北斗与GPS导航定位系统对比分析研究
北斗与GPS导航定位系统对比分析研究
摘要：本文基于笔者从事导航系统应用的相关工作经验，以北斗与GPS导航定位系统之间的对比为研究对象，论文首先分析了北斗卫星导航系统的工作原理，进而从卫星数量、轨道特性、定位原理、用户容量和定位精度等方面探讨了二者之间的差别，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词:GPS 北斗导航定位对比
北斗一号卫星导航定位系统的英文简称为BD，在ITU(国际电信联合会)登记的无线电频段为L波段(发射)和S波段(接收)。其基本功能包括：定位、通信(短消息)和授时。2000年10月和12月，我国两次成功发射“北斗一代”导航试验卫星，为我国“北斗”导航系统建设奠定了基础。双星导航定位系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。北斗二代卫星导航定位系统的英文为Compass(即指南针)，在ITU登记的无线电频段为L波段[1]。其功能与GPS相同，即定位与授时。
2010年1月17日凌晨，北斗二代卫星导航系统的第三颗卫星成功发射。这也预示着北斗二代进入了加速组网阶段。2010年11月1日00:26我国成功将第四颗“北斗二代”导航卫星送入太空。
1 “北斗”定位系统的定位原理及系统组成
1.1 “北斗”卫星导航系统的定位原理
“北斗一号”卫星导航系统的定位原理与GPS系统不同,GPS采用的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的三维定位数据，而“北斗一号”卫星导航定位系统则采用主动式双向测距二维导航，由地面中心控制系统解算供用户使用的三维定位数据。“北斗”卫星是中国“北斗”导航系统空间段组成部分，由两种基本形式的卫星组成，分别适应于GEO和MEO轨道。“北斗”导航卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成。卫星平台由测控、数据管理、姿态与轨道控制、推进、热控、结构和供电等分系统组成。有效载荷包括导航分系统、天线分系统。GEO卫星还含有RDSS有效载荷。因此,“北斗”卫星为提供导航、通信、授时一体化业务创造了条件。
1.2 系统组成
北斗双星导航系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分由轨道高度为36000km的2颗工作卫星和1颗备用卫星组成(一个轨道平面)，其坐标分别为(80°E,0°,36000km)、(140°E,0°,36000km)、(110.5°E,0°, 36000km)。卫星不发射导航电文，也不配备高精度的原子钟，只是用于在地面中心站与用户之间进行双向信号中继。卫星电波能覆盖地球表面42％的面积，其覆盖的经度为100°，纬度为N81°～S81°。
地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢，包括1个配有电子高
程图的地面中心站、地面网管中心、测轨站、测高站和数十个分布在全国各地的地面参考标校站，主要用于对卫星定位、测轨，调整卫星运行轨道、姿态，控制卫星的丁作，测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。用户终端为带有定向天线的收发器，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发射通信请求，不含定位解算处理功能。
时间系统和坐标系统：时间系统采用UTC(世界协调时)，坐标系统采用1954年北京坐标系和1985年中国国家高程系统。未来的北斗卫星导航系统(COMPASS)将由分布在3个轨道面上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)和均匀分布在一个轨道面的5颗地球同步卫星构成。非静止轨道上，每个轨道面10颗卫星，其中1颗为备用，轨道倾角为56°。卫星轨道半长轴约为2.7万km。
2 北斗卫星导航系统的工作过程
地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定
位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两
北斗手机号定位颗卫星的位置均是已知的，可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和。从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上；另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此，中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标，并与相关信息或通信内容发送到卫星，经卫星转发器传送给用户或收件人。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 北斗卫星导航系统与GPS系统的比较
3.1 卫星数量和轨道特性的对比
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。
3.2 定位原理的对比
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。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。“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。
3.3 定位精度的对比
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25m～100m 提高到12m，授时精度日前约20ns。二代“北斗”可以称为“中国的GPS”，不过它仍然会比GPS多一个通讯为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。

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