況如何？根據2017年9月27日舉行的「57th Meeting of the Civil GPS Service Interface Committee」上中國代表的報告，北斗二號的用戶測距誤差目前在2米以內（95%概率下）。而垂直方向的定位精度在8米以內，水平方向在4米以內。
可以說，目前的北斗二號性能跟GPS還是有差距的。造成這種差距的原因是多方面的，比如：1、GPS採用的銫原子鐘穩定性要比北斗二號的銣原子鐘要好，這個我在天宮二號搭載的冷原子鐘相比其他類型的原子鐘有什麼不同？為什麼能使北斗衛星的定位精度大幅提高？下面的回答中提到過。
2、米國遍及全球的GPS監測跟蹤網路更好地保證了衛星軌道測量的準確度。
3、北斗二號目前只是覆蓋亞太地區，而GPS則是全球覆蓋，表明可用衛星空間幾何狀態的精度因子PDOP值，目前北斗還比GPS要差點。
為了縮小這種差距，北斗也是在不斷進步的，比如馬上要發射的北斗三號將採用比銫原子鐘穩定性還要高的氫原子鐘。
隨著衛星數的增加，北斗系統的定位精度也會穩步提升，達到2.5米至5米。確實是在現階段「垂直方向定位精度在8米以內，水平方向在4米以內」基礎上提升了1~2倍。
北斗二號從2012年開始投入使用，到現在也只不過過了6年，而GPS已經使用30來年了。飯要一口一口吃，路要一步一步走，趕超也需要時間。承認差距，是為了更好地進步。你看，北斗官網上就講的比較客觀，也沒吹牛說現階段已經實現「趕美國GPS超俄羅斯Glonass」了。那麼，為什麼北斗會在網上遭部分人黑，被人認為在吹牛呢？我覺得主要原因有幾點。1、部分新聞媒體為吸引眼球瞎報道比如下面的報道，「GPS完敗」，是不是吸引你的眼球。
然後你點進去一看，人家是這麼描述的。北斗精度達到亞米級，而GPS民用修正也就4米。關鍵是，作者認為這兩個量值差別還不止一個量級，作者對量級這個概念到底了不了解。然後，對衛星導航系統不甚了解的民眾就會想：不對啊，我怎麼沒感覺到北斗這麼高精度。最後得出結論：北斗吹牛。
再來看一則，目前商用市場佔有率排名第二的俄羅斯Glonass要融入北斗？怎麼回事？
然後你點進去一看，明明是兩個系統的兼容互操作合作，被這新聞說成了Glonass融入北斗。我在北斗在幾個定位系統中能排第幾？如何看待蘋果支持日本QZSS卻不支持北斗？中回答過，各個衛星導航系統在同一頻點採用相似的信號，就是為了實現各個系統民用方面的兼容，並不存在誰融入誰。
2、部分民眾還以為北斗有用戶使用數限制中國北斗的發展從國情出發，分三步走，第一步是2000年在中國及周邊區域形成有源定位服務能力。第二步，2012年在亞太區域實現無源定位服務能力。第三步，2020年實現全球無源定位能力。有源和無源有什麼區別呢？有源就是，如果你想實現定位，就必須先給衛星發送信號，由衛星轉向地面控制站，地面控制站算出你的位置後再通過衛星發送給你。這種定位方式需要用戶發送信號，在軍事上極易被人偵查到。同時，由於衛星要接收用戶的請求，用戶同時請求時受到衛星能力限制，所以用戶使用數是由上限的。但是，從2012年起，北斗也已經對外提供無源定位服務，只要在其服務範圍之內，用戶只需要接收就能實現定位，理論用戶上限無窮大。
3、北斗要求強制安裝交通運輸部明確規定：從2013年1月1日起，各示範省份在用的旅遊包車、大客車、危險品運輸車輛需要更新車載終端的，應安裝北斗兼容車載終端；所有新進入運輸市場的重型載貨汽車和半掛牽引車應加裝北斗兼容車載終端，並接入道路貨運車輛公共監管與服務平台；鼓勵農村客運車輛安裝北斗兼容車載終端；自2013年6月1日起，所有新進入示範省份運輸市場的以上三類車輛及重型載貨汽車和半掛牽引車，在車輛出廠前應安裝北斗兼容車載終端。凡未按規定安裝或加裝北斗兼容車載終端的車輛，不予核發或審驗道路運輸證。那麼在「兩客一危」上安裝的車載終端工作原理是怎麼樣的呢？兩客一危通過接收北斗/GPS信號實現自己的定位，並將位置信息通過移動/聯通/電信網路發送至管理平台，以使管理機構能夠有效管理「兩客一危」。其實，在美國，Federal Motor Carrier Safety Administration 也是建議在車輛上安裝GPS相關設備的。 不可否認，該項規定有強制嫌疑。但是，如果安裝的車載終端只能接收GPS信號，那麼這項車輛管理系統就始終有脖子被捏在別人手裡，人家不給你用，你這個系統就完全癱瘓掉了。
