周 兵，陳向東，趙齊樂

（1．北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094；2．武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢430079）

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨立自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按照“先試驗、再區(qū)域、后全球”的三步走發(fā)展戰(zhàn)略，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，即北斗一代系統(tǒng)，已投入運(yùn)行近10年，用戶數(shù)量超過10萬；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)，即北斗二代系統(tǒng)一期，也于2011年12月建成基本系統(tǒng)，并開始提供試運(yùn)行服務(wù)。北斗系統(tǒng)的飛速發(fā)展帶動了中國的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展，基本形成了圍繞北斗系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，包括上游的模塊芯片制造，中游的整機(jī)生產(chǎn)制造，下游的集成開發(fā)應(yīng)用等，并逐步與美國的GPS形成競爭態(tài)勢。

1 北斗系統(tǒng)相比GPS的應(yīng)用優(yōu)勢

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比美國的GPS在我國用戶應(yīng)用中優(yōu)勢突出，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）國內(nèi)用戶使用北斗單頻進(jìn)行定位，能獲得優(yōu)于10m的精度，且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號具備一定的抗干擾能力。而使用GPS由于得不到軍碼，只能接收其衛(wèi)星發(fā)播的民用碼信號，GPS民用碼精度低，一般為15～20m，且抗干擾能力差。如圖1所示，圖中數(shù)據(jù)曲線是2012年5月19日空間段僅有9顆工作衛(wèi)星條件下，通用型用戶接收機(jī)在北京全天觀測的結(jié)果。

圖1 北斗系統(tǒng)單頻信號定位精度

2）GPS本身不具有廣域差分功能，需要通過WAAS、StarFire等系統(tǒng)對GPS進(jìn)行增強(qiáng)，實現(xiàn)廣域差分，提高定位精度，而北斗系統(tǒng)自身就具有國土和周邊地區(qū)的廣域差分功能，北斗單頻接收機(jī)無需增加任何硬件設(shè)備即可接收使用廣域差分信息，達(dá)到優(yōu)于10m的定位精度。

3）北斗高精度定位可采用雙頻或三頻載波相位測量，而目前使用GPS只能利用L2半無碼接收獲取載波相位測量信息，其雙頻測量精度低于北斗。按照美國《2008聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃》［1］，至2016年GPS衛(wèi)星才具備廣播L2C信號的功能。

三頻載波相位組合觀測的表達(dá)式為（以m為單位）:

組合后的觀測量的載波整周模糊度、頻率和波長為［2］

在北斗系統(tǒng)中，用戶在進(jìn)行載波相位高精度定位時，通過恰當(dāng)?shù)剡x取i，j，k的取值進(jìn)行組合后，能夠形成波長較長（大于4．887m），電離層延遲較小、噪聲相對較小的超寬巷觀測量，而GPS目前無法獲得。這樣有利于快速解算載波整周模糊度，提高定位精度，同時有利于載波周跳的探測與修復(fù)。

4）北斗組網(wǎng)衛(wèi)星信號的載噪比，IGSO衛(wèi)星與GPS新一代衛(wèi)星相當(dāng)，而GEO衛(wèi)星則高于GPS新一代衛(wèi)星。如圖2所示，圖中記錄的信號載噪比C／N0主要是北斗 GEO－1（Compass C01）、GEO－3（Compass C03）、GEO－4（Compass C04）、IGSO－1（Compass C06）、IGSO－2（Compass C07）、IGSO－3（Compass C08）和 GPS Block IIR－M、Block IIF衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號載噪比。而由于用戶端接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行跟蹤測量時采用了鎖相環(huán)（PLL）和鎖頻環(huán)（FLL），PLL和FLL熱噪聲抖動誤差按如下表達(dá)式計算［3］，即

由式（5）、式（6）可以看出C／N0高則PLL和FLL的熱噪聲抖動誤差小。因此，可以說北斗衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號相比GPS衛(wèi)星更有利于提高用戶端的測距和測速精度。

5）GPS首次定位時間長，最短熱啟動后處理時間也需要10多秒。而北斗RDSS定位體制，用戶只需捕獲響應(yīng)兩顆衛(wèi)星的信號，主控站就能進(jìn)行定位解算，并將結(jié)果發(fā)送給用戶，全部過程只需1s鐘就可完成，首次定位速度比GPS快，特別適合空軍救生和其它遇險救生等特殊情況下的應(yīng)用需要。

圖2 北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星信號載噪比對比

6）北斗系統(tǒng)采用RDSS和RNSS相結(jié)合的定位體制，集導(dǎo)航定位、授時和短報文通信三大功能于一體，在定位的同時還能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的位置報告，便于監(jiān)控指揮和態(tài)勢跟蹤與共享，成為現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)中通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈的有力補(bǔ)充。而GPS只有RNSS定位體制，沒有短報文通信功能，必須借助其它通信系統(tǒng)實現(xiàn)位置報告，而在海洋、陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)通信是十分困難的。

