北斗衛星導航系統與GPS全球定位系統簡要對比分析

摘 要：隨著我國第三顆北斗衛星的升空，我國的北斗衛星導航系統工程建設又邁出了重要一步，衛星組網正按計劃穩步推進，北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。本文通過對比分析北斗導航衛星系統和GPS全球定位系統的系統和功能組成，給出我國北斗系統的應用優勢。

關鍵詞：北斗衛星導航系統；GPS全球定位系統；授時；測距

1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星定位與通信系統，是繼美國GPS全球定位系統和俄國GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。系統由空間端、地面端和用戶端組成，可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，并具有短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度優于20m，授時精度優于100ns。

1.1 系統介紹

北斗導航系統是全天候、全天時提供衛星導航定位信息的區域導航系統，該系統是由空間的導航通信衛星、地面控制中心和用戶終端3部分組成：空間部分有2顆地球同步衛星，執行地面控制中心與用戶終端的雙向無線電信號的中繼任務；地面控制中心（包括民用網管中心）主要負責無線電信號的發送接收，及整個工作系統的監控管理。其中，民用網管中心負責系統內民用用戶的登記、識別和運行管理；用戶終端是直接由用戶使用的設備，用于接收地面控制中心經衛星轉發的測距信號。

北斗衛星導航系統的建設與發展，以應用推廣和產業發展為根本目標，建設過程中主要遵循以下原則：

1.1.1 開放性

北斗衛星導航系統的建設、發展和應用將對全世界開放，為全球用戶提供高質量的免費服務，積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作，促進各衛星導航系統間的兼容與互操作，推動衛星導航技術與產業的發展。

1.1.2 自主性

中國將自主建設和運行北斗衛星導航系統，北斗衛星導航系統可獨立為全球用戶提供服務。

1.1.3 兼容性

在全球衛星導航系統國際委員會和國際電聯框架下，使北斗衛星導航系統與世界各衛星導航系統實現兼容與互操作，使所有用戶都能享受到衛星導航發展的成果。

1.1.4 漸進性

中國將積極穩妥地推進北斗衛星導航系統的建設與發展，不斷完善服務質量，并實現各階段的無縫銜接。

1.2 主要功能

北斗導航系統具有快速定位、簡短通信和精密授時的三大主要功能。

1.2.1 快速定位

確定用戶地理位置，為用戶及主管部門提供導航。水平定位精度100m，差分定位精度

小于20m。定位響應時間：1類用戶5s：2類用戶2s：3類用戶1s。最短定位更新時間小于1s。一次性定位成功率95%。

1.2.2 簡短通信

北斗導航系統具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數字報文通信能力，一

般1次可傳輸36個漢字，經核準的用戶利用連續傳送方式還可以傳送120個漢字。

1.2.3 精密授時

北斗導航系統具有單向和雙向2種授時功能，根據不同的精度要求，利用定時用戶終端，完成與北斗導航系統之間的時間和頻率同步，提供單向授時100 ns和雙向授時20 ns的時間同步精度。

2 GPS全球定位系統

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS。主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

2.1 系統與功能介紹

GPS衛星導航系統主要由三部分組成：空間部分、地面控制系統和用戶設備部分。

2.1.1 空間部分

GPS的空間部分是由24顆衛星組成其中21顆工作衛星，3顆備用衛星。它位于距地表20200km的上空，運行周期為12h。衛星均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55°。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息，GPS的衛星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。

2.1.2 地面控制系統

地面控制系統由監測站、主控制站、地面天線所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市。地面控制站負責收集由衛星傳回的訊息，并計算衛星星歷、相對距離，大氣校正等數據。

2.1.3 用戶設備部分

用戶設備部分即GPS信號接收機，其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。各種類型的接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。

與北斗衛星導航系統類似，GPS的主要功能有三點：導航、測量和授時。

3 應用優勢分析

現階段在個人消費領域的商業應用方面，GPS一直處于壟斷地位，全球汽車導航中使用的基本都是GPS設備。隨著北斗衛星導航系統的逐步建設，北斗系統將有希望打破美國獨霸全球衛星導航系統的格局。相比較而言，北斗應用具有以下五大優勢：

同時具有定位與通信功能，不需要其他通信系統的支持，而GPS則沒有通信功能。

覆蓋范圍大，24小時全天候服務，沒有通訊盲區。北斗系統覆蓋了中國及周邊國家和地區，不僅可為中國也可為周邊國家服務。

特別適合集團用戶大范圍監控與管理，以及無依托地區數據采集用戶數據傳輸應用。

融合北斗導航定位系統和衛星增強系統兩大資源，因此也可利用GPS使之應用更加豐富。

自主系統，安全、可靠、穩定，保密性強，適合關鍵部門應用。

4 結論

通過主要了解北斗衛星導航系統與GPS全球定位系統的系統組成與功能，結合現今全球導航系統的發展需求，從市場發展來看，世界上多套全球導航定位系統并存，相互之間的制約和互補將是各國大力發展全球導航定位產業的根本保證。我國建設北斗衛星導航系統的長遠目標是建設覆蓋全球、規模龐大、整體性強的衛星導航系統。

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