北斗对时服务器（GPS卫星同步时钟）分析北斗与GPS区别

该系统通过研究北斗卫星导航系统的同步时钟机制及其与GPS系统的异同点来实现功能优化

该系统通过研究北斗卫星导航系统的同步时钟机制及其与GPS系统的异同点来实现功能优化

起源于1992年，在截至2012年左右已具备区域覆盖能力的水平，在全球范围内提供服务，并已拓展至东南亚地区赢得认可。本文将深入探讨北斗系统与GPS系统的区别。

1\三频信号

北斗采用了三频信号系统作为其核心技术，在全球范围内提供精准导航服务。尽管GPS于2010年5月28日发射了第一颗具备三项频率的第一代三频卫星，并在此之后持续补充更多的同类卫星以维持其原有的双频模式运行状态。然而，在此之后大约几年的时间内成为北斗发展的黄金阶段。该系统的三项频率设计能够显著地减少高阶电离层延迟的影响，并且这一技术不仅显著提升了系统的定位可靠性，并且大大加强了数据预处理的能力。同时，在任何一个接收端发生频率偏移时（即使某个频率出现故障问题），仍可通过传统的双差解算法利用另外两个正常工作状态下的频率进行精确定位计算。这一创新设计使得整体系统的抗干扰能力得到了极大的提升，并且其定位精度也比现有的任何其它导航系统都更加出色。值得注意的是，在全球范围内目前还没有其它国家推出类似的全面支持三种工作状态（C/A、P-9和QZS）的组合导航系统

2有源定位及无源定位

在北斗一代系统中采用的有源定位技术具有显著优势：仅需两颗卫星即可完成定位任务；该技术依赖数字高程模型数据库进行辅助计算以提高精度。这一方法在北斗二代系统中得以保留但被弱化为次要功能；相比之下，北斗二代采用了无源定位方案类似于GPS系统：无需依赖信息中心参与解算；而有源定位则作为补充功能存在。

该功能的优势在于即使观测到的卫星性能不佳且数量有限（从理论上讲，在无源定位系统中至少需要4颗卫星才能解算XYZ及其时间四个未知参数；实际情况则更为复杂），仍然能够实现定位操作。该技术在紧急救援或特定环境条件下尤为实用——例如，在山谷等条件极为恶劣的地方使用时仍能提供大致位置信息具有重要意义。然而该方法的主要缺点在于在对抗场景如战争中可能会泄露参与者的具体位置信息。

需要信息中心参与解算的原因是因为'‘资源受限’"。例如,某北斗一代手持机每 60秒可以定位一次,为了避免频繁定位以减轻信息中心的负担,但北斗一代不能民用的真正原因并非如此。

将北斗一代命名为北斗卫星实验系统（RDSS），将北斗二代命名为北斗卫星导航系统（RNSS）。简称为‘一代’和‘二代’便于称呼。从命名角度来看，北斗一代主要用于内部验证我们的理论和技术可行性。随后进行必要的改进工作以提升定位精度及相关性能指标。定位精度如何？再进行后续改进工作以进一步优化性能参数并提高整体导航能力。设计初衷并未考虑民用需求。

3短报文通信服务

这一项是中国卫星导航系统独有的创新成果，并展现出显著的应用价值。在2008年汶川大地震发生时, 震区唯一可用的通信手段就是北斗一号系统。这一项独特的功能自然延续到了北斗二代系统中。然而, 这一技术存在使用容量上限的问题, 因此不适合作为主要日常通信手段, 更适合用于应急情况下的快速联系。凭借这一技术优势, 卫星导航系统不仅能确定用户的地理位置, 同时也能帮助他人了解对方的位置信息。这项技术无疑大大提升了在紧急情况下寻求援助的可能性。

4境内监控

卫星定位系统主要包含三个核心组件：卫星星座模块、地 monitored 系统以及终端接收设备。其中地 monitored 系统分为三个主要组成部分：监测站点、控制中心以及注入设备组。

目前位于世界最北端的陆地遥感卫星数据接收设施——"北极站"——已获得规划许可，并计划于今年在瑞典境内启动建设工作。与此同时，在南美洲的阿根廷将被计划为首个国际上的卫星定位追踪站点。从南美向北发展，在全球化的框架下，中国的卫星产业正逐步展开这一进程。

