北斗衛星定位導航系統態勢與發展簡述

[摘要]北斗系統是我國自主研制的衛星導航定位系統，2003年12月正式開通運行，具有可實現動態位置實時監控、首次定位快速、授時精度高、保密性強等特點。2007年，北斗系統與美國GPS、俄羅斯“格羅納斯”和歐盟“伽利略”系統一起，被聯合國確認為全球衛星導航服務“核心供應商”。a近年來，在有關部門的大力促動下，北斗衛星導航定位系統的民用開發與推廣進入加速啟動階段，開始規模化進入應用市場。

[關鍵詞]北斗衛星 定位導航 系統態勢 發展

一、北斗衛星導航系統態勢

1.北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成。從2000年發射兩顆導航試驗衛星以來，2003年5月25日第3顆北斗一號衛星發送成功。 2003年12月正式開通運行建成北斗導航試驗系統(第一代系統)。中國計劃2007年兩顆北斗導航衛星，2008年左右滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求，并進行系統組網和試驗，逐步擴展為全球衛星導航系統。覆蓋范圍:北斗導航系統是覆蓋我國本土的區域導航系統。覆蓋范圍東經約70°一140°，北緯5°一55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統。能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛星(實際上最多能觀測到11顆)。

2. 衛星數量和軌道特性:北斗導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星顆衛星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛星為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。

3. 定位原理:北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供用戶三維定位數據。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據。“北斗一號”的這種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由于設備必須包含發射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。

4. 定位精度:北斗導航系統三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時精度日前約20ns。

5. 用戶容量:北斗導航系統由于是主動雙向測距的詢問--應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。GPS是單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。

6. 生存能力:和所有導航定位衛星系統一樣，“北斗一號”基于中心控制系統和衛星的工作，但是“北斗一號”對中心控制系統的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那里而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛星可以獨立運行。而“北斗一號”系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。

7. 實時性:“北斗一號”用戶的定位申請要送回中心控制系統，中心控制系統解算出用戶的三維位置數據之后再發回用戶，其間要經過地球靜止衛星走一個來回，再加上衛星轉發，中心控制系統的處理，時間延遲就更長了，因此對于高速運動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號”衛星導航系統也有一些自身的特點，其具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。

綜上所述，北斗導航系統具有衛星數量少、投資小、用戶設備簡單價廉、能實現一定區域的導航定位、通訊等多用途，可滿足當前我國陸、海、空運輸導航定位的需求。缺點是不能覆蓋兩極地區，赤道附近定位精度差，只能二維主動式定位，且需提供用戶高程數據，不能滿足高動態和保密的軍事用戶要求，用戶數量受一定限制。但最重要的是，“北斗一號”導航系統是我國獨立自主建立的衛星導航系統，它的研制成功標志著我國打破了美、俄在此領域的壟斷地位，解決了中國自主衛星導航系統的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初步起步系統。此外，該系統并不排斥國內民用市場對GPS的廣泛使用。相反，在此基礎上還將建立中國的GPS廣域差分系統。可以使受SA干擾的GPS民用碼接收機的定位精度由百米級修正到數米級，可以更好的促進GPS在民間的利用。

二、北斗衛星定位系統的發展趨勢

“北斗”系統的定位作業需要中心站直接參加工作，中心站在每次定位過程中都處于核心的位置。這使它具有一些與GPS系統不同的特殊特性。第一，從“北斗”系統的定位過程可以看出，它是一個有源系統，用戶機在定位過程中必須發射信號。這是它與GPS系統最大的不同。既然可以發送信號，就可以具備通信能力。因此，“北斗”系統具有低速通信功能，可以在任意兩個用戶機之間一次發送36個漢字字符的信息，經過授權的用戶一次可以發送120個漢字的信息。這個功能是GPS無法具備的。 第二，“北斗”系統每次定位作業都是由用戶機發出請求，經過中心站解算出坐標，然后發送給用戶機。這種工作方式使“北斗”系統存在著用戶容量限制，凡是未經授權的用戶都無法利用“北斗”系統進行定位作業，因而具備極好的保密性和反利用性。 第三，“北斗”系統一次定位需要測距信號經中心站——衛星——用戶機往返兩次，因此費時比較長，從用戶機發出定位請求到收到定位數據大約需要1秒鐘，因此它不適合飛機、導彈等高速運動的物體，而更適合艦船、車輛、人員等低速運動目標的定位。根據以上分析，我們可以看出，“北斗”系統與GPS系統的最大不同，就在于它采用了有源定位和集中計算的工作機制。從計算機的角度來看，“北斗”系統實際上是一個主機——終端型的集中式計算機網絡系統。相比之下，GPS系統采用24顆衛星組成的星座只提供測距信號，計算由各個用戶機自行完成。采用RDSS機制的“北斗”系統與采用軍用P碼的GPS系統相比，在一些重要性能上存在著一些差距。一代\"北斗\"是區域衛星導航系統，只能全天候、全天時用于中國及其周邊地區;而GPS和GLONASS都是全球導航定位系統，在全球的任何一點，只要衛星信號未被遮蔽或干擾，都能接收到三維坐標。\"區域性是我國雙星定位的技術特點、水平以及國家需求決定的，

二代‘北斗’可以稱為‘中國的GPS’，不過它仍然會比GPS多一個通訊為發展我國二代\"北斗\"的關鍵技術提供了準備。定位的“北斗”一號備份衛星上新裝載了用于衛星定位的激光反射器，能夠參照其他星，把自身位置精確定格在幾個厘米的尺度以內。這顆衛星已定位成功，表明這種技術是有效而可靠的。這樣，當我們不斷發射新的衛星構建二代“北斗”體系時，眾多衛星就會找準自己的位置，構成符合標準的網絡。此外，“北斗”一號的3顆星壽命都是8年，專家正不斷研究，預計下一次發射的衛星壽命就能達到10年左右了;而目前GPS衛星的壽命都是12年左右，GLONASS衛星的壽命則是3到5年。

參考文獻:

[1]李天文，GPS原理與應用，科學出版社，2003

[2]張守信，黃學德，GPS技術與應用，國防工業出版社，2004