北斗衛星導航系統與GPS全球定位系統的比較

陳德旭+王成皇

摘 要：我國的北斗衛星導航系統和美國的GPS雖然都是衛星定位導航系統，但是它們在各方面都有著較大的差異，本文首先介紹了GPS和北斗衛星導航系統，進而從衛星數量、軌道特性、定位原理、用戶容量和定位精度等方面探討了二者之間的差別。

關鍵詞：北斗衛星導航系統 GPS全球定位系統 北斗與GPS的差異

一、GPS全球定位系統

目前世界使用最多的全球衛星導航定位系統是美國的GPS系統，由美國國防部于20世紀70年代初開始設計并研制，于1993年全部建成。1994年，美國宣布在10年內向全世界免費提供GPS使用權，但美國只向外國提供低精度的衛星信號。而且一旦發生戰爭，美國可以關閉該系統對某地區的信息服務。

GPS是世界上第一個成熟、可供全民使用的全球衛星定位導航系統。該系統由28顆中高軌道衛星組成，其中4顆為備用星，均勻的分布在6個等間隔的近圓軌道上，每個軌道分布4顆衛星。衛星軌道高度約為20220Km，軌道傾角為55度，軌道周期為12小時，該衛星星座的分布示意圖如圖所示。該衛星星座分布使得在全球的任何地方、任何時間都可以觀測到4顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形。GPS標準定位服務空間信號的水平位置精度為13米（95%），垂直高度精度22米（95%），時間同步精度為40納秒（95%）。

二、北斗

北斗衛星導航系統是中國正在自主實施發展的和獨立運行的區域性有源三維衛星定位與通信系統，該系統已于2004年正式立項并開始建設。在體制上，北斗與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟建設中的Galileo一樣，同屬于RNSS S（Radio Navigation Satellite System）。

北斗導航系統由三部分組成，分別是地面段、用戶段和空間段。地面段包括如主控站、監測站和注入站等若干地面站，用戶段包括如北斗用戶端以及兼容其他衛星系統的終端，空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。北斗導航系統提供高質量導航、定位以及授時服務，包括了授權服務和開放服務兩種方式。授權服務向有精度高、可靠性高的衛星導航需求的用戶，提供速度測量、授時、定位與通信的服務以及系統的完好性信息。開放服務為全球免費提供速度測量、授時和定位服務，定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時精度為10納秒。

北斗衛星導航系統在鐵路智能交通、同步授時和精密測量等方面提供完善的服務。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，將建成由30余顆衛星組成的北斗全球衛星導航系統，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務。

三、北斗與GPS的差異

在全球衛星定位系統方面，現在使用范圍最廣的就是美國的GPS全球定位系統，我國自行研制的“北斗一號”和美國的GPS雖然都是衛星定位、導航系統，但是它們在各方面都有著較大的差異，這種差異主要體現在以下幾個方面：

1.首先都是導航定位系統，采用的定位技術不同，定位的范圍也有區別。北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統。覆蓋范圍約東經70度到140度，北緯5度到55度；GPS是覆蓋全球的全天候定位系統。目前，北斗還不是全球定位，當然北斗開始的晚，部署需要時間，GPS也用了20年時間才布置完畢全天候覆蓋全球的。

2.其次，二者的定位理論不同，北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。由地面中心控制系統解算，再向用戶提供三維定位數據；而GPS已經部署完畢由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。所以北斗衛星導航定位系統定位理論更新，可以用于國家經濟建設，為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務，應用前景十分廣闊。

3.衛星數量和軌道特性：北斗衛星導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星且兩顆衛星間的赤道角距約六十度。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角五十五度，軌道面赤道角距六十度，為準同步軌道，繞地球一周11h58min。

4.定位精度：我們的北斗系統可以對所有終端機進行監控管理，就這一點GPS就根本不可能做到。可以通過確定用戶地理位置，為用戶及主管部門提供導航。水平定位精度100米，差分定位精度小于20米。定位響應時間：Ⅰ類用戶5秒；Ⅱ類用戶2秒；Ⅲ類用戶1秒。定位更新時間小于1秒，一次性定位率達百分之九十五。GPS三維定位精度P碼目前己由16米提高到6米，C/A碼目前己由25-100米提高到12米，授時精度目前約20納秒。

5.用戶容量：北斗衛星導航系統具有用戶之間、用戶和地面控制中心之間雙向數字報文通信能力，通常每次能通信三十六個漢字，核準過的用戶使用連續通信方式最多能通信一百二十個漢字。北斗衛星導航系統有兩種精密授時功能：單向和雙向，依據具體的精度需求，利用定時用戶終端，完成與北斗衛星導航系統之間時間和頻率同步，提供100ns（單向授時）和10ns（雙向授時）的時間同步精度。GPS全球定位系統是單向測距系統，用戶只要單向使用設備接收GPS發出的導航電文即可進行測距定位，所以GPS全球定位系統的用戶設備容量沒有上限。

四、總結

北斗衛星導航系統雖然和GPS全球定位系統相比有一定的差距，但是隨著北斗衛星導航系統的建設發展，北斗衛星導航系統填補了中國沒有自主衛星導航系統的空白。北斗衛星導航系統的快速發展，得益于中國的改革開放政策和經濟持續發展，中國將一如既往地推動全國衛星導航系統建設和產業發展，鼓勵運用衛星導航新技術，提供新服務，滿足人們不斷增長的多樣化需求。同時，將積極推動國際交流與合作，實現北斗衛星導航系統與世界其他衛星導航系統的兼容與互操作，為全球用戶提供高性能、高可靠的定位、導航與授時服務。