同樣的應用也發生在船舶上，船舶上安裝有接收北斗/GPS的接收機，能夠定出自身的位置。如果船舶航行在岸邊，那麼通過岸邊基站，尚能將船舶位置信息傳給岸上。這項船舶位置回傳叫做AIS——Automatic Identification System，但是在地面網路無法覆蓋的遠海呢？
美國有一個專門的低軌道衛星星座Orbcomm，專門用來收集遠海上的船舶位置信息，回傳至船舶管理機構。
但是，中國的船舶位置信息回傳如果交給美國公司，所有的船舶信息都將無所保留地奉獻給美國。由於北斗具有短報文功能，即北斗是可以在海上發簡訊的，所以通過北斗，將北斗覆蓋區域內的中國船舶位置回傳，既能保證信息安全，又能在船舶遇險時及時救援。
在航空領域，同樣的服務叫做ADS-B——Automatic Dependent Surveillance-Broadcast。飛機是時刻都在向外彙報其位置信息的，但是傳統的ADS-B接收站點都建立在陸地上，如果飛機飛越海洋，那麼其位置信息很有可能丟失，這也是為什麼馬航MH370最後消失在哪裡都不知道的原因。剛由馬斯克SpaceX公司發射的「」銥星下一代「」就具備接收飛機位置信息功能，以後飛機將時刻保持在線。
上述在陸地、海洋、空中的位置信息監控服務都需要用到通信功能，同時還需要搭建服務平台，這也是為什麼這項位置信息服務是收費的原因，而通過北斗衛星傳遞這些位置信息也保證了信息安全。所以，你覺得北斗衛星導航系統怎麼樣？現階段，北斗還只是覆蓋亞太區域，隨著2020年北斗提供全球服務的臨近，其性能的提升是肯定的。GPS畢竟先行了那麼多年，在系統性能、運營管理方面，北斗與其有差距是客觀存在的。但承認差距不等於甘願認輸，有差距才能激勵我國北斗追趕，直至趕超。國之重器，中國北斗！
看到大家對「兩客一危」強制安裝北斗終端(實際上是既支持北斗，又支持GPS的終端)意見很大，那我們來看下歐洲是怎麼推廣Galileo、俄羅斯是怎麼推廣Glonass的。首先是歐洲GalileoThe GSA, along with the European Commission, invite all eCall device manufacturers, which are suppliers of the automotive industry, to participate and assess their eCALL devices』 capability to support the reception and processing of the Galileo and EGNOS signals.The testing initiative follows the 17 January 2017 publishing of European Commission Delegated Regulation (EU) 2017/79. According to the regulation, all new M1 (passenger cars) and N1 (light duty vehicles) types must be equipped with eCall in-vehicle systems as of 31 March 2018.From 2019, all heavy vehicles must be equipped with a new Smart Tachograph, an improved version of the already existing digital tachograph which monitors and records the driving and resting times of professional drivers.Smart Tachographs