王雪

摘 要：隨著我國(guó)自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已投入試運(yùn)行服務(wù)，我國(guó)的綜合國(guó)力大大增強(qiáng)。該文詳細(xì)介紹了GPS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理及功能。同時(shí)具體分析了GPS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的異同，指出了北斗系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：GPS 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 對(duì)比 發(fā)展

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-0-01

1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 GPS系統(tǒng)組成

GPS定位系統(tǒng)是一種衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。GPS的空間部分是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，它位于距地表20200 km的上空，均勻分布在6個(gè)軌道面上，軌道傾角為55 °。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息。地面監(jiān)控部分主要由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，主要負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回的訊息，并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。用戶接收機(jī)主要接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)信號(hào)變換、放大和處理，完成定位、導(dǎo)航、跟蹤、測(cè)繪及定時(shí)工作。

1.2 GPS系統(tǒng)工作原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可以知道接收機(jī)的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出，用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用二進(jìn)制碼元組成的偽碼發(fā)射導(dǎo)航電文。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘作對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Compass）是我國(guó)自行研制開發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。與美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐盟伽利略（GALILEO）系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間部分、地面中心控制系統(tǒng)和用戶終端3個(gè)部分組成?？臻g部分包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面中心控制系統(tǒng)是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的中樞，包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國(guó)GPS、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟“伽利略”等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。它可以在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為各行各業(yè)提供高精度定位、測(cè)速服務(wù)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作過(guò)程

地面控制中心向2顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)，衛(wèi)星接收到詢問(wèn)信號(hào)；經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)用戶播送詢問(wèn)信號(hào)；用戶響應(yīng)其中l(wèi)顆衛(wèi)星的詢問(wèn)信號(hào)，并同時(shí)向2顆衛(wèi)星發(fā)送回應(yīng)信號(hào)；衛(wèi)星收到用戶響應(yīng)信號(hào)后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送回地面控制中心；地面控制中心收到用戶的響應(yīng)信號(hào)，解讀出用戶申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容；地面控制中心利用數(shù)值地圖計(jì)算出用戶的三維坐標(biāo)位置，再將相關(guān)信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星；衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來(lái)的坐標(biāo)資料或通信內(nèi)容后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給用戶或收件人。通過(guò)此過(guò)此過(guò)程，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確定位、短信導(dǎo)航、精密授時(shí)等功能。

3 GPS與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)異同分析

3.1 衛(wèi)星數(shù)量與軌道分布的對(duì)比

GPS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，分別在六個(gè)地心軌道面內(nèi)，每個(gè)面內(nèi)有四顆衛(wèi)星工作，其中一顆是備份星。衛(wèi)星的軌道周期為半個(gè)太陽(yáng)日，六個(gè)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間段有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于東經(jīng)58.75 °、80 °、110.5 °、140 °和160 °，非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中圓軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成。

3.2 定位原理和精度的對(duì)比

GPS是被動(dòng)式偽碼單向測(cè)距三維導(dǎo)航，由用戶設(shè)備獨(dú)立解算自己三維定位數(shù)據(jù)。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(shí)精度日前約20 ns。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。定位精度約幾十米，授時(shí)精度約100 ns。二代“北斗”可以稱為“中國(guó)的GPS”。

3.3 功能的對(duì)比

GPS用戶設(shè)備用于接收來(lái)自衛(wèi)星星座信號(hào)，并計(jì)算出所需的位置、速度和時(shí)間信息。GPS提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）兩種服務(wù)。而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定（RDSS）與衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航（RNSS）集成體制，既能像GPS系統(tǒng)一樣為用戶提供衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)，又具有位置報(bào)告及短報(bào)文通信功能。

4 北斗系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是保障中國(guó)經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)土安全的重要設(shè)施，是我國(guó)戰(zhàn)略可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。與美國(guó)的GPS相比，我國(guó)的北斗系統(tǒng)雖然存在著優(yōu)勢(shì)，但仍有一定的差距和不足，需要不斷發(fā)展完善，尋求突破和創(chuàng)新。目前的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)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)，它能夠提供導(dǎo)航定位、授時(shí)等通信一體服務(wù)，但還應(yīng)該在技術(shù)上有所創(chuàng)新。未來(lái)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。北斗系統(tǒng)將不斷鞏固和發(fā)揮北斗RDSS和RNSS兩種定位體制結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，并將RDSS擴(kuò)展，在更大的服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告、短報(bào)文通信、快速定位等功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還將完善星座，增加新調(diào)制方式的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與其他GNSS的兼容互操作功能；提高導(dǎo)航定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)功能，以適應(yīng)未來(lái)GNSS發(fā)展的需要，此外，還應(yīng)該完善導(dǎo)航政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理和服務(wù)觀念。相信在我國(guó)科技人員的共同努力下，北斗系統(tǒng)必將成為國(guó)際導(dǎo)航系統(tǒng)的貢獻(xiàn)者。

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