北斗导航系统与GPS导航系统的比较

中国北斗定位系统与美国GPS比较学院空间科学与技术学院专业空间科学与技术学生姓名杜苏学号1513122924老师张华副教授一、全球卫星定位系统介绍GPS系统概念全球定位系统（NAVSTARGPS，NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem，以下简称GPS）是一个中距离圆型轨道卫星定位系统。该系统是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制于1994年全面建成，原是美国国防部为了军事定时、定位与导航的目的所发展，希望以卫星导航为基础的技术可构成主要的无线电导航系统，未来并能满足下一个世纪的应用。第一颗GPS卫星在1978年发射，首十颗卫星称为BLOCKI试验型卫星，从1989年到1993年所发射的卫星称为BLOCKII/IIA量产型卫星，第二十四颗BLOCKII/IIA卫星在1994年发射后，GPS已达到初步操作能力（InitialOperationalCapability，IOC），24颗GPS卫星提供全世界24小时全天候的定位与导航信息。美国空军太空司令部于1995年4月27号宣布GPS已达到完整操作能力（FullOperationalCapability），将BLOCKI卫星加以汰换而24颗卫星全部为BLOCKII/IIA卫星，之后又发射四颗BLOCKIIA及一颗BLOCKIIR卫星，成功地满足军事实务的操作。由于此技术的迅速发展，使得民间应用的需求与日遽增，对于传统导航方式更有革命性的影响。全球卫星定位系统实际上是由24颗卫星所组成，其中有3颗为备用卫星，这些卫星分布于距地表20,200公里的上空，而且分属于6个轨道面；卫星轨道面倾斜角为55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持续不断的定位讯号。这些卫星每11小时58分环绕地球一次，即每天绕过您的头顶二次，就像是月球一样不停地绕着地球旋转，其速度约每秒1.8里。这些卫星需要地面管制站随时加以监控是否GPS卫星在其正确的轨道上及正常运作，另外监控中心可上传资料给卫星，卫星再将这些信息下传给GPS使用者使用。地面共有五个监控中心，四个上传资料站及一个控制中心，这些控制站以纬度来划分其所控制的卫星。在概念上﹐GPS是代表着整个系统﹐包括天空上的卫星、地面控制站及GPS接收机。不过一般而言﹐GPS即意指一个GPS接收机﹐这是因为我们在使用上多半只会接触GPS接收机的缘故。一般所使用之GPS接收机在任何时刻接收到4颗或更多的卫星。使用者只需拥有GPS接收机，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（sps,standardpositioningservice)和军规的精密定位服务（pss,precisepositioningservice)两类。民用讯号中加有误差，其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。GPS系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统(DifferentialGPS),简称DGPS。亦即利用附近的已知参考座标点(由其它测量方法所得),来修正GPS的误差。再把这个即时(realtime)误差值加入本身座标运算的考虑,便可获得更精确的值。GPS有2D导航和3D导航之分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。二、北斗卫星导航定位系统介绍北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十柰秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。三颗导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，第三颗是备用卫星系统构成与工作原理北斗卫星导航定位系统的系统构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。三、北斗星导航系统与GPS系统比较1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°—140°，北纬5°—55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。4、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。5、用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。6、生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。7、实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。四、北斗应用优势分析相比较而言,北斗导航系统的应用具有以下优势：(一)同时具有定位和通信功能,不需要其他的通信系统支持,而GPS则没有通信功能北斗不仅仅解决了“我在哪里”,还解决“你在哪里”的问题,还能高效快捷地实现“我”和“你”之间的信息报文传递。这一特有功能,是各种导航系统在实践中用得最多最好、最受欢迎的创新优势。系统用户终端机具有双向报文通信功能,用户一次可以传送40到60个汉字的短报文信息,经过授权,可实现最多120个字的通信。北斗的用户终端实际上是具有收发功能的,北斗是一个具有定位和通信双重功能的设备。(二)目前的北斗终端机能够同时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及其他导航系统资源,使之应用更加丰富。(三)自主系统,安全、可靠、稳定,保密性强,适合在关键部门应用。