導(dǎo)航信號(hào)哪家強(qiáng)
——不同氣象條件下北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS信號(hào)強(qiáng)度的比較

◆湖南省宜章縣第一中學(xué) 谷晨雨 白 妮 李梓熙

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航系統(tǒng)，相對(duì)于美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS），北斗系統(tǒng)開(kāi)放得比較晚。

我國(guó)在2020年建成北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱(chēng)之為BD-3。BD-3一共擁有30顆衛(wèi)星，通過(guò)這些衛(wèi)星星座編織出的覆蓋地球每一個(gè)角落的信號(hào)天幕，將為全世界的社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)注入新的活力。

一般民眾普遍使用GPS系統(tǒng)，對(duì)BD-3系統(tǒng)還比較陌生。此外，一些人認(rèn)為BD-3的信號(hào)比GPS差多了。

2020年9月，我們加入學(xué)校BD-3探索俱樂(lè)部，開(kāi)始對(duì)BD-3信號(hào)進(jìn)行測(cè)定。我們通過(guò)測(cè)定GPS和BD-3在不同氣象條件下的信號(hào)，從可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量、可檢測(cè)到的衛(wèi)星信號(hào)、信噪比等三個(gè)方面進(jìn)行研究，比較兩者之間的差異，幫助大家更好地了解BD-3。

一、實(shí)驗(yàn)器材

BD-3多模接收機(jī)（北京大學(xué)數(shù)字研究院制造）、BD-3多模接收機(jī)軟件、筆記本電腦。運(yùn)用office excel及SPSS軟件處理數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及記錄

我們?cè)趯W(xué)校操場(chǎng)（112.9°E，25.4°N，平均海拔215.7m）畫(huà)一個(gè)小圈，上午10點(diǎn)、下午5點(diǎn)，將BD-3接收機(jī)置于圈內(nèi)，并與筆記本電腦互聯(lián)。打開(kāi)接收機(jī)的測(cè)試軟件，采集當(dāng)前地點(diǎn)的BD-3衛(wèi)星星座及GPS衛(wèi)星星座的定位信息、端口監(jiān)控（導(dǎo)航電文）、星空?qǐng)D、信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄。

根據(jù)圖1，在可見(jiàn)的每日平均衛(wèi)星數(shù)量、可見(jiàn)的平均衛(wèi)星信號(hào)、平均信噪比三個(gè)評(píng)估值中，BD-3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)明顯優(yōu)于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。具體觀測(cè)結(jié)果如下。

圖1 GPS與BD-3觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

在晴天、陰天氣象條件下，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，GPS平均信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)量、BD-3平均信號(hào)、BD-3衛(wèi)星數(shù)量的P值均大于顯著性水平α，所以?xún)烧邲](méi)有顯著性差異。

在晴天、雨天氣象條件下，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，如果將顯著性水平α設(shè)為0.05，GPS平均信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)量、BD-3平均信號(hào)、BD-3衛(wèi)星數(shù)量均無(wú)顯著性差異；如果顯著性水平α設(shè)為0.1，GPS衛(wèi)星數(shù)量的P值為0.074，小于0.1，說(shuō)明GPS衛(wèi)星在晴天的數(shù)量顯著高于GPS在雨天的衛(wèi)星數(shù)量。

在陰天、雨天氣象條件下，觀測(cè)結(jié)果表明，GPS平均信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)量、BD-3平均信號(hào)、BD-3衛(wèi)星數(shù)量的P值均大于顯著性水平α，所以無(wú)顯著性差異。

觀測(cè)結(jié)果表明，平均信號(hào)的P值為0.003，小于我們?cè)O(shè)定的顯著性水平α（0.05），說(shuō)明BD-3的平均信號(hào)顯著高于GPS的平均信號(hào)。衛(wèi)星數(shù)量的P值低于0.001，小于顯著性水平α（0.05），說(shuō)明BD-3的衛(wèi)星數(shù)量顯著高于GPS的衛(wèi)星數(shù)量。

晴天氣象條件下，觀測(cè)結(jié)果表明，平均信號(hào)的P值為0.026，小于我們?cè)O(shè)定的顯著性水平α（0.05），說(shuō)明BD-3的平均信號(hào)顯著高于GPS的平均信號(hào)。晴天時(shí)，衛(wèi)星數(shù)量的P值低于0.001，小于顯著性水平α（0.05），說(shuō)明BD-3的衛(wèi)星數(shù)量顯著高于GPS的衛(wèi)星數(shù)量。

陰天氣象條件下，觀測(cè)結(jié)果表明，平均信號(hào)的P值為0.214，大于顯著性水平α，說(shuō)明BD-3與GPS在陰天條件下的平均信號(hào)沒(méi)有顯著性差異。陰天時(shí)，衛(wèi)星數(shù)量的P值為0.053，當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，我們認(rèn)為BD-3與GPS在陰天條件下的衛(wèi)星數(shù)量沒(méi)有顯著性差異。當(dāng)顯著性水平α為0.1時(shí)，我們認(rèn)為BD-3的衛(wèi)星數(shù)量顯著高于GPS的衛(wèi)星數(shù)量。

