「車道級」導航服務：精準定位還需要北斗地基增強系統
為用戶提供高精度的「車道級」導航服務，離不開衛星定位的地基增強系統，但北斗地圖與北斗衛星導航系統並無直接關係。那麼，北斗系統的應用現狀又是如何？與GPS相較如何？
你很可能早已用上北斗系統
事實上，北斗系統與手機中的地圖導航APP無關，只要手機處理器中集成的定位晶元支持北斗信號，就可以使用北斗定位。也就是說，北斗定位信號早已經在很多手機上可用，而能否可用取決於手機硬體本身，與你安裝的APP是「百度地圖」還是「高德導航」沒有任何關係。並且，在你打開手機的「GPS定位」功能時，定位信號並不一定來自GPS，它很可能來自GPS、北斗、洛格納斯（GLONASS）中的任意一種系統或幾種的綜合。
圖註：在你打開手機的「GPS定位」時，定位信號並不一定來自GPS衛星。
目前，由於北斗定位有和衛星反向通信的功能，會導致使用端的位置信息傳送至衛星。蘋果公司認為這不利於嚴格保護用戶的隱私，故iphone對此沒有予以支持。但是，其他品牌手機的大部分型號都支持北斗定位。據統計，利用北斗定位的手機早已超過了1億部。
北斗地圖VS北斗系統？這是兩碼事
北斗系統現在離大家一點都不遙遠，就在大家的生活當中。但是，北斗地圖與北斗系統完全不是一個層面上的東西，甚至可以說，二者並無直接關係。北斗系統不能直接做出地圖——在定位的基礎上，還需要其他手段來獲取圖像信息才能生成一張地圖。
而事實上，北斗地圖作為一款地圖導航軟體屬於民用領域產品，其最大的優勢在於，可以實現「車道級」精度的定位與導航指示。所謂車道級定位，是指其定位服務可以精準到1米以內，因而可以準確識別車輛在道路中的哪一個車道，進而讓駕駛員提前預知車道前方是否擁堵或發生事故，提前讓駕駛員變換車道，儘快通過擁堵路段。而且，在交叉路口，該系統也能提前精準的通知駕駛員變換至最合適的車道。
圖註：車道級精準定位可以讓用戶提前選擇合適的車道，更好的完成行程。
北斗系統的建設情況與定位原理
中國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，縮寫BDS）是中國自行研製的全球衛星導航系統。是繼美國的GPS、俄羅斯的「格洛納斯」之後第三個成熟的衛星導航系統。在1996年，美國曾關閉亞太地區的GPS導航系統，導致中國發射的導彈從系統中消失，這讓中國感到必須研發自己的定位導航系統。目前，北斗衛星導航系統是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商之一。
通過測量終端和衛星之間的距離，就可以知道終端一定是在以衛星為圓心，以測量距離為半徑的球面上。有三個這樣的球之後，終端位置最終會交匯於一個點，這個點就是最終確定的終端位置——這就是衛星導航定位系統當中的三球定位原理。
圖註：導航衛星的「三球定位」原理圖
而衛星與地面終端的距離又是如何測定的呢？其實測量終端與衛星之間，電磁波信號跑一次需要的時間即可。但由於電磁波信號是光速，所以，計時器稍有偏差就會大大影響測量的精度。因此，導航衛星的一項重要核心技術就是其內部高精度原子鐘的研發。現在，北斗三代衛星採用的是氫原子鐘，頻率準確度可達6×10-14，屬於國際領先水平。不過，雖然這讓衛星端有了準確時間，但地面終端的計時器精度通常還是不夠，畢竟原子鐘的造價昂貴，更不可能內置在手機中。所以，為了準確計算信號傳輸的時間，必須計算地面終端與衛星時鐘之間的誤差，這就引入了除空間坐標(x,y,z)之外的第四個未知量，因而，整個系統至少要4顆衛星參與才能獲得足夠的信息來進行準確定位。
實際上，為了確保衛星信號有較好的覆蓋範圍與可靠性，導航系統中的衛星遠多於4個。對目前在建北斗系統而言，在中國的國土範圍內手機可以檢測到的衛星信號通常就可達10個左右。
目前，北斗的信號可以覆蓋東經70°~140°，北緯5°~55°，這已經包括中國與整個東南亞的全境。按照計劃，在2020年北斗系統在空間部署的35顆衛星就會部署完成，屆時，地面上任意一點都可以觀測到4顆以上的衛星，北斗的導航信號就可以覆蓋全球。
北斗系統vs. GPS
包括手機在內的很多地面終端，在定位時都會綜合考慮幾種定位系統給出的結果。尤其是用戶在地球各地旅行時，不同位置可以獲得的衛星信號一直在變化，因此每種定位系統在不同的地域與不同環境中所能給出的定位精度都會有變化。所以，除非是軍用或其他保密性極強的情況，否則對一般用戶而言，單純的說某種定位系統可以「甩開」其他定位而系統獨立存在是沒有太大意義的。
但是，目前還有很多人對北斗的認知停留在2008年汶川地震時北斗一代設備發出的信息。所以，這裡有必要強調一下：在目前在北斗二代覆蓋的服務區域內，北斗的全天可視衛星數已經超過了GPS，在星座分布上大部分區域也優於GPS，完全可以實現獨立定位。即便考慮到當前原子鐘精度差異和中高緯度星座分布等問題，依然可以認為目前北斗與GPS在國內的定位精度是不相上下的，也有實際測量結果對此進行了證實。
另外，現在北斗三代組網建設正在進行中，北斗衛星數也在隨著建設而穩定的增加，而最關鍵的原子鐘問題也在科研人員的努力下達到了國際領先水平，所以有理由認為，在北斗系統完成時，其定位能力肯定不會遜於GPS。
精準定位還需要北斗地基增強系統
北斗導航系統是一個系統，不光只有衛星。整個系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。北斗衛星，只是北斗系統中空間段的內容。而地面段，則指北斗地基增強系統。所謂地基增強，是指通過在地面上的基站，提供差分修正信號，從而提高衛星導航的精度。正是有了這類地面配套設施，才能進一步將定位精度提高。
「天有北斗，地有千尋」，正是千尋位置的北斗地基增強，加上北斗天上衛星，才組成了一個精準高效的北斗導航系統。目前，千尋位置已經可以提供高達動態厘米級和靜態毫米級的定位能力。但是請注意，這並不意味著你未來的手機就一定能達到厘米精度的定位。在靜態條件下，目前定位精度在厘米級別已經沒有問題；但是對於高速移動的物體，比如你正身處於高鐵或飛機之中，精度就一定會下降。而當信號被遮擋時（比如你正在地下），甚至可能無法定位，這對任何衛星地位系統都一樣。另外，由於很多高精度的位置點是需要保密的，同時法律也不允許把地圖做到厘米級。
總之，北斗導航系統早已到了我們身邊。現在，而「北斗地圖」表現如何，讓我們拭目以待。
作者| 孟慶宇 中國科學院物理所博士
審稿| 徐穎 北斗導航系統科學家
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