北斗卫星导航系统与GPS的对比

摘要：美国的GPS从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题。为了摆脱对GPS的过度依赖，中国于2007年2月3日正式建立了自主研发的北斗卫星导航系统。这两者在技术原理、软硬件设备、功能与效率等多方面各有自己的优缺与特色。本文对这两大导航系统的发展与特点进行了简单的整理与总结。

关键词：北斗卫星导航系统GPS 发展功能特点比较

中国北斗定位系统与美国GPS系统对比总结

一、GPS与北斗卫星导航系统的发展简史

20世纪50年代末，苏联发射了世界上第一颗人造卫星。美国科学家在对其跟踪时，发现了多普勒频移现象，并利用该原理，建立了子午卫星导航系统。由于存在种种不足，1973年开始，美国筹建全球卫星定位系统GPS，在经历了原理方案可行性验证阶段（1978-1979）、系统研制与实验阶段（1979-1984）后，于1989年发射正式工作卫星，最后经过工程发展与完成阶段（1989-1994），在1994年全部建成并投入使用。期间一共发射了28颗卫星，最终使用的是21颗工作卫星与3颗备用卫星。它们被均匀地分布在6个轨道平面上，每个轨道都有4颗卫星，平均高度20200km，运行周期为11小时58分（绕地2周/天）。

北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）。1983年，我国“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士及其合作者提出利用两颗同步定点卫星进行导航的设想，经过分析和和初步实地试验，证明效果良好。1986年初，我国正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个计划，到年底我国相关单位就提出了总体技术方案和试验方案。1989年9月5日凌晨5点，我国科研人员以库尔勒、南宁等4个用户机进行第一次定位试验，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时、简短通信三大功能，而且比当时GPS的民用码精度高好几倍。1994年1月，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗”卫星导航定位系统，并列为我国“九五计划”重大项目。接下来的6年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建立“北斗”系统的完整体系。2007年2月3日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星，标志着我国继美国与前苏联后，第三个建立了完善的卫星导航系统。

二、GPS与北斗卫星定位系统的构成与技术原理

GPS系统的组成包括太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。GPS定位采用空间被动式原理，在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收卫星发送的信号，卫星不间断地发送自己的星历参数和时间信息，用户接收后，由计算机求出接收机的三维位置，三维方向及运动速度和时间信息，简称“三球定位”原理。首先假定卫星的位置为已知，准确测定A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。因此，最少需其中4颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

北斗卫星导航定位系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十柰秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。

三、GPS与北斗卫星定位系统的优缺点比较

1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。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6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

2、卫星数量和轨道特性：北斗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°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

3、定位原理：北斗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。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。GPS系统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，拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

4、定位精度：北斗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码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。

5、用户容量：北斗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，因此，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。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，因此用户设备容量是无限的。

6、生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里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“北斗一号”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。

7、实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。

8、“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，具有定位和通信双重作用，具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。此外，“北斗”的接收终端不需铺设地面基站，而GPS其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿。

四、对我国北斗卫星定位系统的一些个人看法

在接触了不少资料后，我认为，北斗卫星导航系统，最大的优点在于能够不断满足用户的个性化需求。由于具有一定的通讯功能，用户可以自主选择并分享自己的位置信息给需要关注的人，这具有更大的经济社会价值，比如物流上在配送过程中，当送掉部分货物后，A、B两个配送员可以随时上报在一定范围内的地理位置，优化与整合原本两条不同路线的货物，从而使一个人去完成原来由两个人要配送的路线，节约了公司的人力资源，提升单位时间内的送货量。

对于北斗的缺陷，我想安全性的问题是最首要的。主控中心的安全性需要得到保障，我设想可以设立权限级控制中心，在主控中心出问题后，解除控制关系，自动将系统控制权转移至另一地区的二级控制中心，以此类推的方式，可设立多个系统控制中心，甚至可设立移动的控制平台，而平时只使用其中一个。

北斗定位系统需要完善和可开发的潜力还很多。期待在不久的将来，能看到它的进一步性能提升。

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