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北斗“中国精度”厘米级挑战GPS

本文作者:金楠 2015-06-19 11:55
导语:和之前北斗高精度手机面世的消息时所引发的大量关注一样,“中国精度”也背负着满满的骄傲、自豪和强国梦,然而,厘米级的定位是如何实现的?它的现实意义又有哪些呢?

近日,国内导航企业合众思壮近日宣布,首个国产星基增强服务系统“中国精度”正式提供服务,并面向全球同步发布,借助“中国精度”。

这意味着,中国北斗用户在无需架设基站的情况下,可以在全球任一地点享受厘米级的高精度增强服务。

合众思壮介绍说,“中国精度”是中国首家覆盖全球运营的星基增强服务系统,该系统于2013年底提出建设,具有全部自主知识产权和全部控制权,不仅打破国际企业的技术垄断和封锁,保障国家地理空间信息的安全性和自主权,还弥补了我国卫星导航产业的技术空白。

和之前北斗高精度手机面世的消息时所引发的大量关注一样,“中国精度”也背负着满满的骄傲、自豪和强国梦,然而,厘米级的定位是如何实现的?它的现实意义又有哪些呢?

为什么我们兴奋于“厘米定位”?

想回答这个问题,需要先对“中国精度”所基于的北斗导航系统的定位原理做个简单介绍,而提到北斗,自然也就少不了拿导航和定位技术的先驱GPS做比照。

先来说说GPS的定位原理,GPS系统主要由三部分组成,分别是空间星座(21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星)、地面监控系统以及终端设备(GPS接收器)——24颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面上,然后通过将轨道面设定成特定角度,保证了全球任何地点、时间和接收器都能够接收到4颗卫星的信号。

值得一提的是,GPS诞生之初即被设计成单向传输的定位系统,即终端只接受而不对外发送信号,而这就牵扯到了一个问题,因为卫星只会播报自己的位置,而GPS又只能接收卫星数据,那么用户位置是如何在过程中被确定的?这时候就需要利用终端设备从从GPS卫星收到信号并利用传来的信息,去计算出用户的三维位置及时间。而计算工作的主要仰仗,就是GPS芯片与原子钟。

GPS芯片的核心作用是读懂卫星发来的信息并进行相关运算,而原子钟则是为了保证时间的精度。

因为卫星播报自己位置时,会附上信息发出的时间,终端设备在接收到信息后,再用当前时间减去发送时间后再乘以光速,最终得出终端与卫星的距离。而即便是再微小的误差,因为需要乘以光速,最终的结果亦都会差之千里,因此,原子钟在定位系统就显得极其重要。

而北斗导航系统和GPS大致上相似,其是由分别对应GPS三大组成部分的空间段、地面段和用户段三部分组成。其中,北斗导航系统的空间段(计划)由35 颗卫星组成,其中包括 5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星和3 颗倾斜同步轨道卫星,而之所以北斗比GPS多出了11颗卫星,则是出于卫星分布方式不同、工程周期以及满足其“有源接收”功能等因素所致。

北斗“中国精度”厘米级挑战GPS

这里需要明确的是,第一代北斗导航系统的定位原理属于有源定位,可靠性较差,而现在的第二代北斗导航系统已采用了类GPS的无源定位技术。

而因为有着卫星数量上的优势,加上“有源接收”和“短报文传讯”等GPS所不具备的功能,北斗导航系统在定位信号、精度以及易用性上都有一定的优势,这也是其能够快速追赶GPS的主因。

而解释完了导航技术的原理,也就不难理解,厘米级定位其实就是定位精度上取得突破的体现,而定位精度越高,其所能适用于的领域也就越广,实际价值也就越大。

厘米级定位是怎么实现的?

从技术上看,北斗系统之所以能实现从米级到厘米级的进步,“地基增强网”这一系统起到了关键作用。

所谓“地基增强网”系统,是一套兼容北斗、GPS、GLONASS等导航定位系统的综合性服务系统,由一系列地面卫星基准站组成,通过接收和处理移动通信、数字广播、卫星等播发手段及相应接收终端来提高定位精度。

而很多人可能无法理解厘米级定位是个什么概念?举个例子来说,当我们在看好莱坞大片时,看到那种飞机投射炮弹精准射进大楼中的某个房间里,甚至是工厂里的一个烟囱孔中,所依靠的就是厘米级甚至是更精准的定位技术所实现的。

而除了战争和国防领域之外,包括精细农业、灾害监测、土地水利、智能电网、移动通信等方面,厘米级定位技术也大有可为,比如智慧城市中的关键环节——交通,在有了厘米级技术之后,就能在地图上完全显示实际行走路线,对重点运营车辆、工程车辆、大货车、校车等进行精确监控,对非法超车等行为进行实时智能化监管等等。

再比如,将定位技术和信息与气象、环保、城建等互联起来之后,当某地的建筑物发生沉降或变形,北斗系统也能快速侦测到传感器的偏移和变化,从而自动报警,类似的方案还可以应用于医疗急救等领域。

有了厘米级定位还不够,北斗挑战GPS还道阻且长

然而,虽然北斗在实现了厘米级定位之后,于精度上与GPS已经差距不大,但这并不意味着前者就有了挑战后者的资本。首先,上文提到厘米级定位的主要实现方式是依靠“地基增强网”来实现的,但是地面基准站的选址和建设是有限制的,不可能多快,也不可能多普遍的覆盖,而这么一来,北斗系统的精度相比GPS来说,实际中优势体现的也就有限了。

而且,北斗系统的起步时间太晚,目前市占率只在1%左右,即便有着双向通信的独有技术优势以及较好的性价比,但想要弯道超车却很难,因为技术上的落后是难以逾越的,比如上文提到的GPS芯片,早前就有统计指出中国卫星导航芯片市场高达95%的已被美国GPS芯片占领,而国内大部分企业不具备研发此类多模导航芯片的能力已经成为了北斗卫星导航应用产业化的重大瓶颈之一,如果不解决这个问题,我国的导航芯片产业将继续在低产品附加值状态徘徊,实现北斗加GPS导航逐渐替代美国GPS导航的规划也将步履艰难——而这就是后来者的无奈。

不过反过来说,北斗系统起步至今时间还很短,远不比GPS的20多年时间,而且相比较俄罗斯的Glonass和欧洲的Galileo来说,北斗系统的优势还是不小的。更重要的是,它是我国自主控制的,也就是说在这个领域中,中国已经无惧美国的垄断——要知道,美国曾在海湾战争时置欧洲盟国于不顾而强行关闭对欧GPS服务,而在现代战争中,如果失去了对定位系统的掌握,那么也就基本意味着是任人宰割。

孙子曰:兵者,国之大事,死生之地,存亡之道,不可不察也。

这也就是为什么说,以“中国精度”为首的一系列工程与项目的建设,既是企业需求,也是产业需求,更是国家需求的缘故。

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