5分步开通

只有等到GPS系统全面建成之后才能发挥其作用。目前北斗星座由14颗在轨卫星组成，在这些卫星中使用了5颗地球静止轨道（GEO）卫星作为核心组件，在轨运行的还有5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中高度圆轨道（MEO）卫星。许院士指出，在众多方案中脱颖而出并非易事，在此期间仅就方案设计进行了三年时间的深入讨论。最终确定的最佳方案虽然存在一些不足之处但相较于其他方案而言无疑是最优选择。这一成果不仅体现了团队的努力也凝聚了各位专家的心血值得加以珍惜与传承。从商业角度来看 在亚太地区发展北斗系统更有战略意义 逐步将北斗技术输出至亚太地区将有助于缩短通轨星发射周期 同时也能为后续系统的优化提供参考 一旦实现通轨星组网并进入商业运行阶段 则推广至全球也将更加顺利

6局部加强，逐步成熟

理论上来讲，在全球范围内使用GPS实现的定位精度处于同一水平。针对覆盖中国及其周边地区的区域中，在设计上进行了强化优化以提高性能，在该区域内卫星的几何配置较为理想。单点定位系统的性能主要取决于两个关键因素：其一是在接收端观测到的信号质量；其二是在空间中布置了怎样的卫星星座。具体表现为六个不同的指标：包括空间分布因子GDOP、位置确定性PDOP、时间同步误差TDOP、平面分布度HDOP、垂直度VDO P以及相对配置RD OP。随着北斗系统的逐步完善，在覆盖中国及周边地区的区域中定位的精确度将不断提升。目前来看这一技术差距正在缩小，并非技术上存在任何障碍

卫星数量有所提升。GPS设计采用21颗工作卫星与3颗备用卫星的组合配置，在实际应用中已部署32颗运行中的导航卫星。随着观测数据量的增加，数据的质量与可靠性也随之提升；具体表现在差分定位精度更高、解算速度更快等方面。相比之下，在当前状态下北斗系统仅有16颗核心导航卫星，在这种情况下继续推进系统发展具有重要意义：其一是为了增强北斗系统的精度水平；其二是由于早期阶段仅支持北斗系统导致市场应用受限。然而从长远角度来看这一问题将逐步得到改善：现有的导航芯片设计也需兼容GPS信号以便实现全频段覆盖；这种兼容性不仅有助于提升设备性能还能满足多系统协同工作的需求；特别是在未来随着全球定位系统的日益复杂化和发展成熟度不断提升的过程中这一技术难点将会变得更加重要。

补充一下：如今魅族MX4及其系列（包括MX4pro）、小米4以及华为G7等机型均已支持GPS、GLONASS及北斗系统；可以看出这一技术趋势已然成为大势所趋，在未来不久此类设备将会有更多配备支持北斗导航功能的终端出现

（2）改正模型优化。与信号传播路径相关联的误差主要包括以下几种：第一种是对流层折射引起的信号畸变；第二种是由于电离层中存在大气电子密度不均匀分布所导致的信号传播延迟；第三种是多径效应带来的信号强度衰减；第四种则是地球自转产生的影响。这些无法完全消除的误差在实际应用中只能通过缩小其影响范围来加以改善。其中用于改进第二种和第三种误差的是Klobuchar经验模型，在这一过程中主要是通过分析长期气象观测数据来建立电离层折射随时间变化的经验公式。这种经验模型是一种经过深思熟虑的设计，并非随意猜测得出，在实际应用中还需要经过验证才能决定是否采纳并进行后续改进工作。值得注意的是全球不同地区的电离层环境各具特色，在国外积累的数据对于中国的实际应用效果并不理想。因此建议我们为北斗系统积累更多的观测数据，并在此基础上进一步开发和完善更多适用于中国地区特点的改正模型以提高系统的整体性能

