浅谈北斗定位导航系统与GPS的差异

浅谈北斗定位导航系统与GPS的差异

张学武

河南省永城市永城职业学院476600

【摘要】北斗卫星导航系统在测量中发挥着重要作用,本文主要阐述了我国北斗导航系统以及三大功能，并和美国GPS进行了对比与分析。

【关键词】北斗；导航；比较

1.“北斗”卫星导航定位系统简介

“北斗”卫星导航定位系统是全天候、全日时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号，服务范围以大陆地区为主。其定位原理系采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可画出2个球面另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面3个球面的交会点即为用户的位置。

“北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

2.北斗系统三大主要功能

地面控制中心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整

卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位。

（1）快速定位：目的在确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航服务。“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星，以快速捕捉信号和传送大量数据见长，从用户发出定位申请，到收到结果，只需1秒钟。而在这1秒钟内，整个系统要完成发送申请信号、上传卫星、经地面控制中心计算出位置，再从卫星将定位信息送返申请用户等流程，而其中快速捕捉信号只用了几毫秒。“北斗”卫星导航定位系统水平定位精度为100米，差分定位精度小于20米。定位响应时间：一类用户5秒、二类用户2秒、三类用户1秒。最短定位更新时间小于1秒，一次定位成功率95％。

（2）简短通信：“北斗”定位系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简讯通信能力。运作流程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件人客户端。一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户可利用连续传送方式最多可传送120个汉字。这种简讯通信服务，GPS无法提供。

（3）精密授时：“北斗”具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给客户端，供用户完成与“北斗”卫星导航定位系统间时间差的修正。

3.北斗定位系统的工作步骤

（1）地面控制中心向2枚卫星发送询问信号；

（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枚卫星的询问信号，并同时向2枚卫星发送回应信号；

（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响应信号，解读出用户申请的服务内容；

（6）地面控制中心并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。

4.中国北斗和美国GPS导航定位机制特点比较

（1）我国北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，地面控制中心系统解算，供用户三维定位数据。美国GPS系统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三维定位数据。从两者导航定位模式的区别来看，北斗采用用户终端设备主动式发出讯号，导致了设备在定位时候失去了至关重要的无线电屏蔽性，在军事上处于不利地位。

（2）由于北斗用户终端设备内部必须含有无线讯号发射机，因此在体积上、重量上、价格上和功耗上都处于不利地位。而GPS定位采用被动式模式，因此在军事上以及用户设备体积上都可以做到微型。这个特点也成就了美国GPS系统民用化推广的先天优势，同时也是我国北斗民用推广先天性不足之处。

（3）定位精度不同。据目前的北斗一号资料，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。而美国GPS三维定位精度在6米到12米，授时精度目前约20ns。在实践中我们知道，定位精度在导航定位系统选用中起到决定作用，定位不准从用户角度来所是没有实际意义的。从这点来看，我国北斗要想民用普及无法和美国GPS定位精度相比，也制约着客户选择使用北斗设备。

（4）并发用户容量差异。用户容量是决定导航系统可用性的一个重要指标。根据北斗导航系统定位原理可知，用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率决定了北斗的并发用户容量是受限的，是有限的，就是说北斗导航系统在定位上是有限的资源，不是人人可用的，而美国的GPS系统属于单向测距系统，只要用户设备装有GPS定位芯片，并能接收GPS卫星信号就可实现定位，因此GPS用户容量是不受限制的，是无限，人人可用。这种先天性的不足将阻碍着我国北斗民用市场的发展，将会造成无力和GPS竞争的局面。

（5）终端设备技术实现不同。终端设备是否易用、可靠以及价廉是决定导航系统能否广泛商用的核心。由于北斗导航定位原理机制所限，在北斗终端机方面必须有讯号收发的收发射机制，所以当前北斗导航设备不仅价格昂贵(往往是GPS设备价格的10倍以上)，而且北斗终端设备本身就是一个小型的卫星通信系统，而GPS由于通过提供集约化的芯片模式提供导航定位功能，因此在GPS设备上具有易用性和可靠性，结合GPS用户容量不受限制，这些天然的特性决定了GPS在民用推广以及产业化的可能性。

参考文献

[1]赵琳，丁继成，马雪飞.卫星导航原理及应用[M].西北工业大学出版社，2011.

[2]曹冲，陈勖，李冬航.北斗伴咱走天下[M].中国宇航出版社，2011.

[3]北斗卫星导航系统简介[OL].www.beidou.gov.cn.2010-8-20.