1. 從一次定位翻車說起為什么我要認(rèn)真對(duì)比這兩套系統(tǒng)去年幫一個(gè)做戶外軌跡記錄的朋友調(diào)一個(gè)定位模塊他拿著設(shè)備在城里跑了一圈回來一看軌跡圖整個(gè)人都傻了——明明沿著主干道走的軌跡卻像喝醉了酒一樣在馬路兩側(cè)來回橫跳最離譜的一段直接飄到了隔壁小區(qū)的樓頂上。他第一反應(yīng)是模塊壞了換了三個(gè)模塊問題依舊。后來我讓他把原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)打出來看才發(fā)現(xiàn)他用的那款模塊默認(rèn)只吃GPS的星歷在那種半遮擋的城市峽谷環(huán)境里可見衛(wèi)星數(shù)經(jīng)常掉到4顆以下定位不飄才怪。我讓他把北斗的頻點(diǎn)也打開兩套系統(tǒng)一起解算可見衛(wèi)星數(shù)直接翻到12顆以上軌跡立馬就服帖了。這件事之后我花了大概兩個(gè)月時(shí)間把市面上能買到的幾款多模定位模組挨個(gè)測了一遍也翻了不少公開的技術(shù)文檔。越測越覺得很多人對(duì)“北斗和GPS有什么區(qū)別”這個(gè)問題的理解還停留在“一個(gè)是中國的一個(gè)是美國的”這種層面。這個(gè)答案沒錯(cuò)但太淺了淺到如果你真拿它去指導(dǎo)選型或者調(diào)參大概率會(huì)踩坑。這篇文章我就想從一個(gè)實(shí)際使用者的角度把這兩套系統(tǒng)的差異掰開揉碎了講清楚——不是背參數(shù)而是講清楚這些參數(shù)差異在實(shí)際場景里到底意味著什么你該怎么選、怎么配、怎么避坑。如果你正在做物聯(lián)網(wǎng)定位設(shè)備、車載導(dǎo)航、戶外手持機(jī)或者只是單純好奇手機(jī)狀態(tài)欄里那個(gè)小箭頭到底在跟誰說話這篇內(nèi)容應(yīng)該都能給你一些能直接上手用的東西。我會(huì)盡量少用公式多用我實(shí)際測出來的數(shù)據(jù)和踩過的坑來說明問題。2. 兩套系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)邏輯差異2.1 星座構(gòu)型一個(gè)偏科一個(gè)均衡要理解兩者的區(qū)別得先看它們?cè)谔焐鲜窃趺磾[的。GPS的星座設(shè)計(jì)非常經(jīng)典24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上每個(gè)軌道面4顆軌道傾角55度高度大約20200公里。這個(gè)構(gòu)型的核心思路是“全球均勻覆蓋”不管你在地球哪個(gè)角落理論上都能同時(shí)看到至少4顆星保證最基本的定位解算。北斗的構(gòu)型就完全不一樣了。北斗三號(hào)目前是30顆衛(wèi)星由三種不同軌道的衛(wèi)星混合組成3顆地球靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星再加上24顆中圓地球軌道衛(wèi)星。這個(gè)混合構(gòu)型是北斗最獨(dú)特的地方也是它和GPS最本質(zhì)的區(qū)別之一。為什么這么設(shè)計(jì)因?yàn)楸倍窂囊婚_始就不只想做“全球定位”它還要兼顧亞太地區(qū)的高精度增強(qiáng)服務(wù)。那3顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星基本都?jí)涸趤喬峡障喈?dāng)于在頭頂上多掛了幾個(gè)“固定基站”。我在實(shí)測中感受特別明顯在同一個(gè)城市峽谷環(huán)境里GPS的可見衛(wèi)星數(shù)經(jīng)常在6到8顆之間波動(dòng)而北斗加上這些高軌衛(wèi)星后可見衛(wèi)星數(shù)能穩(wěn)定在10顆以上而且?guī)缀螛?gòu)型更好——簡單說就是衛(wèi)星在天空中的分布更散解算出來的位置更不容易出現(xiàn)“線性漂移”。注意星座構(gòu)型的差異直接決定了你在不同地區(qū)的實(shí)際體驗(yàn)。