导航信号哪家强——不同气象条件下北斗三号卫星导航系统与GPS信号强度的比较

◆湖南省宜章县第一中学 谷晨雨 白 妮 李梓熙

北斗三号卫星导航系统是我国自主研发的具有完全知识产权的导航系统，相对于美国全球定位系统（GPS），北斗系统开放得比较晚。

我国在2020年建成北斗三号全球卫星导航系统，称之为BD-3。BD-3一共拥有30颗卫星，通过这些卫星星座编织出的覆盖地球每一个角落的信号天幕，将为全世界的社会发展和经济增长注入新的活力。

一般民众普遍使用GPS系统，对BD-3系统还比较陌生。此外，一些人认为BD-3的信号比GPS差多了。

2020年9月，我们加入学校BD-3探索俱乐部，开始对BD-3信号进行测定。我们通过测定GPS和BD-3在不同气象条件下的信号，从可观测卫星数量、可检测到的卫星信号、信噪比等三个方面进行研究，比较两者之间的差异，帮助大家更好地了解BD-3。

一、实验器材

BD-3多模接收机（北京大学数字研究院制造）、BD-3多模接收机软件、笔记本电脑。运用office excel及SPSS软件处理数据。

二、实验过程及记录

我们在学校操场（112.9°E，25.4°N，平均海拔215.7m）画一个小圈，上午10点、下午5点，将BD-3接收机置于圈内，并与笔记本电脑互联。打开接收机的测试软件，采集当前地点的BD-3卫星星座及GPS卫星星座的定位信息、端口监控（导航电文）、星空图、信号强度等数据，并进行记录。

根据图1，在可见的每日平均卫星数量、可见的平均卫星信号、平均信噪比三个评估值中，BD-3卫星导航系统明显优于GPS卫星导航系统。具体观测结果如下。

图1 GPS与BD-3观测数据统计图

在晴天、阴天气象条件下，根据观测结果，GPS平均信号、GPS卫星数量、BD-3平均信号、BD-3卫星数量的P值均大于显著性水平α，所以两者没有显著性差异。

在晴天、雨天气象条件下，根据观测结果，如果将显著性水平α设为0.05，GPS平均信号、GPS卫星数量、BD-3平均信号、BD-3卫星数量均无显著性差异；如果显著性水平α设为0.1，GPS卫星数量的P值为0.074，小于0.1，说明GPS卫星在晴天的数量显著高于GPS在雨天的卫星数量。

在阴天、雨天气象条件下，观测结果表明，GPS平均信号、GPS卫星数量、BD-3平均信号、BD-3卫星数量的P值均大于显著性水平α，所以无显著性差异。

观测结果表明，平均信号的P值为0.003，小于我们设定的显著性水平α（0.05），说明BD-3的平均信号显著高于GPS的平均信号。卫星数量的P值低于0.001，小于显著性水平α（0.05），说明BD-3的卫星数量显著高于GPS的卫星数量。

晴天气象条件下，观测结果表明，平均信号的P值为0.026，小于我们设定的显著性水平α（0.05），说明BD-3的平均信号显著高于GPS的平均信号。晴天时，卫星数量的P值低于0.001，小于显著性水平α（0.05），说明BD-3的卫星数量显著高于GPS的卫星数量。

阴天气象条件下，观测结果表明，平均信号的P值为0.214，大于显著性水平α，说明BD-3与GPS在阴天条件下的平均信号没有显著性差异。阴天时，卫星数量的P值为0.053，当显著性水平α为0.05时，我们认为BD-3与GPS在阴天条件下的卫星数量没有显著性差异。当显著性水平α为0.1时，我们认为BD-3的卫星数量显著高于GPS的卫星数量。

雨天气象条件下，观测结果表明，平均信号的P值为0.214，大于显著性水平α，说明BD-3与GPS在雨天条件下的平均信号没有显著性差异。雨天时，卫星数量的P值小于0.001，小于显著性水平α，我们认为BD-3的卫星数量显著高于GPS的卫星数量。

就信噪比而言，观测结果表明，在晴天和阴天、晴天和雨天有明显的差异性，BD-3每日的卫星平均信噪比明显优于GPS，但阴天和雨天这两种气象条件下对比，GPS和BD-3两者没有明显的差异。在单个因素的对比中，晴天、雨天两种气象条件下，GPS和BD-3两者有明显的差异， BD-3的每日卫星平均信噪比明显优于GPS，而阴天气象条件下两者则没有显著差异性。

图2 在雨天气象条件下进行观测

三、结果分析

1.BD-3接收信号明显优于GPS信号的原因分析

电磁波在空间传播的理想损耗公式为L =32.44+20lgD+20lgF，式中L（单位：dB）为传输损耗，D（单位：km）为距离,F（单位：MHz）为频率，所以距离越远，频率越高，损耗越大。

BD有GEO和IGSO卫 星，比GPS的MEO卫星距离地面远，但BD的载波频率与GPS的差不多。BD-3常见的6颗卫星中，3颗为IGSO卫星，2颗为GEO卫星，1颗为MEO卫星，而GPS的11颗卫星全部为MEO卫星。

可以计算出，在实际传输过程中，BD卫星传输信号的损耗明显大于GPS传输的损耗，因此从理论上讲，BD的信号应该比GPS差，但在实际测量中，BD-3的信号却比GPS的信号强，原因是我国建设了覆盖本国及周边地区的星基增强系统，在一定程度上提升了全球导航卫星系统的定位精度，所以BD-3的接收信号明显优于GPS，两者的比值达到1.52。

2.对流层对信号差异性影响的原因分析

阴天时，对流层中含有大量微尘、小水滴、冰晶颗粒等，因此在其中传播的电磁信号产生的折射弯曲较大，电磁波本身在对流层介质中的传播速度降低而产生延迟较多。这就能很好地解释，为何一般情况下，无论是每日可见卫星的平均数量、平均信号、平均信噪比等，晴天都优于雨天和阴天。

3.电离层对信号差异性影响的原因分析

电离层是指大气受到太阳等天体的射线影响而产生诸多正离子及电子的大气高层。当卫星信号在传输过程经过电离层时，由于电磁波非线性散射特性的影响及本身速度变化使其路径折射造成传输延迟。由于电离层中电子密度较高，这些电子被称为弥散性介质，电磁波速度以其自身频率在弥散性介质内的传播是有规律的。

卫星信号经过电离层时，路径会发生电磁波本身速度变化及非线性散射特性的影响比大，使其路径折射造成传输延迟多，所以阴天、雨天的信号较差。

专家点评

学生从生活中的热点问题——GPS与北斗的信号强弱争议问题出发，利用已有的器材，设计了一系列的实验收集数据，并利用SPSS对数据进行统计分析，得出结论。研究过程科学、严谨，实验结果以详实的数据充分说明了北斗信号显著强于GPS信号。同时利用自己所学的知识和查阅相关的文献资料对实验结论的理论依据进行了深入的剖析。

建议在后续实验中增加时间、地理条件、气候状况等变量深入研究，如增加24小时连续观察实验，验证GPS信号与北斗卫星信号的特点。