GPS與北斗衛星導航系統異同分析

王雪

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

關鍵詞：GPS 北斗衛星導航系統 對比 發展

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系統簡介

1.1 GPS系統組成

GPS定位系統是一種衛星無線電導航系統，它由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。GPS的空間部分是由21顆工作衛星和3顆備用衛星組成，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。地面監控部分主要由1個主控站、3個注入站、5個監測站組成，主要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。用戶接收機主要接收GPS衛星發射信號，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系統工作原理

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

2 北斗衛星導航系統簡介

2.1 北斗衛星導航系統組成及功能

北斗衛星導航系統（Compass）是我國自行研制開發、獨立運行的全球衛星導航系統。與美國GPS、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐盟伽利略（GALILEO）系統并稱全球四大衛星導航系統。該系統由空間部分、地面中心控制系統和用戶終端3個部分組成。空間部分包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地面中心控制系統是北斗導航系統的中樞，包括主控站、注入站和監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”等其他衛星導航系統兼容的終端組成。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。衛星導航系統可以為各行各業提供高精度定位、測速服務。

2.2 北斗衛星導航系統的工作過程

地面控制中心向2顆衛星同時發送詢問信號，衛星接收到詢問信號；經衛星轉發器向服務區用戶播送詢問信號；用戶響應其中l顆衛星的詢問信號，并同時向2顆衛星發送回應信號；衛星收到用戶響應信號后，經衛星轉發器發送回地面控制中心；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送到衛星；衛星在收到控制中心發來的坐標資料或通信內容后，經衛星轉發器傳送給用戶或收件人。通過此過此過程，北斗衛星導航系統可以實現精確定位、短信導航、精密授時等功能。

3 GPS與北斗導航系統異同分析

3.1 衛星數量與軌道分布的對比

GPS系統由24顆衛星構成，分別在六個地心軌道面內，每個面內有四顆衛星工作，其中一顆是備份星。衛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。北斗衛星導航系統的空間段有5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地球靜止軌道衛星分別位于東經58.75 °、80 °、110.5 °、140 °和160 °，非靜止軌道衛星由27顆中圓軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星組成。

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據。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。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。而北斗衛星導航系統采用衛星無線電測定（RDSS）與衛星無線電導航（RNSS）集成體制，既能像GPS系統一樣為用戶提供衛星無線電導航服務，又具有位置報告及短報文通信功能。

4 北斗系統的未來發展

北斗衛星導航系統是保障中國經濟安全和國土安全的重要設施，是我國戰略可持續發展的戰略選擇。與美國的GPS相比，我國的北斗系統雖然存在著優勢，但仍有一定的差距和不足，需要不斷發展完善，尋求突破和創新。目前的北斗衛星導航系統是一個服務區較北斗一代系統擴大三倍的區域系統，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新。未來北斗衛星導航系統將發展成為面向全球提供服務的系統，真正成為全球導航衛星系統（GNSS）家族中的重要成員。北斗系統將不斷鞏固和發揮北斗RDSS和RNSS兩種定位體制結合的優勢，并將RDSS擴展，在更大的服務區范圍內實現位置報告、短報文通信、快速定位等功能。

北斗衛星導航系統還將完善星座，增加新調制方式的信號，實現與其他GNSS的兼容互操作功能；提高導航定位精度，增強系統功能，以適應未來GNSS發展的需要，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，北斗系統必將成為國際導航系統的貢獻者。

參考文獻

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