9 北斗卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析

北斗卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析

摘要：本文在论述“北斗”卫星导航系统工作原理和功能的基础上，结合全球定位系统的功能，分析了两大系统的差别，指出了我国应借鉴全球定位系统的经验，开发我国第二代卫星导航定位系统。

关键字：“北斗”卫星定位系统全球定位系统卫星导航GPS

1 引言

2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好。这次发射的是导航定位系统的备份卫星。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时的提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统（GPS）和前苏联的全球导航卫星系统（GLONASS）之后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。

2 “北斗星”卫星导航系统工作原理和功能

“北斗”卫星导航定位系统是全天候、全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号，服务范围以我国大陆地区为主。其定位原理是：采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径，可画出2个球面，另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面，3个球面的交会点即为用户的位置。

“北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2颗地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

地面控制中心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位。简单的说，“北斗”卫星导航定位系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。

快速定位：快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。

简短通信：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。

精密授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。

“北斗”卫星导航定位系统的工作步骤如下：

1）地面控制中心向2颗卫星发送询问信号；

2）卫星接收到询问信号，经卫星转发器向服务区用户播送询问信号；

3）用户响应其中1颗卫星的询问信号，并同时向2颗卫星发送回应信号；

4）卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发送回地面控制中心；

5）地面控制中心收到用户的响应信号，解读出用户申请的服务内容；

6）地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息或通信内容发送到卫星；

7）卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器传送给用户或收件人。

3 “北斗”卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析

3.1 覆盖范围

“北斗”卫星导航系统是覆盖我国本土的区域性导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到4～11颗卫星。

3.2 卫星数量和轨道特性

“北斗”卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。

3.3 定位原理

“北斗”卫星导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。

3.4 定位精度

“北斗”卫星导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前已经由25～100m提高到12m，授时精度日前约为20ns。

3.5 用户容量

“北斗”卫星导航系统由于是主动双向测距的询问应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。而GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。

3.6 生存能力

和所有导航定位卫星系统一样，“北斗”卫星导航系统对中心控制系统的依赖性明显要大，因为定位解算在地面控制中心，而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗”卫星导航系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

3.7 信息的实时性

“北斗”卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0.24～0.28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0.56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收器约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户时间稍长，会加大定位的误差，因此，若要利用“北斗”卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。而GPS由于是用户自己解算，实时性比较高。

3.8 数据的共享性

由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，共用户接收器只能测得二维（平面）的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维（平面和高度）的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数值地图资料厍或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数值地图数据库

数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。而GPS采用的是地心坐标系，数据的共享程度比较高。

3.9 通讯功能

“北斗”卫星导航系统所具有的短讯通讯功能是GPS所不具备的。这在军事上有着特殊的用途。例如军事指挥中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发，使得军事指挥中心可对其下属用户进行指挥调度。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的所在位置，而且指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。也就是说假如我国各级部队配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的帮助。

由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端要请求定位服务时，必须发出应答信号，即“有源应答”，如果使用者是军方单位就会使自身失去隐蔽性，而且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位，而遭到攻击。另外，在通讯时，由于每个客户端都有专用识别码，一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。这也是“北斗”卫星定位系统的致命所在。

3.10 性能价格比

“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线（直径达20厘米）才能接收信号，而且因“有源应答”运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积（普通型用户机长20厘米、宽17.5厘米、高5.2厘米）、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与昂贵，这就限制了它的使用范围。

4 结束语

综上所述，“北斗”导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距，但是它具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。更重要的是，“北斗”卫星导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在此基础上还可建立中国的GPS广域差分系统。可以使GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。“北斗”卫星导航系统仅是我国近期满足建设需要的自主简易导航系统，因此，我们必须在发展“北斗一号”的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，开发我国二代卫星导航系统，我们有理由相信，在不久的将来，具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗毁灭等特征的，适合我国的国情的“北斗二号”将会展现在大家面前，更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。