GPS与北斗卫星导航系统异同分析

摘 要：随着我国自主建设的北斗卫星导航系统已投入试运行服务，我国的综合国力大大增强。该文详细介绍了GPS与北斗卫星导航系统的系统组成、工作原理及功能。同时具体分析了GPS与北斗卫星导航系统的异同，指出了北斗系统的未来发展趋势。

关键词：GPS 北斗卫星导航系统 对比 发展

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-0-01

1 GPS系统简介

1.1 GPS系统组成

GPS定位系统是一种卫星无线电导航系统，它由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS的空间部分是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，它位于距地表20200 km的上空，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。地面监控部分主要由1个主控站、3个注入站、5个监测站组成，主要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。用户接收机主要接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息，经信号变换、放大和处理，完成定位、导航、跟踪、测绘及定时工作。

1.2 GPS系统工作原理

GPS导航系统的基本原理是测出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可以知道接收机的具体位置。卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。当GPS卫星正常工作时，会不断地用二进制码元组成的伪码发射导航电文。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

2 北斗卫星导航系统简介

2.1 北斗卫星导航系统组成及功能

北斗卫星导航系统（Compass）是我国自行研制开发、独立运行的全球卫星导航系统。与美国GPS、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、欧盟伽利略（GALILEO）系统并称全球四大卫星导航系统。该系统由空间部分、地面中心控制系统和用户终端3个部分组成。空间部分包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面中心控制系统是北斗导航系统的中枢，包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧盟“伽利略”等其他卫星导航系统兼容的终端组成。它可以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，并兼具短报文通信能力。卫星导航系统可以为各行各业提供高精度定位、测速服务。

2.2 北斗卫星导航系统的工作过程

地面控制中心向2颗卫星同时发送询问信号，卫星接收到询问信号；经卫星转发器向服务区用户播送询问信号；用户响应其中l颗卫星的询问信号，并同时向2颗卫星发送回应信号；卫星收到用户响应信号后，经卫星转发器发送回地面控制中心；地面控制中心收到用户的响应信号，解读出用户申请的服务内容；地面控制中心利用数值地图计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息或通信内容发送到卫星；卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器传送给用户或收件人。通过此过此过程，北斗卫星导航系统可以实现精确定位、短信导航、精密授时等功能。

3 GPS与北斗导航系统异同分析

3.1 卫星数量与轨道分布的对比

GPS系统由24颗卫星构成，分别在六个地心轨道面内，每个面内有四颗卫星工作，其中一颗是备份星。卫星的轨道周期为半个太阳日，六个轨道均为圆轨道，在赤道面上是等间隔60 °分隔，与赤道呈55 °倾角。北斗卫星导航系统的空间段有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地球静止轨道卫星分别位于东经58.75 °、80 °、110.5 °、140 °和160 °，非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。

3.2 定位原理和精度的对比

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。定位精度P码目前已由16 m提高到6 m，C/A码目前已由25～100 m提高到l2 m，授时精度日前约20 ns。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。定位精度约几十米，授时精度约100 ns。二代“北斗”可以称为“中国的GPS”。

3.3 功能的对比

GPS用户设备用于接收来自卫星星座信号，并计算出所需的位置、速度和时间信息。GPS提供标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）两种服务。而北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定（RDSS）与卫星无线电导航（RNSS）集成体制，既能像GPS系统一样为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告及短报文通信功能。

4 北斗系统的未来发展

北斗卫星导航系统是保障中国经济安全和国土安全的重要设施，是我国战略可持续发展的战略选择。与美国的GPS相比，我国的北斗系统虽然存在着优势，但仍有一定的差距和不足，需要不断发展完善，寻求突破和创新。目前的北斗卫星导航系统是一个服务区较北斗一代系统扩大三倍的区域系统，它能够提供导航定位、授时等通信一体服务，但还应该在技术上有所创新。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。北斗系统将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、短报文通信、快速定位等功能。

北斗卫星导航系统还将完善星座，增加新调制方式的信号，实现与其他GNSS的兼容互操作功能；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，此外，还应该完善导航政策和技术标准，加强管理和服务观念。相信在我国科技人员的共同努力下，北斗系统必将成为国际导航系统的贡献者。

参考文献

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