GPS与北斗系统

引入

手机导航能告诉你”距目的地还有 3.2 公里,预计 8 分钟到达”,外卖骑手的位置在地图上实时更新,地震监测站能精确到毫米级别追踪地壳运动。这些功能的底层都依赖同一个技术:卫星导航定位。

GPS 是最早被大众熟知的卫星导航系统,但它不是唯一的选择。全球目前有四大全球卫星导航系统（GNSS）:美国的 GPS、中国的北斗（BDS）、俄罗斯的 GLONASS 和欧盟的 Galileo。

正文

定义

**全球卫星导航系统（GNSS, Global Navigation Satellite System）**是利用导航卫星对地面及近地空间用户进行定位、导航和授时服务的空间基础设施。

定位原理

GNSS 定位的核心原理是距离交会:

1. 卫星不断广播自己的位置和时间信号
2. 接收机接收信号,通过信号传播时间计算与卫星的距离（伪距）
3. 同时接收至少 4 颗卫星的信号,通过空间距离交会解算出接收机的三维坐标 $(x,y,z)$ 和钟差 $\Delta t$

定位精度的影响因素:

影响因素	说明
卫星几何分布	卫星在天空中的分布越分散,定位精度越高（用 DOP 值衡量）
大气延迟	电离层和对流层延迟信号传播
多路径效应	信号经建筑物或地面反射后被接收,造成误差
接收机噪声	接收机自身的测量误差
星历误差	卫星轨道参数的精度

全球四大 GNSS 系统

系统	国家/地区	卫星数	轨道高度	特点
GPS	美国	31（在轨）	$\sim 20200\mathrm{km}$	最早投入运行,全球覆盖最成熟
北斗（BDS）	中国	30+	$\sim 21500\mathrm{km}$（BDS-3）	具备短报文通信功能,亚太区域精度更高
GLONASS	俄罗斯	24	$\sim 19100\mathrm{km}$	高纬度地区覆盖较好
Galileo	欧盟	24+	$\sim 23222\mathrm{km}$	民用主导,提供高精度公开服务

GPS 与北斗的比较

比较维度	GPS	北斗（BDS-3）
发展历程	1978 年首颗卫星,1995 年全面建成	2000 年北斗一号（区域）,2020 年北斗三号（全球）
定位精度	民用 $\sim 5\mathrm{m}$,军用更高	全球 $\sim 10\mathrm{m}$,亚太区域更优
特色功能	精密单点定位（PPP）	短报文通信（无移动通信覆盖区域可发送消息）
频段	L1、L2、L5	B1I、B1C、B2a、B2b、B3I
主要用户	全球军民	中国及周边军民,逐步扩展全球

北斗的短报文通信

北斗系统独有的短报文通信功能是其与 GPS 最大的区别:

• 用户终端在无移动通信网络覆盖的区域（海洋、沙漠、山区）可以通过北斗卫星发送和接收短消息
• 单次通信容量有限（北斗三号全球范围单次最大 1000 汉字）
• 用途:应急救援、远洋渔业、地质灾害监测、野外考察

GNSS 的应用

应用领域	具体应用
交通导航	车辆导航、航空导航、船舶导航
测绘	高精度控制测量、地形测量、工程测量
农业	精准农业（农机自动导航、变量施肥）
灾害监测	地壳形变监测、大坝变形监测
时间同步	通信基站、电力网络、金融系统的精确授时
科学研究	板块运动监测、大气水汽反演、遥感影像几何校正

引出

GNSS 提供的定位数据如何与 GIS 结合,实现空间数据的采集和管理?

北斗短报文通信在应急救援场景中相比传统通信手段有什么不可替代的优势?

RTK（实时动态定位）技术如何将 GNSS 定位精度从米级提升到厘米级?