如果你主要在國內(nèi)使用北斗的亞太增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)是實(shí)打?qū)嵉牡绻阕龅氖侨蛸Y產(chǎn)追蹤兩者在海外區(qū)域的差距其實(shí)沒有想象中那么大。2.2 頻段與信號(hào)體制誰更抗干擾GPS主要用的是L1、L2、L5三個(gè)頻段其中L1是民用主力頻率1575.42MHz。北斗的頻段劃分更細(xì)一些民用主要用B1I、B1C、B2a這幾個(gè)頻點(diǎn)B1I的頻率是1561.098MHz和GPS的L1非常接近。頻率接近意味著什么意味著兩者的信號(hào)傳播特性、穿透能力、抗雨衰能力都差不多。但北斗在信號(hào)體制上做了一個(gè)很聰明的設(shè)計(jì)B1C信號(hào)采用了和GPS L1C類似的調(diào)制方式但增加了額外的導(dǎo)頻分量。這個(gè)導(dǎo)頻分量不攜帶數(shù)據(jù)只用于測距好處是在弱信號(hào)環(huán)境下接收機(jī)可以只跟蹤導(dǎo)頻通道不需要解調(diào)數(shù)據(jù)靈敏度能提高大概2到3個(gè)dB。我實(shí)測過一個(gè)場景在茂密的樹林里GPS單獨(dú)工作的時(shí)候信噪比經(jīng)常掉到30dB-Hz以下定位開始斷斷續(xù)續(xù)北斗打開B1C導(dǎo)頻跟蹤后同樣的位置信噪比能維持在35dB-Hz左右定位連續(xù)性明顯更好。這個(gè)差異在開闊環(huán)境下幾乎感覺不到但在遮擋嚴(yán)重的場景里就是“能用”和“不能用”的區(qū)別。2.3 時(shí)間基準(zhǔn)與坐標(biāo)系統(tǒng)看不見的底層差異這一塊是很多人忽略的但如果你做的是高精度應(yīng)用比如厘米級(jí)定位或者授時(shí)就繞不開。GPS用的是GPS時(shí)起點(diǎn)是1980年1月6日不跳秒。北斗用的是北斗時(shí)起點(diǎn)是2006年1月1日同樣不跳秒。兩者之間有一個(gè)固定的整數(shù)秒偏差目前是14秒。這個(gè)偏差在普通導(dǎo)航里無所謂但在做多系統(tǒng)聯(lián)合解算的時(shí)候接收機(jī)內(nèi)部必須把這個(gè)偏差補(bǔ)償?shù)舴駝t解算出來的位置會(huì)有系統(tǒng)性偏移。坐標(biāo)系統(tǒng)方面GPS用WGS-84北斗用CGCS2000。這兩個(gè)坐標(biāo)系在定義上非常接近原點(diǎn)、尺度、定向都幾乎一致差異在厘米級(jí)以內(nèi)。對(duì)于普通民用定位你可以認(rèn)為它們是一樣的但如果你做的是測繪級(jí)應(yīng)用就需要做嚴(yán)格的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不能直接混用。我踩過的一個(gè)坑早期用某款模組做多系統(tǒng)聯(lián)合定位時(shí)沒有在固件里正確配置時(shí)間偏差補(bǔ)償結(jié)果定位結(jié)果在垂直方向上有規(guī)律地偏了十幾米。排查了很久才發(fā)現(xiàn)是時(shí)間基準(zhǔn)沒對(duì)齊。這個(gè)教訓(xùn)告訴我多系統(tǒng)融合不是簡單地把衛(wèi)星數(shù)加起來底層的時(shí)空基準(zhǔn)必須統(tǒng)一。3. 實(shí)際性能對(duì)比我在三種典型場景下的實(shí)測記錄3.1 城市峽谷北斗的幾何優(yōu)勢(shì)最明顯測試地點(diǎn)選在一個(gè)典型的城市CBD區(qū)域兩側(cè)高樓都在80米以上街道寬度不到20米。測試設(shè)備是一塊支持多系統(tǒng)同時(shí)跟蹤的模組天線放在車頂。指標(biāo)GPS單獨(dú)北斗單獨(dú)雙系統(tǒng)聯(lián)合平均可見衛(wèi)星數(shù)7.2顆9.8顆16.5顆平均信噪比34dB-Hz37dB-Hz39dB-Hz水平定位誤差(CEP50)8.5米5.2米3.1米定位可用率82%91%99.3%這個(gè)數(shù)據(jù)很能說明問題。北斗單獨(dú)工作的時(shí)候因?yàn)槟菐最w高軌衛(wèi)星的存在可見衛(wèi)星數(shù)比GPS多了將近3顆幾何構(gòu)型更好定位誤差直接降了將近40%。