北斗系统与GPS应用比较分析

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第３７卷　第４期
２０１２年８月　　　　　　　　　　
全球定位系统
ＧＮＳＳ　Ｗｏｒｌｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４
Ａｕｇｕｓｔ，２０１２
北斗系统与ＧＰＳ应用比较分析＊
周　兵１，陈向东１，赵齐乐２
（１．北京环球信息应用开发中心，北京１０００９４；
２．武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉４３００７９）
摘　要：我国自主建设的北斗卫星导航区域系统已投入试运行服务。从国内用户应用方
面具体分析了北斗卫星导航系统相比美国ＧＰＳ的优势，包括定位精度、信号的载噪比、定位速
度和应用模式等，给出了北斗卫星导航区域系统在试运行阶段的一些应用测试数据。同时指
出了对北斗系统未来发展趋势。
关键词：北斗卫星导航系统；ＧＰＳ；用户应用；比较分析；发展趋势
中图分类号：Ｐ２２８．４　　　　　　文献标志码：Ａ
文章编号：１００８－９２６８（２０１２）０４－０００６－０３
０　引　言
北斗卫星导航系统是我国独立自主建设的卫
星导航系统。按照“先试验、再区域、后全球”的三
步走发展战略，目前北斗卫星导航试验系统，即北
斗一代系统，已投入运行近１０年，用户数量超过
１０万；北斗卫星导航区域系统，即北斗二代系统一
期，也于２０１１年１２月建成基本系统，并开始提供
试运行服务。北斗系统的飞速发展带动了中国的
卫星导航产业发展，基本形成了围绕北斗系统的应
用产业链，包括上游的模块芯片制造，中游的整机
生产制造，下游的集成开发应用等，并逐步与美国
的ＧＰＳ形成竞争态势。
１　北斗系统相比ＧＰＳ的应用优势
北斗卫星导航系统相比美国的ＧＰＳ在我国用
户应用中优势突出，具体体现在以下几个方面。
１）国内用户使用北斗单频进行定位，能获得
优于１０ｍ的精度，且北斗卫星导航信号具备一定
的抗干扰能力。而使用ＧＰＳ由于得不到军码，只
能接收其卫星发播的民用码信号，ＧＰＳ民用码精
度低，一般为１５～２０ｍ，且抗干扰能力差。如图１
所示，图中数据曲线是２０１２年５月１９日空间段仅
有９颗工作卫星条件下，通用型用户接收机在北京
全天观测的结果。
图１　北斗系统单频信号定位精度
２）ＧＰＳ本身不具有广域差分功能，需要通过
ＷＡＡＳ、ＳｔａｒＦｉｒｅ等系统对ＧＰＳ进行增强，实现广
域差分，提高定位精度，而北斗系统自身就具有国
土和周边地区的广域差分功能，北斗单频接收机无
需增加任何硬件设备即可接收使用广域差分信息，
达到优于１０ｍ的定位精度。
３）北斗高精度定位可采用双频或三频载波相
位测量，而目前使用ＧＰＳ只能利用Ｌ２
半无码接收
获取载波相位测量信息，其双频测量精度低于北
斗。按照美国《２００８联邦无线电导航计划》［１］，至
２０１６年ＧＰＳ卫星才具备广播Ｌ２Ｃ信号的功能。
三频载波相位组合观测的表达式为（以ｍ 为
单位）：
＊ 收稿日期：２０１２－０７－１８
　联系人：陈向东Ｅ－ｍａｉｌ：ｘ．ｄ．ｃｈｅｎ１０２２＠１６３．ｃｏｍ
Φｉ，ｊ，ｋ ＝ｉ·ｆ１·Φ１＋ｊ·ｆ２·Φ２＋ｋ·ｆ３·Φ３
ｉ·ｆ１＋ｊ·ｆ２＋ｋ·ｆ３
（１）
组合后的观测量的载波整周模糊度、频率和波
长为［２］
Ｎｉ，ｊ，ｋ ＝ｉ·Ｎ１＋ｊ·Ｎ２＋ｋ·Ｎ３ （２）
ｆｉ，ｊ，ｋ ＝ｉ·ｆ１＋ｊ·ｆ２＋ｋ·ｆ３ （３）
λｉ，ｊ，ｋ ＝ Ｃ
ｆｉ，ｊ，ｋ
＝ λ１λ２λ３
ｉ·λ２λ３＋ｊ·λ１λ３＋ｋ·λ１λ２
（４）
在北斗系统中，用户在进行载波相位高精度定
位时，通过恰当地选取ｉ，ｊ，ｋ 的取值进行组合后，
能够形成波长较长（大于４．８８７ｍ），电离层延迟较
小、噪声相对较小的超宽巷观测量，而ＧＰＳ目前无
法获得。这样有利于快速解算载波整周模糊度，提
高定位精度，同时有利于载波周跳的探测与修复。
４）北斗组网卫星信号的载噪比，ＩＧＳＯ卫星与
ＧＰＳ新一代卫星相当，而ＧＥＯ 卫星则高于ＧＰＳ
新一代卫星。如图２所示，图中记录的信号载噪比
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卫
星发播的导航信号载噪比。而由于用户端接收卫