雨天氣象條件下，觀測(cè)結(jié)果表明，平均信號(hào)的P值為0.214，大于顯著性水平α，說(shuō)明BD-3與GPS在雨天條件下的平均信號(hào)沒(méi)有顯著性差異。雨天時(shí)，衛(wèi)星數(shù)量的P值小于0.001，小于顯著性水平α，我們認(rèn)為BD-3的衛(wèi)星數(shù)量顯著高于GPS的衛(wèi)星數(shù)量。

就信噪比而言，觀測(cè)結(jié)果表明，在晴天和陰天、晴天和雨天有明顯的差異性，BD-3每日的衛(wèi)星平均信噪比明顯優(yōu)于GPS，但陰天和雨天這兩種氣象條件下對(duì)比，GPS和BD-3兩者沒(méi)有明顯的差異。在單個(gè)因素的對(duì)比中，晴天、雨天兩種氣象條件下，GPS和BD-3兩者有明顯的差異， BD-3的每日衛(wèi)星平均信噪比明顯優(yōu)于GPS，而陰天氣象條件下兩者則沒(méi)有顯著差異性。

圖2 在雨天氣象條件下進(jìn)行觀測(cè)

三、結(jié)果分析

1.BD-3接收信號(hào)明顯優(yōu)于GPS信號(hào)的原因分析

電磁波在空間傳播的理想損耗公式為L(zhǎng) =32.44+20lgD+20lgF，式中L（單位：dB）為傳輸損耗，D（單位：km）為距離,F（單位：MHz）為頻率，所以距離越遠(yuǎn)，頻率越高，損耗越大。

BD有GEO和IGSO衛(wèi) 星，比GPS的MEO衛(wèi)星距離地面遠(yuǎn)，但BD的載波頻率與GPS的差不多。BD-3常見(jiàn)的6顆衛(wèi)星中，3顆為IGSO衛(wèi)星，2顆為GEO衛(wèi)星，1顆為MEO衛(wèi)星，而GPS的11顆衛(wèi)星全部為MEO衛(wèi)星。

可以計(jì)算出，在實(shí)際傳輸過(guò)程中，BD衛(wèi)星傳輸信號(hào)的損耗明顯大于GPS傳輸?shù)膿p耗，因此從理論上講，BD的信號(hào)應(yīng)該比GPS差，但在實(shí)際測(cè)量中，BD-3的信號(hào)卻比GPS的信號(hào)強(qiáng)，原因是我國(guó)建設(shè)了覆蓋本國(guó)及周邊地區(qū)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，在一定程度上提升了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的定位精度，所以BD-3的接收信號(hào)明顯優(yōu)于GPS，兩者的比值達(dá)到1.52。

2.對(duì)流層對(duì)信號(hào)差異性影響的原因分析

陰天時(shí)，對(duì)流層中含有大量微塵、小水滴、冰晶顆粒等，因此在其中傳播的電磁信號(hào)產(chǎn)生的折射彎曲較大，電磁波本身在對(duì)流層介質(zhì)中的傳播速度降低而產(chǎn)生延遲較多。這就能很好地解釋?zhuān)瑸楹我话闱闆r下，無(wú)論是每日可見(jiàn)衛(wèi)星的平均數(shù)量、平均信號(hào)、平均信噪比等，晴天都優(yōu)于雨天和陰天。

3.電離層對(duì)信號(hào)差異性影響的原因分析

電離層是指大氣受到太陽(yáng)等天體的射線影響而產(chǎn)生諸多正離子及電子的大氣高層。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)在傳輸過(guò)程經(jīng)過(guò)電離層時(shí)，由于電磁波非線性散射特性的影響及本身速度變化使其路徑折射造成傳輸延遲。由于電離層中電子密度較高，這些電子被稱(chēng)為彌散性介質(zhì)，電磁波速度以其自身頻率在彌散性介質(zhì)內(nèi)的傳播是有規(guī)律的。

衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層時(shí)，路徑會(huì)發(fā)生電磁波本身速度變化及非線性散射特性的影響比大，使其路徑折射造成傳輸延遲多，所以陰天、雨天的信號(hào)較差。

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

學(xué)生從生活中的熱點(diǎn)問(wèn)題——GPS與北斗的信號(hào)強(qiáng)弱爭(zhēng)議問(wèn)題出發(fā)，利用已有的器材，設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，并利用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論。研究過(guò)程科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以詳實(shí)的數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了北斗信號(hào)顯著強(qiáng)于GPS信號(hào)。同時(shí)利用自己所學(xué)的知識(shí)和查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的理論依據(jù)進(jìn)行了深入的剖析。

建議在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中增加時(shí)間、地理?xiàng)l件、氣候狀況等變量深入研究，如增加24小時(shí)連續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證GPS信號(hào)與北斗衛(wèi)星信號(hào)的特點(diǎn)。