導航信號哪家強
——不同氣象條件下北斗三號衛星導航系統與GPS信號強度的比較

◆湖南省宜章縣第一中學 谷晨雨 白 妮 李梓熙

北斗三號衛星導航系統是我國自主研發的具有完全知識產權的導航系統，相對于美國全球定位系統（GPS），北斗系統開放得比較晚。

我國在2020年建成北斗三號全球衛星導航系統，稱之為BD-3。BD-3一共擁有30顆衛星，通過這些衛星星座編織出的覆蓋地球每一個角落的信號天幕，將為全世界的社會發展和經濟增長注入新的活力。

一般民眾普遍使用GPS系統，對BD-3系統還比較陌生。此外，一些人認為BD-3的信號比GPS差多了。

2020年9月，我們加入學校BD-3探索俱樂部，開始對BD-3信號進行測定。我們通過測定GPS和BD-3在不同氣象條件下的信號，從可觀測衛星數量、可檢測到的衛星信號、信噪比等三個方面進行研究，比較兩者之間的差異，幫助大家更好地了解BD-3。

一、實驗器材

BD-3多模接收機（北京大學數字研究院制造）、BD-3多模接收機軟件、筆記本電腦。運用office excel及SPSS軟件處理數據。

二、實驗過程及記錄

我們在學校操場（112.9°E，25.4°N，平均海拔215.7m）畫一個小圈，上午10點、下午5點，將BD-3接收機置于圈內，并與筆記本電腦互聯。打開接收機的測試軟件，采集當前地點的BD-3衛星星座及GPS衛星星座的定位信息、端口監控（導航電文）、星空圖、信號強度等數據，并進行記錄。

根據圖1，在可見的每日平均衛星數量、可見的平均衛星信號、平均信噪比三個評估值中，BD-3衛星導航系統明顯優于GPS衛星導航系統。具體觀測結果如下。

圖1 GPS與BD-3觀測數據統計圖

在晴天、陰天氣象條件下，根據觀測結果，GPS平均信號、GPS衛星數量、BD-3平均信號、BD-3衛星數量的P值均大于顯著性水平α，所以兩者沒有顯著性差異。

在晴天、雨天氣象條件下，根據觀測結果，如果將顯著性水平α設為0.05，GPS平均信號、GPS衛星數量、BD-3平均信號、BD-3衛星數量均無顯著性差異；如果顯著性水平α設為0.1，GPS衛星數量的P值為0.074，小于0.1，說明GPS衛星在晴天的數量顯著高于GPS在雨天的衛星數量。

在陰天、雨天氣象條件下，觀測結果表明，GPS平均信號、GPS衛星數量、BD-3平均信號、BD-3衛星數量的P值均大于顯著性水平α，所以無顯著性差異。

觀測結果表明，平均信號的P值為0.003，小于我們設定的顯著性水平α（0.05），說明BD-3的平均信號顯著高于GPS的平均信號。衛星數量的P值低于0.001，小于顯著性水平α（0.05），說明BD-3的衛星數量顯著高于GPS的衛星數量。

晴天氣象條件下，觀測結果表明，平均信號的P值為0.026，小于我們設定的顯著性水平α（0.05），說明BD-3的平均信號顯著高于GPS的平均信號。晴天時，衛星數量的P值低于0.001，小于顯著性水平α（0.05），說明BD-3的衛星數量顯著高于GPS的衛星數量。

陰天氣象條件下，觀測結果表明，平均信號的P值為0.214，大于顯著性水平α，說明BD-3與GPS在陰天條件下的平均信號沒有顯著性差異。陰天時，衛星數量的P值為0.053，當顯著性水平α為0.05時，我們認為BD-3與GPS在陰天條件下的衛星數量沒有顯著性差異。當顯著性水平α為0.1時，我們認為BD-3的衛星數量顯著高于GPS的衛星數量。

雨天氣象條件下，觀測結果表明，平均信號的P值為0.214，大于顯著性水平α，說明BD-3與GPS在雨天條件下的平均信號沒有顯著性差異。雨天時，衛星數量的P值小于0.001，小于顯著性水平α，我們認為BD-3的衛星數量顯著高于GPS的衛星數量。

就信噪比而言，觀測結果表明，在晴天和陰天、晴天和雨天有明顯的差異性，BD-3每日的衛星平均信噪比明顯優于GPS，但陰天和雨天這兩種氣象條件下對比，GPS和BD-3兩者沒有明顯的差異。在單個因素的對比中，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的每日衛星平均信噪比明顯優于GPS，而陰天氣象條件下兩者則沒有顯著差異性。

圖2 在雨天氣象條件下進行觀測

三、結果分析

1.BD-3接收信號明顯優于GPS信號的原因分析

電磁波在空間傳播的理想損耗公式為L =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，頻率越高，損耗越大。

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

可以計算出，在實際傳輸過程中，BD衛星傳輸信號的損耗明顯大于GPS傳輸的損耗，因此從理論上講，BD的信號應該比GPS差，但在實際測量中，BD-3的信號卻比GPS的信號強，原因是我國建設了覆蓋本國及周邊地區的星基增強系統，在一定程度上提升了全球導航衛星系統的定位精度，所以BD-3的接收信號明顯優于GPS，兩者的比值達到1.52。

2.對流層對信號差異性影響的原因分析

陰天時，對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產生的折射彎曲較大，電磁波本身在對流層介質中的傳播速度降低而產生延遲較多。這就能很好地解釋，為何一般情況下，無論是每日可見衛星的平均數量、平均信號、平均信噪比等，晴天都優于雨天和陰天。

3.電離層對信號差異性影響的原因分析

電離層是指大氣受到太陽等天體的射線影響而產生諸多正離子及電子的大氣高層。當衛星信號在傳輸過程經過電離層時，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，這些電子被稱為彌散性介質，電磁波速度以其自身頻率在彌散性介質內的傳播是有規律的。

衛星信號經過電離層時，路徑會發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、雨天的信號較差。

專家點評

學生從生活中的熱點問題——GPS與北斗的信號強弱爭議問題出發，利用已有的器材，設計了一系列的實驗收集數據，并利用SPSS對數據進行統計分析，得出結論。研究過程科學、嚴謹，實驗結果以詳實的數據充分說明了北斗信號顯著強于GPS信號。同時利用自己所學的知識和查閱相關的文獻資料對實驗結論的理論依據進行了深入的剖析。

建議在后續實驗中增加時間、地理條件、氣候狀況等變量深入研究，如增加24小時連續觀察實驗，驗證GPS信號與北斗衛星信號的特點。