include a connection to the global navigation satellite system (「GNSS」) facility, a remote early detection communication facility, and an interface with intelligent transport systems, which will make it easier for authorities to track and identify potential offenders and detect fraud.以上是歐洲要求安裝Galileo的情況，材料全部來自歐空局ESA或者Galileo官網，如果你想看這條法規出處的話，可以參考歐空局<<Eoropean GNSS Agency 44th meeting of the Administration Board>>在2006年的工作報告。然後是俄羅斯Glonass，材料全部來自Glonass官網，來自俄羅斯推行的ERA-Glonass計劃。PURPOSE OF THE SYSTEM:Government Accident Emergency Response System ERA-GLONASS utilizes GLONASS technology for enhancing transportation safety. The ERA-GLONASS System will reduce emergency services』 time-to-arrival by up to 30%, saving up to 4,000 additional lives every year.DEPLOYMENT SCALE:All roads in the country, the entire vehicle fleet (40 million vehicles).Russian ERA-GLONASS and EU"s eCall – coordinated standards and protocols, common road safety space.編輯於 2017-10-18更多回答
知乎用戶做男人一絲不掛先下結論，絕對不是吹！目前全球排得上號的GNSS（Global Navigation Satellite System)，北斗要排第二把交椅。GPS自不用說，91年海灣戰爭一出場就大殺四方，也就是從這之後，中國才意識到危機，決定必須要發展自己的衛星導航。俄羅斯的Glonass最早在前蘇聯時期就開始計劃，93年開始建設，07年開始運營。只是俄羅斯飯都快吃不上了，系統疏於維護，所以Glonass一直半死不活的，號稱天上20多顆星，實際能用的也就10幾顆，精度一般能到20米。近年來，普京大帝開始大力復甦Glonass，拭目以待吧，畢竟佔了那麼好的一塊頻段。Galileo就是個笑話，03年中國入股2.3億歐元與歐盟共同開發Galileo，07年被排擠出門，然而Galileo因為各種各樣的原因一再拖延，最終竟然是中國自主研發的北斗先上天，提前搶佔了寶貴的頻段。不過最近一兩年Galileo突然加快了遊戲進度，發射的衛星數量已經超過了20顆。Galileo號稱採用更為先進的原子鐘、信號調製以及定軌技術，因此精度可以超過gps。本人沒有玩過Galileo，所以不敢下結論，玩過的同學可以補充。下面是重點，說一說中國的北斗！北斗是為國家安全而生，因此首先是軍用，其次才是民用。2000年北斗發射了第一顆地球同步軌道衛星，即北斗一代。一代衛星與gps不同，屬於有源定位，接收機自帶發射裝置，將信號發送給衛星，衛星再轉給地面站，地面站計算用戶位置再將信息返給衛星，衛星最後再將位置發送給用戶。這種定位方式只需計算平面坐標的兩個未知數，高程由系統資料庫提供，因此只需兩顆衛星就能定位。但是定位精度不高，在100米左右。但有源定位也順便提供了一代衛星的一個附帶功能，也就是可以發送短消息。這對於一些地質災害、漁業救援等一般通訊手段失效的情況非常有用。然而一代畢竟無法用于軍事，所以還是要發展無源定位。03年，中國投資2.3億歐元與歐盟共同開發Galileo，然而，因為政治原因，中國一直無法接觸到核心，無奈之下中國又把重心轉移到了北斗。07之後，中國陸續發射了多顆中低軌道衛星，北斗二代橫空出世！
