摘 要:本文基于筆者從事導航系統(tǒng)應用的相關工作經(jīng)驗，以北斗與GPS導航定位系統(tǒng)之間的對比為研究對象，論文首先分析了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作原理，進而從衛(wèi)星數(shù)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，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:GPS 北斗 導航 定位 對比

中圖分類號:P2\t\t\t文獻標識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0060-01

北斗一號衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的英文簡稱為BD，在ITU(國際電信聯(lián)合會)登記的無線電頻段為L波段(發(fā)射)和S波段(接收)。其基本功能包括:定位、通信(短消息)和授時。2000年10月和12月，我國兩次成功發(fā)射“北斗一代”導航試驗衛(wèi)星，為我國“北斗”導航系統(tǒng)建設奠定了基礎。雙星導航定位系統(tǒng)是全天候、全天時提供衛(wèi)星導航信息的區(qū)域性導航系統(tǒng)。北斗二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的英文為Compass(即指南針)，在ITU登記的無線電頻段為L波段[1]。其功能與GPS相同，即定位與授時。

2010年1月17日凌晨，北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第三顆衛(wèi)星成功發(fā)射。這也預示著北斗二代進入了加速組網(wǎng)階段。2010年11月1日00:26我國成功將第四顆“北斗二代”導航衛(wèi)星送入太空。

1 “北斗”定位系統(tǒng)的定位原理及系統(tǒng)組成

1.1 “北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位原理

“北斗一號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位原理與GPS系統(tǒng)不同，GPS采用的是被動式偽碼單向測距三維導航，由用戶設備獨立解算自己的三維定位數(shù)據(jù)，而“北斗一號”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)則采用主動式雙向測距二維導航，由地面中心控制系統(tǒng)解算供用戶使用的三維定位數(shù)據(jù)?！氨倍贰毙l(wèi)星是中國“北斗”導航系統(tǒng)空間段組成部分，由兩種基本形式的衛(wèi)星組成，分別適應于GEO和MEO軌道?！氨倍贰睂Ш叫l(wèi)星由衛(wèi)星平臺和有效載荷兩部分組成。衛(wèi)星平臺由測控、數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)與軌道控制、推進、熱控、結(jié)構和供電等分系統(tǒng)組成。有效載荷包括導航分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)。GEO衛(wèi)星還含有RDSS有效載荷。因此，“北斗”衛(wèi)星為提供導航、通信、授時一體化業(yè)務創(chuàng)造了條件。

1.2 系統(tǒng)組成

北斗雙星導航系統(tǒng)主要由空間部分、地面中心控制系統(tǒng)和用戶終端3個部分組成。空間部分由軌道高度為36000km的2顆工作衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星組成(一個軌道平面)，其坐標分別為(80°E，0°，36000km)、(140°E，0°，36000km)、(110.5°E，0°， 36000km)。衛(wèi)星不發(fā)射導航電文，也不配備高精度的原子鐘，只是用于在地面中心站與用戶之間進行雙向信號中繼。衛(wèi)星電波能覆蓋地球表面42％的面積，其覆蓋的經(jīng)度為100°，緯度為N81°～S81°。

地面中心控制系統(tǒng)是北斗導航系統(tǒng)的中樞，包括1個配有電子高程圖的地面中心站、地面網(wǎng)管中心、測軌站、測高站和數(shù)十個分布在全國各地的地面參考標校站，主要用于對衛(wèi)星定位、測軌，調(diào)整衛(wèi)星運行軌道、姿態(tài)，控制衛(wèi)星的丁作，測量和收集校正導航定位參量，以形成用戶定位修正數(shù)據(jù)并對用戶進行精確定位。用戶終端為帶有定向天線的收發(fā)器，用于接收中心站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號和向中心站發(fā)射通信請求，不含定位解算處理功能。

時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng):時間系統(tǒng)采用UTC(世界協(xié)調(diào)時)，坐標系統(tǒng)采用1954年北京坐標系和1985年中國國家高程系統(tǒng)。未來的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(COMPASS)將由分布在3個軌道面上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星(MEO)和均勻分布在一個軌道面的5顆地球同步衛(wèi)星構成。非靜止軌道上，每個軌道面10顆衛(wèi)星，其中1顆為備用，軌道傾角為56°。衛(wèi)星軌道半長軸約為2.7萬km。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作過程

地面控制中心向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶申請的服務內(nèi)容進行相應的數(shù)據(jù)處理。對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲:即從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲;和從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達用戶，用戶發(fā)出響應信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，可以由上述兩個延遲量計算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和。從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上;另外，中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。因此，中心控制系統(tǒng)利用數(shù)值地圖可計算出用戶所在點的三維坐標，并與相關信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給用戶或收件人。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的工作步驟如下。

(1)地面控制中心向2顆衛(wèi)星發(fā)送詢問信號;(2)衛(wèi)星接收到詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務區(qū)用戶播送詢問信號;(3)用戶響應其中1顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向2顆衛(wèi)星發(fā)送回應信號;(4)衛(wèi)星收到用戶響應信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送回地面控制中心; (5)地面控制中心收到用戶的響應信號，解讀出用戶申請的服務內(nèi)容;(6)地面控制中心利用數(shù)值地圖計算出用戶的三維坐標位置，再將相關信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星; (7)衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來的坐標資料或通信內(nèi)容后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給用戶或收件人。

3 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的比較

3.1 衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性的對比

北斗導航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛(wèi)星顆衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛(wèi)星為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。

3.2 定位原理的對比

北斗導航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數(shù)據(jù)?！氨倍芬惶枴钡倪@種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由于設備必須包含發(fā)射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。

3.3 定位精度的對比

北斗導航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25m～100m提高到12m，授時精度日前約20ns。二代“北斗”可以稱為“中國的GPS”，不過它仍然會比GPS多一個通訊為發(fā)展我國二代“北斗”的關鍵技術提供了準備。定位的“北斗”一號備份衛(wèi)星上新裝載了用于衛(wèi)星定位的激光反射器，能夠參照其他星，把自身位置精確定格在幾個厘米的尺度以內(nèi)。這顆衛(wèi)星已定位成功，表明這種技術是有效而可靠的。

參考文獻

[1]\t呂偉，朱建軍.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].科技資訊，2007(3).

[2]\t魏武財.北斗導航系統(tǒng)原理研究[J].科技創(chuàng)新導報，2003(6).