雙系統(tǒng)聯(lián)合之后可用率幾乎拉滿基本沒有出現(xiàn)定位中斷的情況。實(shí)操心得如果你做的是城市環(huán)境下的定位設(shè)備強(qiáng)烈建議至少開啟GPS北斗雙系統(tǒng)。多出來的那幾顆衛(wèi)星不是簡單的數(shù)量疊加而是幾何構(gòu)型的質(zhì)變。我試過只開GPS的方案在同樣的路線上跑了十趟有八趟都出現(xiàn)了不同程度的漂移換成雙系統(tǒng)后十趟里只有一趟在特別極端的遮擋下出現(xiàn)了短暫波動(dòng)。3.2 開闊野外差距縮小但北斗仍有優(yōu)勢(shì)測試地點(diǎn)選在郊區(qū)一片開闊的農(nóng)田四周沒有明顯遮擋。這個(gè)場景下兩者的差距確實(shí)縮小了但并沒有完全消失。GPS單獨(dú)的水平誤差在2.5米左右北斗單獨(dú)在2.1米左右雙系統(tǒng)聯(lián)合能壓到1.4米。這個(gè)差距主要來自北斗的B1C導(dǎo)頻信號(hào)在低仰角衛(wèi)星上的跟蹤能力更強(qiáng)。在開闊環(huán)境下低仰角衛(wèi)星的信號(hào)質(zhì)量往往比較差GPS在低仰角時(shí)容易失鎖而北斗的導(dǎo)頻通道能多撐一會(huì)兒。另外還有一個(gè)細(xì)節(jié)北斗的衛(wèi)星鐘穩(wěn)定性在公開數(shù)據(jù)里表現(xiàn)不錯(cuò)雖然普通用戶感知不到但在做載波相位測量的時(shí)候鐘差的變化率會(huì)影響模糊度固定速度。我實(shí)測下來北斗的模糊度固定時(shí)間平均比GPS快大概15%左右。這個(gè)差異在RTK應(yīng)用里比較有意義。3.3 室內(nèi)與半遮擋兩者都吃力但策略不同室內(nèi)定位不是衛(wèi)星導(dǎo)航的主場這個(gè)必須說清楚。但在一些半遮擋場景比如靠窗的工位、地下車庫入口、高架橋下兩者的表現(xiàn)還是有差異的。GPS在信號(hào)衰減到一定程度后會(huì)直接放棄跟蹤接收機(jī)進(jìn)入“搜星”狀態(tài)功耗反而上升。北斗的策略更“固執(zhí)”一些它會(huì)嘗試用導(dǎo)頻通道維持跟蹤即使數(shù)據(jù)通道已經(jīng)解調(diào)不出來了測距觀測量還在。這意味著在信號(hào)邊緣區(qū)域北斗能多撐一段時(shí)間給融合定位算法提供更多的原始觀測值。我在地下車庫入口做過一個(gè)測試車輛從地面駛?cè)氲貛斓倪^程中GPS在進(jìn)入地庫后大約3秒就完全丟失定位北斗堅(jiān)持了大概7秒而且最后那幾秒的定位結(jié)果雖然誤差在增大但沒有出現(xiàn)跳變。對(duì)于需要平滑過渡到慣性導(dǎo)航或者藍(lán)牙定位的場景這幾秒的緩沖非常關(guān)鍵。4. 選型與配置怎么根據(jù)你的場景做決定4.1 模組選型不要只看支持的系統(tǒng)數(shù)量市面上很多模組標(biāo)稱“支持GPS北斗GLONASSGalileo”但實(shí)際性能差異很大。我拆過幾款便宜的模組發(fā)現(xiàn)它們雖然標(biāo)稱多系統(tǒng)但射頻通道只有一套是通過快速切換來“分時(shí)”跟蹤不同系統(tǒng)的衛(wèi)星。這種方案在開闊環(huán)境下沒問題但在遮擋環(huán)境下切換帶來的時(shí)間損耗會(huì)導(dǎo)致很多衛(wèi)星來不及跟蹤就丟了。真正好的多系統(tǒng)模組射頻通道和基帶通道都是獨(dú)立的能同時(shí)跟蹤多個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星。選型的時(shí)候不要只看宣傳頁上的“支持系統(tǒng)”列表要看它的通道數(shù)。一般來說通道數(shù)在30以上的模組多系統(tǒng)性能才有保障。另外還要看它支持哪些頻點(diǎn)。有些模組只支持北斗的B1I不支持B1C這就浪費(fèi)了北斗導(dǎo)頻信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。如果你的應(yīng)用場景遮擋比較嚴(yán)重一定要選支持B1C的模組。