GPS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)異同分析

王雪

摘 要：隨著我國自主建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已投入試運行服務，我國的綜合國力大大增強。該文詳細介紹了GPS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理及功能。同時具體分析了GPS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的異同，指出了北斗系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：GPS 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) 對比 發(fā)展

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-0-01

1 GPS系統(tǒng)簡介

1.1 GPS系統(tǒng)組成

GPS定位系統(tǒng)是一種衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)，它由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。GPS的空間部分是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，它位于距地表20200 km的上空，均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55 °。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預存導航信息。地面監(jiān)控部分主要由1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)測站組成，主要負責收集由衛(wèi)星傳回的訊息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。用戶接收機主要接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，獲得必要的導航和定位信息，經信號變換、放大和處理，完成定位、導航、跟蹤、測繪及定時工作。

1.2 GPS系統(tǒng)工作原理

GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可以知道接收機的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出，用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到。當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用二進制碼元組成的偽碼發(fā)射導航電文。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘作對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介

2.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成及功能

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Compass）是我國自行研制開發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。與美國GPS、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐盟伽利略（GALILEO）系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間部分、地面中心控制系統(tǒng)和用戶終端3個部分組成?？臻g部分包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面中心控制系統(tǒng)是北斗導航系統(tǒng)的中樞，包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟“伽利略”等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成。它可以在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并兼具短報文通信能力。衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以為各行各業(yè)提供高精度定位、測速服務。

2.2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作過程

地面控制中心向2顆衛(wèi)星同時發(fā)送詢問信號，衛(wèi)星接收到詢問信號；經衛(wèi)星轉發(fā)器向服務區(qū)用戶播送詢問信號；用戶響應其中l(wèi)顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向2顆衛(wèi)星發(fā)送回應信號；衛(wèi)星收到用戶響應信號后，經衛(wèi)星轉發(fā)器發(fā)送回地面控制中心；地面控制中心收到用戶的響應信號，解讀出用戶申請的服務內容；地面控制中心利用數(shù)值地圖計算出用戶的三維坐標位置，再將相關信息或通信內容發(fā)送到衛(wèi)星；衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來的坐標資料或通信內容后，經衛(wèi)星轉發(fā)器傳送給用戶或收件人。通過此過此過程，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確定位、短信導航、精密授時等功能。

3 GPS與北斗導航系統(tǒng)異同分析

3.1 衛(wèi)星數(shù)量與軌道分布的對比

GPS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星構成，分別在六個地心軌道面內，每個面內有四顆衛(wèi)星工作，其中一顆是備份星。衛(wèi)星的軌道周期為半個太陽日，六個軌道均為圓軌道，在赤道面上是等間隔60 °分隔，與赤道呈55 °傾角。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的空間段有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于東經58.75 °、80 °、110.5 °、140 °和160 °，非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中圓軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成。

3.2 定位原理和精度的對比

GPS是被動式偽碼單向測距三維導航，由用戶設備獨立解算自己三維定位數(shù)據(jù)。定位精度P碼目前已由16 m提高到6 m，C/A碼目前已由25～100 m提高到l2 m，授時精度日前約20 ns。北斗導航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導航，地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。定位精度約幾十米，授時精度約100 ns。二代“北斗”可以稱為“中國的GPS”。

3.3 功能的對比

GPS用戶設備用于接收來自衛(wèi)星星座信號，并計算出所需的位置、速度和時間信息。GPS提供標準定位服務（SPS）和精密定位服務（PPS）兩種服務。而北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用衛(wèi)星無線電測定（RDSS）與衛(wèi)星無線電導航（RNSS）集成體制，既能像GPS系統(tǒng)一樣為用戶提供衛(wèi)星無線電導航服務，又具有位置報告及短報文通信功能。

4 北斗系統(tǒng)的未來發(fā)展

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是保障中國經濟安全和國土安全的重要設施，是我國戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。與美國的GPS相比，我國的北斗系統(tǒng)雖然存在著優(yōu)勢，但仍有一定的差距和不足，需要不斷發(fā)展完善，尋求突破和創(chuàng)新。目前的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個服務區(qū)較北斗一代系統(tǒng)擴大三倍的區(qū)域系統(tǒng)，它能夠提供導航定位、授時等通信一體服務，但還應該在技術上有所創(chuàng)新。未來北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將發(fā)展成為面向全球提供服務的系統(tǒng)，真正成為全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）家族中的重要成員。北斗系統(tǒng)將不斷鞏固和發(fā)揮北斗RDSS和RNSS兩種定位體制結合的優(yōu)勢，并將RDSS擴展，在更大的服務區(qū)范圍內實現(xiàn)位置報告、短報文通信、快速定位等功能。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)還將完善星座，增加新調制方式的信號，實現(xiàn)與其他GNSS的兼容互操作功能；提高導航定位精度，增強系統(tǒng)功能，以適應未來GNSS發(fā)展的需要，此外，還應該完善導航政策和技術標準，加強管理和服務觀念。相信在我國科技人員的共同努力下，北斗系統(tǒng)必將成為國際導航系統(tǒng)的貢獻者。

參考文獻

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