一直以來(lái)，大部分人對(duì)北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都有一種誤解，認(rèn)為我們使用的民用信號(hào)精度要比軍用信號(hào)的低。實(shí)則不然，不管軍用還是民用，兩者的精度是相差不大的。下圖是GPS官網(wǎng)對(duì)軍用和民用的說(shuō)明，民用接收機(jī)由于其尺寸和費(fèi)用的考慮，大都采用一個(gè)頻率，而軍用接收機(jī)采用兩個(gè)頻率。用兩個(gè)頻率的軍用接收機(jī)可以消除掉地球大氣層引起的誤差。
要明白民用和軍用信號(hào)定位精度相差不大，需要先明白民用信號(hào)和軍用信號(hào)的區(qū)別是什么。我們用戶接收到的導(dǎo)航信號(hào)包括3部分：1、載波頻率，下圖中的1575.42MHz和1227.60MHz就是指頻率，頻率是非常重要的資源，我國(guó)北斗和歐洲伽利略就曾因頻率資源進(jìn)行了一段長(zhǎng)達(dá)8年的協(xié)調(diào)。2、擴(kuò)頻碼，下圖的C/A Code和P Code就是指擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻碼是用來(lái)識(shí)別衛(wèi)星編號(hào)的。3、信息，就是Message，包括衛(wèi)星的位置、時(shí)間等信息。
我們知道，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的時(shí)候需要4顆衛(wèi)星的幫助，通過(guò)4顆衛(wèi)星，我們得到了自己的經(jīng)度、緯度、高度及與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差等4個(gè)數(shù)據(jù)。那么4顆衛(wèi)星分別告訴我們的是它們?cè)诳臻g中的位置、它們與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差等信息，我們?cè)偻ㄟ^(guò)測(cè)量我們到它們的距離，建立4個(gè)方程，解4個(gè)未知數(shù)。所以，不管軍用信號(hào)還是民用信號(hào)，我們從衛(wèi)星中得到的信息都是一樣的，就是這顆衛(wèi)星處于哪里、這顆衛(wèi)星跟標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差多少等信息。
而軍用信號(hào)和民用信號(hào)，它們的載波頻率又是可以是相同的，如下圖是各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)頻率分布，以第一行的GPS為例，其紅色的軍用信號(hào)和綠色的民用信號(hào)是可以處于同一頻率的。
那么，剩下用來(lái)區(qū)分軍用和民用信號(hào)的就只有擴(kuò)頻碼了，擴(kuò)頻碼代表了衛(wèi)星的編號(hào)。比如，GPS長(zhǎng)期工作的衛(wèi)星共24顆，它們對(duì)我們的編號(hào)一般是1～24。那么同一顆衛(wèi)星對(duì)軍用和民用的用戶來(lái)說(shuō)，編號(hào)是不一樣的嘛？舉個(gè)栗子，這跟我們區(qū)分人的方法是一樣的，特朗普，對(duì)于我們公眾來(lái)說(shuō)，他的代號(hào)就是“美國(guó)總統(tǒng)”，但在他家庭內(nèi)部，他是伊萬(wàn)卡“Daddy”。特朗普做了什么、說(shuō)了什么，并不會(huì)因?yàn)樗麑?duì)不同人的屬性不同而不同。導(dǎo)航衛(wèi)星的擴(kuò)頻碼編號(hào)也是一樣的，對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，它的編號(hào)可能是1，對(duì)于軍隊(duì)內(nèi)部，它的編號(hào)可能是A，但不同的編號(hào)并不影響它最終要告訴用戶的內(nèi)容。那么同一顆衛(wèi)星不同的民用和軍用編號(hào)最終會(huì)影響用戶什么呢？還是以特朗普為例，世界上那么多人，可能存在和特朗普長(zhǎng)相相似的人，對(duì)于我們民用用戶，我們可能會(huì)錯(cuò)認(rèn)特朗普，但是伊萬(wàn)卡這個(gè)軍用用戶不會(huì)，也就是說(shuō)，我們定位特朗普的精度會(huì)比伊萬(wàn)卡略低。導(dǎo)航衛(wèi)星也是一樣，同一顆衛(wèi)星民用和軍用不同的編號(hào)，影響的是民用和軍用用戶測(cè)量其離這顆衛(wèi)星的距離誤差，但是兩個(gè)測(cè)量誤差的差別并不會(huì)決定性地影響用戶最終的定位精度。
為什么軍用民用不同衛(wèi)星編號(hào)造成的測(cè)量距離誤差并不決定性影響定位精度？這要從定位精度的誤差來(lái)源到底有多少說(shuō)起。