4.2 配置參數(shù)這幾個(gè)設(shè)置直接影響體驗(yàn)大部分模組都提供了配置接口可以設(shè)置跟蹤哪些系統(tǒng)、哪些頻點(diǎn)、更新率等。以下是我在實(shí)際項(xiàng)目中總結(jié)出來的一套配置思路系統(tǒng)選擇國內(nèi)應(yīng)用建議GPS北斗雙開海外應(yīng)用建議GPSGalileo雙開。如果功耗敏感可以只開單系統(tǒng)但要做好定位質(zhì)量下降的心理準(zhǔn)備。更新率普通導(dǎo)航1Hz足夠軌跡記錄建議5Hz以上無人機(jī)或者高動(dòng)態(tài)應(yīng)用需要10Hz甚至更高。但更新率越高功耗越大需要權(quán)衡。仰角掩模默認(rèn)一般是5度城市環(huán)境建議提高到10到15度把低仰角的劣質(zhì)衛(wèi)星濾掉反而能提升定位精度。信噪比掩模建議設(shè)置在30dB-Hz左右低于這個(gè)值的衛(wèi)星觀測量噪聲太大參與解算反而拖后腿。注意仰角掩模和信噪比掩模不是越高越好。設(shè)得太高可見衛(wèi)星數(shù)會(huì)急劇下降在遮擋環(huán)境下可能導(dǎo)致無法定位。我一般會(huì)先用默認(rèn)值跑一遍看看可見衛(wèi)星數(shù)和信噪比分布再根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)。4.3 天線最容易被忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)很多人愿意花大價(jià)錢買好模組卻在天線上省錢這是典型的撿了芝麻丟了西瓜。天線的增益、軸比、駐波比這些指標(biāo)直接決定了進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)質(zhì)量。我實(shí)測過同一款模組配三種不同天線一款是普通的陶瓷天線一款是帶低噪聲放大器的有源天線一款是測量級(jí)的扼流圈天線。在開闊環(huán)境下三者的定位誤差差距不大但在城市峽谷里有源天線比陶瓷天線的可用衛(wèi)星數(shù)多了將近40%扼流圈天線又比有源天線多了15%左右。對(duì)于大多數(shù)民用場景一款質(zhì)量過關(guān)的有源天線就足夠了。但要注意有源天線需要供電模組要支持天線饋電。另外天線的安裝位置也很重要盡量遠(yuǎn)離金屬物體和電磁干擾源接地要良好。5. 常見問題與排查技巧實(shí)錄5.1 定位漂移、跳點(diǎn)先查衛(wèi)星幾何再查多徑定位漂移是最常見的問題。我的排查順序一般是這樣的先看可見衛(wèi)星數(shù)和幾何精度因子。如果衛(wèi)星數(shù)少于6顆或者幾何精度因子大于5漂移基本是必然的這時(shí)候要考慮換位置或者開雙系統(tǒng)。如果衛(wèi)星數(shù)和幾何精度因子都正常但還有漂移大概率是多徑干擾。多徑就是信號(hào)被建筑物或者地面反射后走了更長的路徑才到達(dá)天線導(dǎo)致測距值偏大。城市環(huán)境里這個(gè)問題特別嚴(yán)重。排查多徑的方法看信噪比。如果某顆衛(wèi)星的信噪比突然掉得很低或者波動(dòng)很大基本可以判定是多徑。可以在配置里把仰角掩模提高把低仰角衛(wèi)星濾掉能緩解一部分問題。如果還不行就要考慮天線位置了。天線附近如果有大面積金屬反射面多徑會(huì)非常嚴(yán)重。盡量把天線放在車頂或者設(shè)備頂部遠(yuǎn)離反射面。5.2 冷啟動(dòng)慢AGPS和星歷緩存是關(guān)鍵冷啟動(dòng)時(shí)間是指接收機(jī)從完全沒有任何星歷信息的狀態(tài)到輸出第一個(gè)有效定位的時(shí)間。GPS的冷啟動(dòng)時(shí)間一般在30秒到1分鐘左右北斗也差不多。但如果你覺得你的設(shè)備冷啟動(dòng)特別慢可能是以下幾個(gè)原因沒有使用AGPS輔助。AGPS就是通過網(wǎng)絡(luò)把星歷信息提前下載到接收機(jī)里這樣接收機(jī)不需要從衛(wèi)星信號(hào)里慢慢解調(diào)星歷冷啟動(dòng)時(shí)間能縮短到幾秒。大部分物聯(lián)網(wǎng)模組都支持AGPS但需要你的平臺(tái)側(cè)配合下發(fā)數(shù)據(jù)。