（3）卫星轨道精度得到显著提升。设计轨道与实际运行轨道之间不可避免地存在一定的偏差。伪距定位法基于从多个测站获取的距离信息来计算接收机的位置坐标。只有当卫星轨道精度得到显著提升时，定位精度才会显著提高。卫星的轨道参数是通过监控站积累的数据进行拟合确定的；观测时间越长、数据越多，则拟合结果越精确；由于北斗系统的观测数据主要依赖于国内积累，在亚太地区的观测资源相对丰富；因此在该区域获得较高的定位精度；而对于国外而言由于缺乏足够的观测数据导致其地区的定位精度相对较低；为了弥补这一不足则需要引入同步的时间基准系统；特别提一下地球静止轨道（GEO）卫星；虽然 GEO 卫星无法实现绝对静止但会存在微小漂移现象；国际上将 GEO 轨道划分为多个弧段仅允许卫星在其分配区间内移动以避免与其他卫星发生碰撞；因此每隔一段时间就需要对 GEO 卫星的位置进行必要的调整；目前北斗系统采用的是整数倍频移位技术每次只能按整次数进行位置校正从而可能出现多校正一次显得多余少校正一次则难以满足需求的情况；后续计划引入连续式 thruster 系统可以根据具体需求进行微调从而提高系统的灵活性与精确度；在实施位置调整操作时之前的观测数据将被废弃需要重新累积新的观测数据才能继续使用系统；在等待定轨期间接收机处于失效状态因为无法确定其真实位置通常需要几天时间才能完成重新定轨工作；不过值得庆幸的是 GEO 卫星数量较为有限仅有5颗因此其定轨过程比其他类型卫星要简单快捷一些能够更快地恢复正常工作状态和其他类型卫星相比这一特点使得整体系统的可靠性得到明显提升；

7定位精度

北斗系统定位精度将提升至水平10米和高程10米，并较之前分别实现了质的飞跃——测速系统的准确度也得到了显著提升，在新的标准下表现更为出色——接收机时差小于二十纳秒

上述10米的精确度通常被视为亚太地区测图作业的标准平均值。
值得注意的是，
北斗系统的平面与高程精确度相当接近，
而GPS系统的水平精确度确实较为出色，
但其高程系统存在明显的弱点，
其精确度通常低于水平系统约一至二倍。

GPS定位精度能够达到毫米级（mm），这并非易事，在讨论相关技术时切勿忽视限制条件的影响。基于用户卫星测量设备作业状态的不同分类方法有多种形式：一种是按静态与动态定位类型划分（静态定位与动态定位），另一种是根据参考基准站的位置不同而分为绝对定位与相对定位两种类型。差分技术建立在同步同轨性原理基础之上，在已知基准站的基础上计算改正信息并发送至移动站以实现位置改正的技术被称为差分方法（Differential Method）。这种技术专用于动态测量领域，在这种情况下将原本10-40米的高精度定位精度提升至小于3米的水平已经非常出色了（Excellent）。要实现毫米级精度必须满足静态长时间优质观测条件下的绝对定位这一苛刻要求（Rigorous Conditions）。具体而言静态条件意味着需要独立建造一个固定观测基座并在其上架设高度精确的三脚架以保证测量精度（Precise Setup of Static Base and Tripod）。长时间则要求具备连续24小时甚至365天无间断观测的能力这意味着必须保证电源供应不会中断并且相关硬件设施具备足够的稳定性（Stable Power Supply and High-Rank Facilities）。优质观测环境要求避免电磁干扰以及建筑遮挡等问题同时禁止人员随意靠近GPS天线周围区域禁止有平静水面存在否则会产生多路径效应（Avoid Disturbances and Clear Areas）此外还需要远离地形起伏较大的山坡以减少测量误差（Elevated terrains can cause errors）最后还需要配备一台高性能高精度 GPS 接收机及其他必要的配套设施包括数据存储处理功能等这一切都只能在特定环境下才能实现如远离城市选择有一定条件的农村地区建立永久性的高精度观测站点这是一项成本高昂且耗时较长的工作并非易事。（Challenging but doable only in specific locations with high investment）北斗系统的高精度观测同样面临类似的挑战因为其使用的坐标系系统与GPS有所不同需要经过坐标转换才能实现数值上的比较而这种转换过程通常会带来一定的精度损失（Coordinate System Differences and Conversion Errors）。因此在各自坐标系下直接比较无需转换即可获得更为准确的结果。（Direct Comparison within Systems Only）

8促进整个制造业的升级

GPS使用的芯片异常先进，
难道我们不继续努力改进北斗系统的 chip 吗？
显然不是。
一旦完成北斗系统的建设，
中国的 chip 厂商迎来了发展的新机遇期。
虽然目前还存在差距，
但中国的 chip 厂商终于有机会在北斗 chip 上与国际巨头展开竞争，
这是完全有可能实现的目标。
相反地，
如果国内企业试图生产 GPS 的 chip 并与国际竞争对手直接较劲，
那几乎就是不可能的事。
这就是打破 GPS 芯片垄断地位的关键所在。
专家预测，
到 2020 年，
仅北斗卫星导航市场将达到年产值 40 亿元人民币，
年复合增长率将达到 40% 以上。