星导航信号进行跟踪测量时采用了锁相环（ＰＬＬ）
和锁频环（ＦＬＬ），ＰＬＬ和ＦＬＬ热噪声抖动误差按
如下表达式计算［３］，即
σｔＰＬＬ ＝ λ
２π
Ｂｎ
Ｃ／Ｎ０
１＋ １
槡 （ ２Ｔ·Ｃ／Ｎ０）
（ｍ） （５）
σｔＦＬＬ ＝ λ
２πＴ
４Ｆ·Ｂｎ
Ｃ／Ｎ０
１＋ １
槡 （ Ｔ·Ｃ／Ｎ０）
（ｍ／ｓ）（６）
由式（５）、式（６）可以看出Ｃ／Ｎ０
高则ＰＬＬ和
ＦＬＬ的热噪声抖动误差小。因此，可以说北斗卫
星发播的导航信号相比ＧＰＳ卫星更有利于提高用
户端的测距和测速精度。
５）ＧＰＳ首次定位时间长，最短热启动后处理
时间也需要１０多秒。而北斗ＲＤＳＳ定位体制，用
户只需捕获响应两颗卫星的信号，主控站就能进行
定位解算，并将结果发送给用户，全部过程只需１ｓ
钟就可完成，首次定位速度比ＧＰＳ快，特别适合空
军救生和其它遇险救生等特殊情况下的应用需要。
６）北斗系统采用ＲＤＳＳ和ＲＮＳＳ相结合的定
位体制，集导航定位、授时和短报文通信三大功能
于一体，在定位的同时还能够实现多种形式的位置
图２　北斗卫星与ＧＰＳ卫星信号载噪比对比
报告，便于监控指挥和态势跟踪与共享，成为现代
信息化作战中通信系统和数据链的有力补充。而
ＧＰＳ只有ＲＮＳＳ定位体制，没有短报文通信功能，
必须借助其它通信系统实现位置报告，而在海洋、
陆地偏远地区通信是十分困难的。
７）北斗系统是我国自主控制的系统，不受制
于人，这对于一些事关国民经济发展和保障人民正
常生活的行业应用非常重要，如地面移动通信网、
电力以及金融行业，民用单频定位精度与ＧＰＳ相
当，使用上具有防欺骗能力，有较高的使用安全性，
可以在上述领域大力推广使用。而ＧＰＳ受美国军
方控制，且已具备有多种对ＧＰＳ民用信号的控制
手段，如降低精度、区域关闭等。虽然２０００年５月
取消了ＳＡ 政策，但没有承诺对用户的安全使用。
因此，我国在民用领域，特别是关系国家经济安全
的领域，使用ＧＰＳ仍存在较大风险。
８）北斗系统可以和ＧＰＳ一起被用户实现兼
容定位，从而进一步提高定位精度。同时，由于空
间卫星数目的增加，即北斗卫星＋ＧＰＳ卫星，使得
城市楼宇间用户可见卫星数增加，增强了定位可靠
性。图３是２０１１年６月１９日—２５日接收机分别
进行ＧＰＳ、北斗单独短基线相对动态定位和ＧＰＳ
＋北斗兼容短基线相对动态定位的精度统计图，图
图３　北斗＋ＧＰＳ与单北斗或ＧＰＳ短基线
相对定位精度比较图
第４期　　　　　　　　　　　　周　兵等：北斗系统与ＧＰＳ应用比较分析 ·７·
中Ｇ表示利用ＧＰＳ单独定位、Ｃ表示利用北斗系
统单独定位、Ｃ＋Ｇ 表示利用北斗＋ＧＰＳ兼容定
位。从图中可以看出，北斗＋ＧＰＳ兼容定位相比
ＧＰＳ单独定位，精度提高２０％．
２　北斗系统的未来发展
与美国的ＧＰＳ相比，我国的北斗系统虽然在
用户应用方面存在上述一些优势，但必须承认与
ＧＰＳ还有一定的差距，需要学习其先进技术，不断
发展完善自己，并不断寻求突破和创新。
目前的北斗卫星导航系统仍是一个服务区较
北斗一代系统扩大三倍的区域系统，未来北斗卫星
导航系统将发展成为面向全球提供服务的系统，真
正成为全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）家族中的重要
成员。北斗卫星导航系统将在继承中发展，不断巩
固和发挥北斗ＲＤＳＳ和ＲＮＳＳ两种定位体制结合
的优势，并将ＲＤＳＳ扩展，在更大的服务区范围内
实现位置报告和短报文通信。同时，利用ＲＤＳＳ入
站链路，将接收机开机所取得的多颗卫星的伪距传
到主控站进行解算，摆脱ＲＤＳＳ对数字高程库的依
赖，将位置信息发给用户，实现快速精确定位［４］。
北斗卫星导航系统还将一方面完善星座，同时增加
新调制方式的信号，实现与其它ＧＮＳＳ的兼容互
操作；另一方面进一步提高导航定位精度，增强系
统功能，以适应未来ＧＮＳＳ发展的需要。
３　结　论
经过二十多年艰苦卓绝的奋斗，我国的北斗卫
星导航系统建设已取得了令人瞩目的成果，在某些
应用领域可以完全摆脱ＧＰＳ独立使用，北斗卫星
导航信号单频定位和单频加广域差分定位都具有
很高的精度，而且北斗ＲＤＳＳ 定位速度快，与
ＲＮＳＳ定位体制的结合，可实现多种形式的位置报
告，在指挥控制和态势跟踪与共享等方面较ＧＰＳ
应用优势突出；同时，北斗系统自主可控成为其在