在我們用戶測(cè)量我們與衛(wèi)星間的距離時(shí)，外界誤差主要包括6個(gè)來(lái)源：
1、軌道誤差，就是衛(wèi)星告訴你的位置和其真實(shí)的位置有偏差。
2、時(shí)鐘誤差，就是衛(wèi)星告訴你的時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間有偏差。
3、電離層延遲，就是衛(wèi)星信號(hào)在從太空穿越大氣層，經(jīng)過(guò)電離層時(shí)其速度會(huì)變慢，而我們卻不知道它慢了多少時(shí)間。
4、對(duì)流層延遲，與電離層延遲相似。
5、多徑，就是衛(wèi)星信號(hào)碰到一些反射物體，發(fā)射的信號(hào)會(huì)對(duì)實(shí)際信號(hào)有影響，讓用戶誤判到底哪個(gè)才是真正想要的信號(hào)。
6、接收機(jī)噪聲，就是接收機(jī)自己在測(cè)量距離時(shí)也會(huì)帶入自己的誤判。
那么外界的6個(gè)誤差源對(duì)用戶測(cè)量其與衛(wèi)星間的距離到底造成多大的誤差，如下圖。
時(shí)鐘誤差和軌道誤差都是1米，電離層延遲是10米，對(duì)流層延遲是1米，多徑是0.5米，接收機(jī)噪聲是1米。上圖中還有兩個(gè)誤差，一個(gè)就是選擇可用性selective availability，這個(gè)誤差是10米。這是2000年5月1日前，美國(guó)為了防止敵方民用信號(hào)精度過(guò)高而人為引入的誤差，現(xiàn)在已經(jīng)取消。下圖就是這個(gè)政策取消前后民用信號(hào)的定位精度變化。
另外一個(gè)誤差是pseudo-range noise，直譯叫做偽距噪聲，是1米。這個(gè)偽距噪聲就是我們用民用編號(hào)和軍用編號(hào)造成的誤差。上面所有的誤差的均方差就是我們的測(cè)量距離誤差，可以看到，我們得到的均方差rms error在15米左右，這是2000年5月1日前還有選擇可用性時(shí)的精度，怎么算出來(lái)的？就是每個(gè)誤差都自己平方一下，然后都加起來(lái)，再開(kāi)方。2000年5月2日去掉選擇可用性造成的人為誤差后，rms error就變成了10.2米。就算我們認(rèn)為軍用信號(hào)足夠好，把軍用編號(hào)造成的誤差pseudo-range noise改成0米，也不會(huì)對(duì)最終的誤差有多大影響，rms error還是在10.16米。
那么我們剛剛在文章開(kāi)頭說(shuō)到，軍用接收機(jī)一般會(huì)用兩個(gè)頻率，兩個(gè)頻率有什么用？?jī)蓚€(gè)頻率的好處就是能把最大的誤差源——電離層延遲降低到0米左右。這樣，我們?cè)賮?lái)看看軍用編號(hào)的精度有什么變化，rms error變成1.8米了。
所以，大家看到了吧，軍用信號(hào)和民用信號(hào)在精度上沒(méi)什么太大區(qū)別，它們的區(qū)別僅僅在于軍用信號(hào)擴(kuò)頻碼編號(hào)是保密的，只有軍方知道。就跟伊萬(wàn)卡叫特朗普是什么一樣，我們也不知道她到底是叫“Daddy”還是“Papa”，抑或是還有其他稱呼。而民用信號(hào)接收機(jī)為了省錢(qián)跟接收機(jī)小型化，大都只用一個(gè)頻率，所以還是保留了電離層延遲的10米誤差，所以總體來(lái)說(shuō)最終表現(xiàn)會(huì)比軍用信號(hào)接收機(jī)差。
既然軍用信號(hào)和民用信號(hào)精度差不多，那為什么要特地開(kāi)發(fā)軍用信號(hào)呢？保密！！！沒(méi)錯(cuò)，民用信號(hào)是完全對(duì)外公布的，別人可以偽造，發(fā)射一個(gè)假的信號(hào)，欺騙你，比如下面這個(gè)案例。而軍用信號(hào)編碼是保密的，別人無(wú)法偽造，也就沒(méi)法用假信號(hào)欺騙你了。
細(xì)心點(diǎn)進(jìn)來(lái)看的同學(xué)可能已經(jīng)注意到了，我們上面分析的誤差結(jié)果，最終乘以了一個(gè)參數(shù)PDOP。因?yàn)槲覀兩厦嬗?jì)算的均方差rms error實(shí)際上只是我們到一顆衛(wèi)星的距離誤差，如下圖紅線。如果最終要轉(zhuǎn)換到藍(lán)線的4顆衛(wèi)星定位誤差，還需要乘以PDOP。PDOP叫做幾何因子，跟我們用的衛(wèi)星在空間的分布有關(guān)。
我們常說(shuō)北斗在亞太地區(qū)的定位精度要比GPS高，實(shí)際上說(shuō)的是在亞太地區(qū)，北斗的PDOP要比GPS小，因?yàn)楸倍凡粌H有中高地球軌道衛(wèi)星MEO，還有地球同步軌道衛(wèi)星GEO，還有傾斜地球同步軌道衛(wèi)星IGSO，而GPS只有MEO。所以在我們測(cè)量和單顆衛(wèi)星距離誤差相同的情況下，在亞太地區(qū)，最終的定位誤差，北斗要比GPS小。這個(gè)后續(xù)有時(shí)間再專門(mén)講下。
