北斗導航系統與全球定位導航系統(GPS)的比較及優勢分析

李雪

摘要：北斗導航系統和全球定位導航系統（GPS）是被國際認可的四大定位導航系統中的兩個，另外兩個分別是俄羅斯的GLONASS和歐盟的GALILEO。本文重點對比了北斗和GPS的特點以及各自的優勢。

關鍵詞：北斗;GPS;定位;導航

前言

20世紀70年代美國海陸空三軍開發了第一代衛星定位系統GPS，再經過20余年的發展，覆蓋全球的GPS衛星星座布局完成，美國在全球定位領域實現技術壟斷和商業壟斷。在上世紀末的一場戰爭中，美軍利用GPS系統對敵軍實現精準打擊，讓我國深刻意識到自主研發全球定位導航系統的重要性和必要性。因此，1994年我國啟動了北斗一號工程，2004年啟動北斗二號工程，2009年啟動北斗三號工程，如今即將完成，計劃在2020年底之前實現衛星組網，全面完成北斗三號的建設，完成全球覆蓋。

1北斗導航系統和GPS的比較分析

1.1系統架構

北斗導航系統和GPs的架構是一致的，都包含空間部分、地面部分和用戶設備。空間部分指的是運行在太空軌道中的多顆衛星，地面部門是建立在地球上的監測站、接收站和主控臺，用戶設備就是使用定位導航系統的終端設備。

1.2定位原理

GPS的發展比北斗早了幾十年，使用的是被動式單向測距三維導航算法，用戶設備只需要接收四個衛星的位置信息就可以運算得出自己所在的位置。北斗的發展過程中，定位的原理是發了很大變化的。最早期北斗一號，限于當時我國的國力和經濟條件，使用的是兩顆衛星的定位方法，地面設備還需要自備高度測試儀器，解算出位置信息再發給用戶，而且導航衛星也只能處于高軌道運行。到了北斗二號時，衛星數量得到補充，在兼容北斗一號的基礎上，增加了無源定位體制，北斗導航系統開始采用衛星無線電測定和衛星無線電導航結合的機制，不但可以像GPs一樣提供定位導航服務，還能夠發送位置報告和短報文通信。計劃2020年完成的北斗三號，將繼承有源定位和無源定位，完全實現全球定位導航，同時具備其特色的短報文功能，并在精度上逼近GPS導航系統。

1.3星體軌道

GPS的24顆衛星位于地球的中軌道上，距離地表約兩萬千米。GPS的24顆衛星均勻的分布在六個軌道平面上，軌道角度55°，這樣的衛星星座圖實現了地表上任意位置均能觀測到四顆以上的衛星，確保了定位精度。實際上GPS的衛星數量是超過24顆的，多余的是作為備用衛星使用。北斗導航系統的星體軌道也是經歷了兩代的發展，北斗一號最開始是雙星定位，在高軌道運行。到了北斗二代已經將一代的模式淘汰了，隨著我國國力增強，衛星數量可以滿足全球定位的要求，衛星也不必在高軌道運行。目前我國實際在軌運行的衛星數量已經超過24顆，均位于中軌道，具體數量隨著北斗的系統建設逐年增加，截至目前已升空的北斗衛星數量達到54顆，最后第55顆衛星將于今年五月份發射，完成整個北斗三號的工程。

1.4覆蓋范圍

GPS早在20世紀末期就實現了全球98%以上區域的覆蓋，因此應用也最為廣泛。北斗的發展較晚，北斗一號是我國在全球定位導航系統領域的嘗試，到了北斗二號開始實現區域覆蓋，由我國領土像東南亞地區輻射開來，然后是一帶一路國家。北斗三號衛星組網建成后，將徹底實現全球范圍內的覆蓋應用，縮小和GPS的差距。

1.5系統實時性

北斗一號屬于有源定位系統，實時性比較差，用戶需要發送定位請求給控制中心，控制中心解算完后再回發給用戶。北斗一號的延時較長，對于高速移動的物體，定位誤差就會變得很大。北斗二號和GPs主要采用的都是無源定位，位置的解算都是由用戶設備完成的，實時性比較高。

1.6定位精度

全球定位導航系統衛星中最重要的部件就是原子鐘，也是決定系統定位精度的決定因素。我國在原子鐘上的發展遠遠落后于美國，所以北斗比GPS的定位精度要差一些。美國的原子鐘目前可以做到2000萬年誤差不超過1s，我國近些年發展原子鐘技術也取得了很大的進步，可以自主研制出300萬年誤差1s的原子鐘，結合北斗三號部署的多衛星系統，正在逐步縮小精度方面的差距。GPS衛星全部更新完畢后可以實現的精度為軍用0.3m，北斗三號計劃指標為2.5-5m，至于民用精度則根據對應系統開放的權限而定，此外綜合定位精度可以達到厘米甚至是毫米級別。

1.7用戶容量

我國開始研制北斗時，GPS已經實現了商用。GPS為無源定位，理論上的用戶容量是無限大的。北斗一號是有源定位，用戶容量十分有限，但是更迭到北斗二號和北斗三號后，結合了無源定位技術后，北斗導航系統的用戶容量也擴大到了無限大，所以這方面二者是差別不大的。

1.8通信功能

GPS是單向測距的模式，并不具備通信功能。從北斗一號開始，通信功能就是其一大特色。發展到北斗三號，通信功能依舊被保留下來，可以在實現定位的同時，將位置信息通過衛星發送給目標設備。

1.9性價比

GPS由于發展早，壟斷市場長達幾十年，技術和模塊都十分成熟，市場上主要的定位導航模塊基本都是基于GPS來開發的。北斗的市場普及度遠不及GPS，很多終端模塊還處于開發階段，所以在性價比上，北斗是不如GPS的。但是考慮到未來的國際關系變化，北斗的普及也是一個勢不可擋的趨勢。

2結束語

北斗導航系統還有很長的路要走，我國仍需大力發展原子鐘技術和芯片技術，期待有朝一日北斗系統能夠完全趕超GPs，提升我國的國際地位并帶來巨大的經濟效益。