我国用户应用中最重要的优势。北斗与ＧＰＳ兼容
使用，更进一步提高了用户定位精度和可靠性。未
来的北斗卫星导航系统在向全球系统发展的同时，
不断出现新的应用领域，最终与ＧＰＳ形成有力竞
争。
参考文献
［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原理与应用［Ｍ］．邱致和，王万
义，译．北京：电子工业出版社，２００２．
［４］　谭述森．广义ＲＤＳＳ全球定位报告系统［Ｍ］．北京：国
防工业出版社，２０１１．
作者简介
周　兵　（１９５７－），男，江苏阜宁人，研究员，
主要研究方向为卫星导航系统工程、信号体制和抗
干扰技术。
陈向东　（１９７０－），男，江苏徐州人，高级工程
师，主要研究方向为卫星导航系统信号体制和用户
终端技术。
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＢｅｉＤｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ
Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＧＰＳ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＺＨＯＵ　Ｂｉｎｇ１，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ１，ＺＨＡＯ　Ｑｉｌｅ２
（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＧＮＳＳ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｅｉＤｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ
ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｈａｓ　ｔｅｎｔａｔｉｖｅｌｙ　ｏｐｅｒａｔｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ＢｅｉＤｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＧＰＳ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｆｒｏｍ　ｕｓｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｏｕｒ
ｃｏｕｎｔｒｙ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｗａｖｅ　ｔｏ　ｎｏｉｓｅ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
　ｍｏｄｅ　ｅｔｃ．．Ｓｏｍｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｆ　ＢｅｉＤｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ
　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｅｎｔａｔｉｖｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｈｏｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　Ｂｅｉ－
Ｄｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＢｅｉＤｏｕ／Ｃｏｍｐａｓｓ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ＧＰＳ；ｕｓｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｔｒｅｎｄ
·８· 全　球　定　位　系　统 第３７卷】
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