7）北斗系統(tǒng)是我國自主控制的系統(tǒng)，不受制于人，這對于一些事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障人民正常生活的行業(yè)應(yīng)用非常重要，如地面移動通信網(wǎng)、電力以及金融行業(yè)，民用單頻定位精度與GPS相當(dāng)，使用上具有防欺騙能力，有較高的使用安全性，可以在上述領(lǐng)域大力推廣使用。而GPS受美國軍方控制，且已具備有多種對GPS民用信號的控制手段，如降低精度、區(qū)域關(guān)閉等。雖然2000年5月取消了SA政策，但沒有承諾對用戶的安全使用。因此，我國在民用領(lǐng)域，特別是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)安全的領(lǐng)域，使用GPS仍存在較大風(fēng)險。

8）北斗系統(tǒng)可以和GPS一起被用戶實現(xiàn)兼容定位，從而進(jìn)一步提高定位精度。同時，由于空間衛(wèi)星數(shù)目的增加，即北斗衛(wèi)星＋GPS衛(wèi)星，使得城市樓宇間用戶可見衛(wèi)星數(shù)增加，增強(qiáng)了定位可靠性。圖3是2011年6月19日—25日接收機(jī)分別進(jìn)行GPS、北斗單獨短基線相對動態(tài)定位和GPS＋北斗兼容短基線相對動態(tài)定位的精度統(tǒng)計圖，圖中G表示利用GPS單獨定位、C表示利用北斗系統(tǒng)單獨定位、C＋G表示利用北斗＋GPS兼容定位。從圖中可以看出，北斗＋GPS兼容定位相比GPS單獨定位，精度提高20%．

圖3 北斗＋GPS與單北斗或GPS短基線相對定位精度比較圖

2 北斗系統(tǒng)的未來發(fā)展

與美國的GPS相比，我國的北斗系統(tǒng)雖然在用戶應(yīng)用方面存在上述一些優(yōu)勢，但必須承認(rèn)與GPS還有一定的差距，需要學(xué)習(xí)其先進(jìn)技術(shù)，不斷發(fā)展完善自己，并不斷尋求突破和創(chuàng)新。

目前的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仍是一個服務(wù)區(qū)較北斗一代系統(tǒng)擴(kuò)大三倍的區(qū)域系統(tǒng)，未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將發(fā)展成為面向全球提供服務(wù)的系統(tǒng)，真正成為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）家族中的重要成員。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在繼承中發(fā)展，不斷鞏固和發(fā)揮北斗RDSS和RNSS兩種定位體制結(jié)合的優(yōu)勢，并將RDSS擴(kuò)展，在更大的服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)實現(xiàn)位置報告和短報文通信。同時，利用RDSS入站鏈路，將接收機(jī)開機(jī)所取得的多顆衛(wèi)星的偽距傳到主控站進(jìn)行解算，擺脫RDSS對數(shù)字高程庫的依賴，將位置信息發(fā)給用戶，實現(xiàn)快速精確定位［4］。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還將一方面完善星座，同時增加新調(diào)制方式的信號，實現(xiàn)與其它GNSS的兼容互操作；另一方面進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)功能，以適應(yīng)未來GNSS發(fā)展的需要。

3 結(jié) 論

經(jīng)過二十多年艱苦卓絕的奮斗，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)已取得了令人矚目的成果，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以完全擺脫GPS獨立使用，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號單頻定位和單頻加廣域差分定位都具有很高的精度，而且北斗RDSS定位速度快，與RNSS定位體制的結(jié)合，可實現(xiàn)多種形式的位置報告，在指揮控制和態(tài)勢跟蹤與共享等方面較GPS應(yīng)用優(yōu)勢突出；同時，北斗系統(tǒng)自主可控成為其在我國用戶應(yīng)用中最重要的優(yōu)勢。北斗與GPS兼容使用，更進(jìn)一步提高了用戶定位精度和可靠性。未來的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在向全球系統(tǒng)發(fā)展的同時，不斷出現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域，最終與GPS形成有力競爭。

［1］ NOAA．2008Federal radio navigation plan［OL］．（2012－04－18）．http:／／www．gps．gov．

［2］ FENG Yanming，RIZOS C．Three carrier approaches for future global，regional and local GNSS positioning services:concepts and performance Perspectives［C］／／Proceedings of IONGNSS 2005，13－16September，Long Beach，CA，2005:2277－2787．

［3］ ELLIOTT D K．GPS原理與應(yīng)用［M］．邱致和，王萬義，譯．北京:電子工業(yè)出版社，2002．

［4］ 譚述森．廣義RDSS全球定位報告系統(tǒng)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．