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2020中国北斗一飞冲天, 回看美国GPS, 我们微微一笑

文章来源:深圳市阿瑞仕科技有限公司 人气:232 发表时间:2020-01-15 08:28:05
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很多人认为,全球定位系统就是美国的GPS系统。因为以前我们的各类移动终端,比如手机、汽车等等上面都有一个选项,就是“GPS”或者“A-GPS”。但不知道你们有没有注意,现在的移动终端上已经不是这个名字了,尤其是国产手机,上面显示的名字是“位置”。为什么呢?其实原因很简单,美国的GPS已经不再独霸全球了,中国的北斗卫星导航系统也在为你服务。当然某品牌的手机还用的是美国的GPS系统,而且坚持不用中国北斗卫星导航系统。虽然我承认它是个伟大的企业,但这种狭隘的做法着实让我为它捏一把汗,这个曾经如此伟大的企业也许已经踏上了落寞之路。

我们还是说回导航,由于思维惯性,人们一直觉得自己用的还是GPS导航系统,其实并不是这样。世界上有四大全球卫星导航系统,分别是中国的北斗、美国的GPS,欧盟的Galileo(伽利略)、俄罗斯的GLONASS。其中三个导航系统都在同时为我们服务,看下面这张图(小编的手机截图),中国、美国、俄罗斯的全球卫星导航系统都在使用中。所以除非你用的是某品牌的手机,否则千万别说自己用的是GPS导航系统,我们还是应该严谨一点,不能太通俗了。

其实卫星导航系统最重要的是军事意义,其次才是民用。之前有一则清华女破译北斗系统的新闻,实际上说的就是民用的一个编码。其实咱们国家的北斗导航系统本来就是全面开放民用的,且为了让全世界都能用上北斗,在民用这方面的设计,用的就是美国GPS的设计,也根本没有任何加密,所以要说破译倒不如说是翻译。结果让很多人误以为咱们北斗不行,真是冤枉。但军用方面就完全不同了,都是咱们自己研发、设计、加密的,被破译是绝无可能的。但我们必须清楚,导航对国家的意义是极其重大的,在海湾战争中,美国的GPS导航系统一战成名,所有国家都意识到全球卫星导航系统的重要性。这也是为什么俄罗斯再苦也不能苦卫星,欧盟再乱也不能看着伽利略导航系统一直瘫痪。

卫星导航原理

说了这么多,其实就一个核心意思,中国必须有自己的卫星导航系统,且现在中国北斗卫星导航系统已经在为我们每一个中国人保驾护航了,而且谦虚的说,中国的北斗完全不逊色与美国的GPS。作为一位科学领域的作者,必须要讲讲卫星定位的原理。

我们就用手机为例,首先卫星是通过测量距离来定位的。卫星向你的手机发射一束携带信息的电磁波,信息中包括了发送电磁波的时间和卫星的位置,手机只要将接收到的时间减去发射电磁波的时间,再乘以电磁波的速度(光速)就知道你与卫星的距离有多远了。

但是手机只知道一颗卫星的相对距离是无法定位的,毕竟我们所处的是三维空间,所以必须有三颗卫星才能够定位。当手机同时接收到三颗卫星的信息时,我们就可以知道自己的位置了。但是这里有一个问题,你的手机时间足够准确吗?在计算的时候,我们用的可是光速,所以1微秒的差距,都会带来极大的位置偏差。因此我们必须引入第四颗卫星的数据,这颗卫星是专门帮你计算时间的。也就是说当四颗卫星同时进行定位时,就不需要你手机上的时间了,这样才能保证定位精度.

因为卫星上装备的是原子钟,时间误差在百万年一秒左右,所以完全不用担心时间准确性问题。这里我还想提一下中国的原子钟,我们知道中国在卫星导航方面起步较晚,所以想要自行研发原子钟很可能推延我们整体的全球卫星计划,于是我们就向其他国家购买原子钟。但结果是残酷的,没人卖给我们,迫不得已我们只能自己研发,自己制造。显然他们低估了我们中国人的能力,我们不但造出了原子钟,而且还是第一个把原子钟送上太空的国家,现在我国拥有世界上最先进的氢原子钟。不难发现,一个原子钟都买不到,更何况卫星呢?所以我国北斗卫星导航系统是100%国产化的,包括所有的芯片、天线、基带、射频等等全部都是国产的。


四颗卫星就能精准定位了吗?其实还是不行的。因为还有两个问题影响卫星定位的精度,那就是爱因斯坦的相对论和地球上变幻莫测的天气。首先,卫星与你的手机是存在相对速度的,按照狭义相对论的描述,相对于手机来说,卫星的时间会过得慢一点。而且卫星距离地球较远,引力也较小,按照广义相对论的描述,卫星的时间会过得快一点。将两个时间相减,就会发现,相对于你的手机,卫星每天都会快30毫秒左右。其次,电磁波在不同介质中的传播速度是不同的,而大气环境又是变幻莫测的,要知道现在天气预报的准确率也不过70%左右。所以我们还需要一个地面基站,定时对卫星上的时间及光速变化系数进行校对,才能真正实现精准定位。
大图模式
从上面的参数中你可能发现,说了半天,2020年以后咱们北斗的精度怎么还是不如GPS呢?其实不是这样的,在我国境内及周边地区,北斗的精度可以达到1-1.5米。而全球范围是5-8米的精度。为什么呢?还记得上面我们说的地面基站吗?没错,我们要在全世界建设地面基站显然是不可能被允许的,所以全球定位精度并不能完全代表我们北斗的实力。如果仅从技术角度来说,2020年的北斗三号系统,必须是最强的。而且北斗还有很多GPS没有的强大功能,我们来列举两个北斗的独门绝技:

北斗系统可以实现终端与卫星的通讯功能,比如发个求救信号什么的(上图中的短报文)。北斗具有卫星和卫星间的通讯联络功能,将卫星形成网络,可以在没有地面基站支持的情况下,实现较高的定位精度(即使地面基站被摧毁也不怕)。

大图模式
自1994年开始启动北斗全球导航系统项目至今,仅仅用了26年。而美国的GPS全球导航系统已经足足发展了50年。2020年我国的北斗必将全面赶超美国的GPS,那时跑在前面的中国回头看看美国,微微一笑。


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