北斗二代基本可以覆蓋到亞太地區，而且具備不錯的定位測速授時性能。這是官方發布的北斗定位測速精度，實際精度比這個要好的多！
這是拿自己的接收機在靜態場景下連續對天觀測接近15個小時的定位測速精度統計，坐標北京（直接用手機拍的電腦屏幕，可能不是很清晰）。
可以看出，水平精度最大不超過4m，垂直精度最大不超過3m（HDOP和VDOP大部分時間在2以內，衛星數全部時間段在9顆星以上)。按照2σ統計，水平3.057m，垂直2.845m。測速方面，水平速度和垂直速度也基本上控制在0.2m/s以內，合速度2σ精度在0.154m/s。當然自己做的接收機可能性能上稍微差了點，跟Novatel、ublox沒法比，所以北斗實際能夠提供的定位測速指標比這還要高。這還只是北斗二代的性能，各位可以自行想像北斗三號正式運營之後，星座分布會更加完善，精度也會進一步提高。2017年11月5日19時45分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射兩顆北斗三號衛星，拉開了北斗全球組網的序幕。北斗三號相比二代有了更長足的進步：首先北斗三號搭載了國內最先進的新一代銣原子鐘，天穩定度達到10E-14量級，相當於300萬年只有1秒誤差。原子鐘的性能對於定位精度至關重要，就如同人體的心臟一樣。使用新一代原子鐘的北斗三號將在當前定位精度的基礎上至少再提高一倍！其次，增加了B1C、B2a等新體制信號，與GPS進行兼容與互操作。最後，北斗三號採用星間鏈路進行衛星間信息互傳，減小了對地面站的依賴。針對星間鏈路的具體解釋，網上有一組漫畫非常形象（謝謝朋友指明，這裡標註漫畫出處：中國空間技術研究院出品，文案：郭睿，繪圖：邱緩。侵刪）
有人想說，北斗這麼牛逼為什麼我們現在用的還是gps？還是一開始說的，北斗首先是軍用，其次才是民用，北斗的戰略意義要大於它的經濟意義，在北斗應用初期，政府砸錢扶持的是那些做北斗的軍工企業。相信隨著北斗三代全球組網的發展，北斗會像gps一樣走進千家萬戶，帶給我們各種便利。未來，北斗和gps，以及其他衛星導航系統，不是互相取代和競爭，而是互相兼容和彌補，真正做到全球定位無死角！編輯於 2018-02-13
Moien信息科學學徒工根據題主的問題，通過公開查閱的資料對題主的問題進行了一些分析。下面列出一些定性結論，所有數據截止2015年5月15日。1. 民用領域的北斗產品1.1. 智能手機目前能夠接收並採用北斗衛星信號的智能手機品牌越來越多，但目前主要還局限於國產品牌。以下截圖來自各國產品牌手機官方網站的技術規格條目，其中BDS（BeiDou Navigation Satellite System）即為北斗衛星導航系統。
截圖來源：魅藍 metal - 參數
截圖來源：小米手機 5 參數
截圖來源：HUAWEI P9很有趣的是，H公司在手機的技術規格條目犯了一個錯誤，GPS（Global Positioning System）特指美國建設的「全球衛星導航系統」，並非手機定位模塊的名稱。更準確的用法應該是「導航定位」。智能手機中，導航定位的原理是通過接收衛星信號，分別測量手機與至少四顆位置可以較準確推算的衛星的距離，得到四個解算方程，解算出當前手機的位置。而能夠觀測到的衛星數量多於四顆時，手機可以採用額外的演算法提高距離測量的精度，或者降低距離測量誤差對最終位置解算結果的影響。另外，更多的衛星也有助於手機選擇信號強度和健康狀況較好的衛星進行解算。因此在實際使用手機進行衛星導航定位時，手機會同時搜索所有衛星導航系統的衛星信號。如果手機的衛星導航接收機能夠接收北斗導航信號，北斗衛星導航系統就有可能被採用。所以擁有支持北斗的智能手機的用戶每一次進行定位，都有可能使用到北斗系統。