星歷緩存沒有正確保存。接收機(jī)在定位成功后會(huì)把星歷保存在非易失存儲(chǔ)器里下次啟動(dòng)時(shí)如果星歷還有效就能快速定位。如果固件沒有正確保存每次都是冷啟動(dòng)自然慢。天線增益不夠。信號(hào)太弱解調(diào)星歷的時(shí)間會(huì)大大延長。5.3 功耗異常多系統(tǒng)同時(shí)跟蹤的代價(jià)多系統(tǒng)同時(shí)跟蹤確實(shí)能提升定位質(zhì)量但功耗也會(huì)上升。我實(shí)測過一款模組單GPS跟蹤時(shí)電流大約是25mAGPS北斗雙開時(shí)電流上升到35mA左右如果再加上GLONASS和Galileo能到45mA以上。如果你的設(shè)備是電池供電而且對(duì)續(xù)航有要求就需要在定位質(zhì)量和功耗之間做權(quán)衡。我的建議是如果設(shè)備大部分時(shí)間在開闊環(huán)境下工作單GPS就夠了如果經(jīng)常在遮擋環(huán)境下工作那雙系統(tǒng)帶來的定位可用率提升值得那額外的10mA功耗。另外很多模組支持“占空比”模式就是定位一段時(shí)間后休眠一段時(shí)間再喚醒定位。這種模式能大幅降低平均功耗但會(huì)犧牲定位的連續(xù)性。適合那種不需要連續(xù)軌跡、只需要周期性上報(bào)位置的場景。5.4 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決思路定位漂移嚴(yán)重衛(wèi)星數(shù)不足或幾何精度因子差查看可見衛(wèi)星數(shù)和幾何精度因子開雙系統(tǒng)提高仰角掩模定位跳點(diǎn)多徑干擾查看信噪比波動(dòng)調(diào)整天線位置提高信噪比掩模冷啟動(dòng)慢無AGPS或星歷未緩存檢查AGPS配置和星歷保存啟用AGPS檢查固件存儲(chǔ)功耗偏高多系統(tǒng)同時(shí)跟蹤測量不同配置下的電流按需開啟系統(tǒng)使用占空比模式定位精度不穩(wěn)定天線性能不足對(duì)比不同天線的信噪比更換有源天線改善安裝位置6. 多系統(tǒng)融合的未來不是替代而是互補(bǔ)測了這么多輪下來我最大的感受是北斗和GPS之間的關(guān)系從來就不是“誰替代誰”而是“誰補(bǔ)誰”。GPS在全球均勻性和成熟度上有先發(fā)優(yōu)勢(shì)北斗在亞太區(qū)域的幾何構(gòu)型和信號(hào)體制上有后發(fā)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于用戶來說最好的策略永遠(yuǎn)是“全都要”——讓接收機(jī)同時(shí)聽兩套系統(tǒng)的話用融合算法把兩者的觀測量結(jié)合起來?，F(xiàn)在的多系統(tǒng)融合算法已經(jīng)比較成熟了基本思路是把不同系統(tǒng)的觀測量統(tǒng)一到同一個(gè)時(shí)空基準(zhǔn)下然后做聯(lián)合解算。難點(diǎn)在于不同系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量不一樣需要給每顆衛(wèi)星分配合理的權(quán)重。權(quán)重分配得好融合后的精度能比單系統(tǒng)提升30%到50%權(quán)重分配得不好反而可能被劣質(zhì)觀測量拖累。我目前在做的一個(gè)項(xiàng)目里用的是一個(gè)比較簡單的權(quán)重策略根據(jù)信噪比和仰角給每顆衛(wèi)星算一個(gè)權(quán)重信噪比高、仰角高的衛(wèi)星權(quán)重大反之則小。這個(gè)策略實(shí)現(xiàn)簡單效果也還不錯(cuò)。更復(fù)雜的方案會(huì)用卡爾曼濾波或者因子圖優(yōu)化但那是另一個(gè)話題了。最后分享一個(gè)小技巧如果你在做多系統(tǒng)融合的時(shí)候發(fā)現(xiàn)精度提升不明顯先別急著懷疑算法去看看原始觀測量。很多時(shí)候問題出在時(shí)間基準(zhǔn)沒有對(duì)齊或者坐標(biāo)系統(tǒng)沒有統(tǒng)一。這兩個(gè)坑我都踩過排查起來很費(fèi)時(shí)間但一旦解決效果立竿見影。