北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统简要对比分析

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      摘 要：随着我国第三颗北斗卫星的升空，我国的北斗卫星导航系统工程建设又迈出了重要一步，卫星组网正按计划稳步推进，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。本文通过对比分析北斗导航卫星系统和GPS全球定位系统的系统和功能组成，给出我国北斗系统的应用优势。
      关键词：北斗卫星导航系统；GPS全球定位系统；授时；测距
      1 北斗卫星导航系统
      北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国GPS全球定位系统和俄国GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。
      1.1 系统介绍
      北斗导航系统是全天候、全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，该系统是由空间的导航通信卫星、地面控制中心和用户终端3部分组成：空间部分有2颗地球同步卫星，执行地面控制中心与用户终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，及整个工作系统的监控管理。其中，民用网管中心负责系统内民用用户的登记、识别和运行管理；用户终端是直接由用户使用的设备，用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，建设过程中主要遵循以下原则：
      1.1.1 开放性
      北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。
      1.1.2 自主性
      中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。
      1.1.3 兼容性
      在全球卫星导航系统国际委员会和国际电联框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。
      1.1.4 渐进性
      中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。
      1.2 主要功能
      北斗导航系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。
      1.2.1 快速定位
      确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100m，差分定位精度小于20m。定位响应时间：1类用户5s：2类用户2s：3类用户1s。最短定位更新时间小于1s。一次性定位成功率95%。
      1.2.2 简短通信
      北斗导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，一般1次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式还可以传送120个汉字。
      1.2.3 精密授时
      北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，利用定时用户终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供单向授时100 ns和双向授时20 ns的时间同步精度。
      2 GPS全球定位系统
      GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
      2.1 系统与功能介绍
GPS卫星导航系统主要由三部分组成：空间部分、地面控制系统和用户设备部分。
      2.1.1 空间部分
      GPS的空间部分是由24颗卫星组成其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
      2.1.2 地面控制系统
      地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。
      2.1.3 用户设备部分
      用户设备部分即GPS信号接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。与北斗卫星导航系统类似，GPS的主要功能有三点：导航、测量和授时。
      3 应用优势分析
      现阶段在个人消费领域的商业应用方面，GPS一直处于垄断地位，全球汽车导航中使用的基本都是GPS设备。随着北斗卫星导航系统的逐步建设，北斗系统将有希望打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。相比较而言，北斗应用具有以下五大优势：·同时具有定位与通信功能，不需要其他通信系统的支持，而GPS则没有通信功能。
      ·覆盖范围大，24小时全天候服务，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国也可为周边国家服务。
      ·特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。
      ·融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。
      ·自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。
      4 结论
      通过主要了解北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统的系统组成与功能，结合现今全球导航系统的发展需求，从市场发展来看，世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。我国建设北斗卫星导航系统的长远目标是建设覆盖全球、规模庞大、整体性强的卫星导航系统。