北斗系统的经济效益显著，在当前商业环境下提供了宝贵的机遇。如何获取这一块资金，则取决于个人的专业能力与资源积累水平。遍布全国的北斗产业园充分展现了这一领域的巨大潜力与稀缺性。在整体架构中,国家仅承担空间星座与地面监控两大核心模块,这两项工作量庞大,技术门槛高且具有独特性,其性能指标直接由这两项支撑。至于设备部分,则由市场主导完成,这部分内容关系到导航系统的实用性和生态系统的活力等要素,但这一领域对于每个人而言都是可参与的关键环节,而且其可替代性非常突出。产品的核心竞争力若得不到提升，则可能面临被淘汰的风险

（2）北斗系统的精度不高主要原因是中国的原子钟技术存在明显短板。在卫星导定位过程中，在由跟踪站对卫星进行定轨时：若需保证卫星位置误差小于1厘米，则相应的时刻误差必须控制在2.6微秒以内（1微秒等于十亿分之一秒）；而若要实现距离测量误差小于1厘米，则信号传播时间测定的精确度必须达到0.03纳米级别（1纳米等于十亿分之一米）。相比之下，在体积、重量和精度方面均不如国外产品。这种高精尖的技术被国外视为封锁中国的技术手段。我们只能依靠自身的力量来弥补这一差距。那么为何不行呢？因为在一段时间内，外国可以向中国出售高质量的原子钟设备。等到中国决定建设导航系统时（即意味着），国外立刻对中国实施技术封锁。在这禁运持续数年的期间中（相当于），中国的原子钟研发被迫中断。这不仅造成了资源的巨大浪费（损失），也使得我们的技术水平在短时间内难以跟上世界先进水平（步伐）。如果中国始终坚持自主研发的脚步不松懈，则现在的北斗系统精度将会显著提升。（这将是一个积极的结果）。如果没有北斗系统的支撑技术发展缓慢会导致严重后果。（这一结果十分严重）。因此可以说如果没有自己的原子钟技术支撑则中国的导航事业发展将举步维艰。（结果十分危急）。

9建设速度块

早在1999年2月10日，欧洲即提出建设GALILEO系统。于2005年成功发射了第一颗实验卫星。于2008年4月27日发射了第二颗实验卫星。整体进度较原计划滞后整整五年期间。于当年晚些时候又相继发射了第三和第四颗卫 biscorn组成了一个网络，并初步发挥了其在地面上实现精确定位的能力

第一颗北斗卫星于2007年4月14日正式成功发射升空，在第十六次发射任务中،于2012年10月25日成功实施了第十六颗北斗导航卫星的升空。这标志着北斗区域网的最终组成已全部实现。经过全面建设与部署, 完成了一整套覆盖全球的导航系统。为此, 于2013年12月27日正式发布了《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》和《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》两个系统文件, 这标志着我国完全掌握了自主知识产权的一体化 GPS 卫星导航系统的研发与应用技术。这些重要规范文档的发布, 正式标志着我国具备开展 satellite navigation system satellite deployment and application 的完整研发能力和充足信心, 各相关方均可依据这两份标准文档开展产品研发工作。

北斗与GALILEO在使用频率方面存在竞争关系（两者之间有交集）。基于‘先使用者优先’这一国际法原则，在2009年之后中国开始部署三颗‘北斗二代’卫星系统，并获得了对该频段的所有权。遗憾的是，在这一计划中欧盟仅成功发射了两枚导航卫星。最终未能获得对该频段的所有权。

上文详细阐述了北斗系统的九项优势；同时并未忽视这一问题。值得注意的是国外监控站的数量相对较少，在上述内容中并未提及对于GEO卫星这类具有优势与劣势并存的情况而言

（1）卫星性能尚可，在正常情况下使用寿命较短。GPS 卫星通常运行8年左右，在线时间达到5年左右，在已发射的16颗卫星中已有2颗老化失灵。这些替代方案的工作由国家负责实施，并不会影响用户体验。目前这一问题已基本得到解决，在研的新一代卫星设计使用寿命进一步延长。

（2）芯片价格相对较高。这主要归因于芯片的研发特性决定了其价格水平，在研发阶段投入金额巨大后进入量产阶段时单位生产成本反而有所下降。目前上规模应用的用户数量有限因此导致价格偏高而随着量产规模扩大后其性价比将得到显著提升