您所在的位置是：首页 >> 行业资讯

为什么北斗卫星导航系统需要 35 颗卫星，而 GPS 只要 24 颗？

2017-12-16查看数：175

1==.jpg

GLONASS（俄罗斯的全球定位系统）、GPS（美国）、 COMPASS（即北斗，中国）的一部分和Galileo（欧洲）的卫星都运行在地球中轨道(MEO)，高度分别为19,100km、20,200km、21,500km 、23222km。别家需要全球覆盖的的卫星数目分别为24、24和27。

先简单讲讲GPS。GPS需要24颗卫星只是最基本的数目。这个数目可以保证全球每个地方任何时刻至少能看见4颗卫星，通过4个方程可以解出空间三维坐标和时间四个变量。这24颗卫星分布在6个轨道面，每个轨道面有4颗卫星。 GPS系统的接收机都是采用无源定位方式（就是接收机不需要发送信号）。

好，下面开始讲为什么北斗要35颗：

1.北斗的工作原理和和GPS一样，而轨道高度比GPS略高比Galileo略低，理论上24颗也能提供GPS一样的无源定位服务了——实际上北斗和伽利略一样用了27颗地球中轨道卫星，一个原因是因为他们的轨道高一些，需要略多数目保证卫星离接收机不太远，另一个主要原因是这些卫星的轨道同GPS不同，只有3个轨道面，每个轨道面9颗，轨道面之间为相隔120°均匀分布。这种分布方式是北斗需要比GPS多3个卫星的原因。慢着——没完呢，北斗不是35颗吗，还有8颗哪里去了？

2. 这要涉及到卫星系统这样的庞大系统工程的周期问题，上述27颗卫星的发射是漫长的过程，即使是初步覆盖中国全境也需要20颗左右才能做到，从发射第一颗到最后一颗中间有可能会有10~20年的时间，而且先发射的使用寿命只有8年——27颗没有准备齐呢，老的卫星开始往下掉了，显然这种做法浪费太大了，在前十几年系统根本不能正常使用！如何让系统尽快工作呢？于是北斗发明了一个巧妙的想法——首先发射3颗倾斜同步轨道卫星，这些倾斜同步轨道卫星高度和地球同步卫星类似，绕地球一周也是24小时，但是轨道并不正好在赤道上，而是和地球赤道面有个夹角。这种卫星在地球固定一个位置看到的轨迹是这样的类似于日行线的形状，同经线平行的一个8字形（需要一点儿想象力才能理解）。这3颗卫星虽然不是完全同地面静止，但是大部分时候中国境内仍然能看到，所以对系统立即可用帮助很大——可是还差5颗呢？。

3. 这就要回到北斗系统本身来讲，北斗除了像GPS一样用无源接收机工作之外，还有两个独到的功能，就是用有源接收机（接收机主动发信号给卫星）和收发短报文（卫星短信）功能。最后还有5颗地球同步轨道卫星就是主要针对这两个功能都要求发上去的。当然，这5颗星也支持无源定位方式。下图就是地球同步轨道卫星的照片，可以看到卫星真的不动，周围的星星会在天空划出轨迹。

4.下图就是北斗目前的状态，以及未来最终的样子。再强调一遍：为了能尽早发挥作用，北斗系统实际上是（不太严格地）按照上述3（地球同步轨道）、2（地球倾斜轨道）、1（中轨道）的顺序发射部署的，甚至倾斜同步轨道卫星发了4颗。未来理论上来讲，只要27颗中地球轨道卫星就能完成全球定位功能的覆盖了，但是3和2两部分卫星主要覆盖中国及周边国家，对于提高国内的定位精度和提供特殊服务（比如卫星短信）有重要作用。

补充：事实上目前GPS正在运行的也不是24颗，而是有32颗卫星；而GLONASS实际上有29颗。多出来的星除了做备份，还可以增加系统精度，比如GPS可以保证绝大部分地方通常能看到至少9颗卫星，能明显提高定位精度。Galileo目前因为欧洲各国扯皮，进展缓慢，只放上去4颗（功能不全）的卫星，未来什么时候发挥作用还是猴年马月的事情。相比之下中国放上去四五颗卫星立即就能提供定位服务和特殊服务，加速技术向市场转化速度，这个思路还是非常值得称赞的。所以，中国人还是有创造力的！（贩卖私货：我在这里的回答：为什么中国人缺少创造力？）

不过话说回来，在北斗系统现在每套近万元的情况下，利用垄断的力量强制货运车辆安装这种流氓做法我个人表示鄙视。

要学到的东西：技术需要尽早拿到市场上检验，不要像欧洲人那样追求完美，最好初期就能开始盈利，若有可能可以借助行政力量，但是未来还是要靠市场运作。

再上点儿花絮：谷歌地图上可以看到所有的卫星

这些卫星的名字：

北斗和伽利略一样用了27颗地球中轨道卫星，一个原因是因为他们的轨道高一些，需要略多数目保证卫星离接收机不太远，另一个主要原因是这些卫星的轨道同GPS不同，只有3个轨道面，每个轨道面9颗，轨道面之间为相隔120°均匀分布。这种分布方式是北斗需要比GPS多3个卫星的原因。

首先，轨道越高，所需卫星总数越少，因为每个卫星覆盖的面积更大。原答案中“需要略多数目保证卫星离接收机不太远”是完全错误的。北斗和 Galileo 会适当增大卫星发射功率以保证地面接收到信号的信噪比，而不是增加卫星数。

其次，GPS 六个轨面，并不一定比北斗和 Galileo 的三轨面设计更优。事实上，四大 GNSS 系统，只有 GPS 用了六轨面，其他三个系统都采用了三轨面。下面这篇论文详细说了为什么 Galileo 选择了三轨面。

最后，我来简单回答一下为何北斗卫星导航系统需要 35 颗卫星才能覆盖全球，而 GPS 只要 24 颗就够了。关键在于如何定义“够”。

在设计 GPS 的时候，“够”的定义是保证地球上任何地点任何时间都可以定位——能看到至少 4 颗卫星。按照这个要求，在六轨面和轨道高度 20,200km 的前提下，只要 21 颗卫星就够了。所以，GPS 选择了 21 工作卫星 + 3 备份卫星的基础星座。同时代的 GLONASS 的设计是三轨面 21工作卫星 + 3 备份卫星，同样可以保证全球任何时间都能看到至少 4 颗卫星。

在实际运行中（1990 年到现在），GPS 卫星数总是多于 24 颗，很多时候有 32 颗在天上，超过 30 颗可用。这样，地球上很多地方都能看到 8 颗以上卫星（开阔地、无遮挡）。人们发现多出来的卫星可以提高 Geometric Dilution of Precision (GDOP) 进而提高准确度（accuracy），并且可以通过 RAIM (Receiver autonomous integrity monitoring) 提高完好度（integrity）。RAIM 需要至少 6 颗卫星才能有较好的性能。

所以，在设计北斗和 Galileo 时，“够”就不仅仅是任何地点任何时间都可以定位，而是要提供尽可能高的 RAIM 可用性（availability），所以 Galileo 和北斗 MEO 都使用了 27 工作卫星 + 3 备份卫星的星座设计。北斗额外加了 5 颗 GSO 卫星提高亚太地区的性能。

总结：GPS 24 颗卫星只能保证基本的定位，北斗 30 颗（或 35 颗）保证了更准确、更可靠的定位。