[科普中国]-“车道级”导航服务：精准定位还需要北斗地基增强系统

为用户提供高精度的“车道级”导航服务，离不开卫星定位的地基增强系统，但北斗地图与北斗卫星导航系统并无直接关系。那么，北斗系统的应用现状又是如何？与GPS相较如何？你很可能早已用上北斗系统 事实上，北斗系统与手机中的地图导航APP无关，只要手机处理器中集成的定位芯片支持北斗信号，就可以使用北斗定位。也就是说，北斗定位信号早已经在很多手机上可用，而能否可用取决于手机硬件本身，与你安装的APP是“百度地图”还是“高德导航”没有任何关系。并且，在你打开手机的“GPS定位”功能时，定位信号并不一定来自GPS，它很可能来自GPS、北斗、洛格纳斯（GLONASS）中的任意一种系统或几种的综合。 图注：在你打开手机的“GPS定位”时，定位信号并不一定来自GPS卫星。目前，由于北斗定位有和卫星反向通信的功能，会导致使用端的位置信息传送至卫星。苹果公司认为这不利于严格保护用户的隐私，故iphone对此没有予以支持。但是，其他品牌手机的大部分型号都支持北斗定位。据统计，利用北斗定位的手机早已超过了1亿部。北斗地图VS北斗系统？这是两码事 北斗系统现在离大家一点都不遥远，就在大家的生活当中。但是，北斗地图与北斗系统完全不是一个层面上的东西，甚至可以说，二者并无直接关系。北斗系统不能直接做出地图——在定位的基础上，还需要其他手段来获取图像信息才能生成一张地图。而事实上，北斗地图作为一款地图导航软件属于民用领域产品，其最大的优势在于，可以实现“车道级”精度的定位与导航指示。所谓车道级定位，是指其定位服务可以精准到1米以内，因而可以准确识别车辆在道路中的哪一个车道，进而让驾驶员提前预知车道前方是否拥堵或发生事故，提前让驾驶员变换车道，尽快通过拥堵路段。而且，在交叉路口，该系统也能提前精准的通知驾驶员变换至最合适的车道。 图注：车道级精准定位可以让用户提前选择合适的车道，更好的完成行程。北斗系统的建设情况与定位原理中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，缩写BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”之后第三个成熟的卫星导航系统。在1996年，美国曾关闭亚太地区的GPS导航系统，导致中国发射的导弹从系统中消失，这让中国感到必须研发自己的定位导航系统。目前，北斗卫星导航系统是联合国卫星导航委员会已认定的供应商之一。通过测量终端和卫星之间的距离，就可以知道终端一定是在以卫星为圆心，以测量距离为半径的球面上。有三个这样的球之后，终端位置最终会交汇于一个点，这个点就是最终确定的终端位置——这就是卫星导航定位系统当中的三球定位原理。 图注：导航卫星的“三球定位”原理图而卫星与地面终端的距离又是如何测定的呢？其实测量终端与卫星之间，电磁波信号跑一次需要的时间即可。但由于电磁波信号是光速，所以，计时器稍有偏差就会大大影响测量的精度。因此，导航卫星的一项重要核心技术就是其内部高精度原子钟的研发。现在，北斗三代卫星采用的是氢原子钟，频率准确度可达6×10-14，属于国际领先水平。不过，虽然这让卫星端有了准确时间，但地面终端的计时器精度通常还是不够，毕竟原子钟的造价昂贵，更不可能内置在手机中。所以，为了准确计算信号传输的时间，必须计算地面终端与卫星时钟之间的误差，这就引入了除空间坐标(x,y,z)之外的第四个未知量，因而，整个系统至少要4颗卫星参与才能获得足够的信息来进行准确定位。实际上，为了确保卫星信号有较好的覆盖范围与可靠性，导航系统中的卫星远多于4个。对目前在建北斗系统而言，在中国的国土范围内手机可以检测到的卫星信号通常就可达10个左右。目前，北斗的信号可以覆盖东经70°~140°，北纬5°~55°，这已经包括中国与整个东南亚的全境。按照计划，在2020年北斗系统在空间部署的35颗卫星就会部署完成，届时，地面上任意一点都可以观测到4颗以上的卫星，北斗的导航信号就可以覆盖全球。 北斗系统 vs. GPS 包括手机在内的很多地面终端，在定位时都会综合考虑几种定位系统给出的结果。尤其是用户在地球各地旅行时，不同位置可以获得的卫星信号一直在变化，因此每种定位系统在不同的地域与不同环境中所能给出的定位精度都会有变化。所以，除非是军用或其他保密性极强的情况，否则对一般用户而言，单纯的说某种定位系统可以“甩开”其他定位而系统独立存在是没有太大意义的。但是，目前还有很多人对北斗的认知停留在2008年汶川地震时北斗一代设备发出的信息。所以，这里有必要强调一下：在目前在北斗二代覆盖的服务区域内，北斗的全天可视卫星数已经超过了GPS，在星座分布上大部分区域也优于GPS，完全可以实现独立定位。即便考虑到当前原子钟精度差异和中高纬度星座分布等问题，依然可以认为目前北斗与GPS在国内的定位精度是不相上下的，也有实际测量结果对此进行了证实。另外，现在北斗三代组网建设正在进行中，北斗卫星数也在随着建设而稳定的增加，而最关键的原子钟问题也在科研人员的努力下达到了国际领先水平，所以有理由认为，在北斗系统完成时，其定位能力肯定不会逊于GPS。 精准定位还需要北斗地基增强系统 北斗导航系统是一个系统，不光只有卫星。整个系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。北斗卫星，只是北斗系统中空间段的内容。而地面段，则指北斗地基增强系统。所谓地基增强，是指通过在地面上的基站，提供差分修正信号，从而提高卫星导航的精度。正是有了这类地面配套设施，才能进一步将定位精度提高。 “天有北斗，地有千寻”，正是千寻位置的北斗地基增强，加上北斗天上卫星，才组成了一个精准高效的北斗导航系统。目前，千寻位置已经可以提供高达动态厘米级和静态毫米级的定位能力。但是请注意，这并不意味着你未来的手机就一定能达到厘米精度的定位。在静态条件下，目前定位精度在厘米级别已经没有问题；但是对于高速移动的物体，比如你正身处于高铁或飞机之中，精度就一定会下降。而当信号被遮挡时（比如你正在地下），甚至可能无法定位，这对任何卫星地位系统都一样。另外，由于很多高精度的位置点是需要保密的，同时法律也不允许把地图做到厘米级。 总之，北斗导航系统早已到了我们身边。现在，而“北斗地图”表现如何，让我们拭目以待。作者| 孟庆宇 中国科学院物理所博士审稿| 徐颖 北斗导航系统科学家文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”