另外，由於北斗系統存在5顆同步地球軌道衛星和3顆傾斜同步地球軌道衛星，均部署在亞太地區上空，使得亞太地區的用戶能夠時刻觀測到這些衛星，因此在亞太地區，這個可能性接近100%。1.2. 工業界的授時服務由於目前電網採用50Hz交流電，不同發電站之間的電壓相位同步是一個非常重要的問題。若電壓相位有差距甚至完全相反，併網後就會導致兩發電站送入電網的電能小於各自的發電量甚至直接相消為零。為同步電壓相位，一個非常直觀的方法就是固定相位起始點的時刻。因此需要各個發電站之間有著非常精確的時間同步。衛星導航系統的一大特點就是時間相關性極強，每顆衛星上都有超過兩台高精度原子鐘，同時導航衛星的位置任意時刻都可以通過軌道根數推算出來。那麼利用導航衛星播發的時刻信息即可完成電網的時間同步。同樣的，金融系統對時間同步的要求也極為嚴格，高頻交易大範圍應用的情況下，不同交易指令的時間不同步會引入巨大的損失。因此金融系統也用到了導航衛星的授時服務。過去，這一授時服務主要使用GPS衛星，北斗區域系統2012年開通以來，我國的大部分系統都轉而使用北斗系統作為時間基準。我們日常使用的每一度電，進行的每一次金融操作，都是在使用北斗系統。2. 北斗系統和GPS的差別2.1. 北斗系統的優勢北斗系統目前最主要的優勢有兩點：亞太地區的定位增強和短報文功能。前文提到，北斗系統存在5顆同步地球軌道衛星和3顆傾斜同步地球軌道衛星，均部署在亞太地區上空，這就帶來了亞太地區可見衛星數量的巨大優勢。同時，北斗系統中包含了一套廣域差分系統，可以在不藉助額外系統設備的情況下實現廣域差分和區域增強。因此北斗系統在亞太地區目前定位精度水平和GPS相當，而在有如上優勢的情況下只能做到相當的原因在後文中會有所說明。另外，GPS的現代化項目中也計划了地球同步軌道衛星的發射，導航系統的競爭是十分激烈的。由於GPS是完全的無源定位系統，導航接收機只是被動的接收GPS衛星信號，沒有上行信息傳遞鏈路，所以GPS只能使用戶了解自身的位置。而北斗系統在無源定位的基礎上，加入了通信的功能，這是由於「北斗一號」（現在說的北斗系統一般都指「北斗二號」系統）系統是有源定位系統，通過接收機、衛星和地面監測站的多次通信確定用戶位置。這一項特性引入的北斗系統短報文功能可以支持北斗系統觀測下的任意兩台接收機完成短報文通信，這項應用在搜救領域已經起到過巨大作用了。地震無情 北斗有愛北斗神兵：汶川大地震北斗短報文大顯神威另外，在2000年之前，GPS的民用信號執行了一項名為「選擇性可用」（Selective Availability, SA）的政策。美方在GPS衛星播發的民用信號中人為加入了雜訊，導致民用信號定位精度降低至100米左右。而其軍用信號不受影響，依然保持很高的精度。而後，隨著GLONASS和北斗系統的發展和精度的不斷提高，SA政策的意義變得不那麼重要了。因此美方於2000年關閉了這一政策。這一點也是我國開發北斗系統的推動力之一。GPS信號的SA政策和AS政策2.2. 北斗系統的劣勢前面提到北斗系統在亞太有著諸多系統上的優勢，但是定位精度和GPS相當，其原因主要在於星載原子鐘的精度和衛星航天發射定軌的精度。導航定位中，接收機到衛星距離的測量極大地依賴衛星原子鐘的精度，星鐘的誤差會被以光速為倍率放大。我國的原子鐘製造水平落後美國，因此距離測量精度會有所落後。定位解算的基礎是推算出衛星當前的位置，推算位置使用的是衛星軌道的描述參數，「軌道根數」。而當衛星偏離計算出的軌道位置時，距離測量同樣會產生誤差。我國的衛星發射定軌技術同樣落後於美國，導致了距離測量同樣存在誤差。美國的GPS系統1958年開始研發，1964年投入使用，至今已有五十多年的歷史了。而我國的北斗系統2000年發射第一顆衛星，2012年區域定位系統投入使用，2020年才完全建成。發展進程上也是落後於GPS的。我國的新聞作為一種輿論導向工具，文本中含有導向信息是很常見的，畢竟讓大眾了解了北斗系統的好，大眾才會支持北斗系統的進一步發展。以上即為對題主問題的回答，不知是否解決了疑問呢。
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