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        北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS全球定位系統(tǒng)的比較

        2017-07-19 00:25:59陳德旭王成皇
        科學與財富 2017年19期

        陳德旭+王成皇

        摘 要:我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和美國的GPS雖然都是衛(wèi)星定位導航系統(tǒng),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(wèi)星導航系統(tǒng),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。

        關鍵詞:北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) GPS全球定位系統(tǒng) 北斗與GPS的差異

        一、GPS全球定位系統(tǒng)

        目前世界使用最多的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是美國的GPS系統(tǒng),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(wèi)星信號。而且一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,美國可以關閉該系統(tǒng)對某地區(qū)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(wèi)星定位導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由28顆中高軌道衛(wèi)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(wèi)星。衛(wèi)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(wèi)星星座的分布示意圖如圖所示。該衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星導航系統(tǒng)是中國正在自主實施發(fā)展的和獨立運行的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),該系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(wèi)星系統(tǒng)的終端,空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。北斗導航系統(tǒng)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(wèi)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(tǒng)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(wèi)星導航系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)建設總體規(guī)劃,2012年左右,系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)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(wèi)星組成的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),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(wèi)星定位系統(tǒng)方面,現(xiàn)在使用范圍最廣的就是美國的GPS全球定位系統(tǒng),我國自行研制的“北斗一號”和美國的GPS雖然都是衛(wèi)星定位、導航系統(tǒng),但是它們在各方面都有著較大的差異,這種差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

        1.首先都是導航定位系統(tǒng),采用的定位技術不同,定位的范圍也有區(qū)別。北斗導航系統(tǒng)是覆蓋中國本土的區(qū)域導航系統(tǒng)。覆蓋范圍約東經(jīng)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(tǒng)。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(tǒng)是主動式雙向測距二維導航。由地面中心控制系統(tǒng)解算,再向用戶提供三維定位數(shù)據(jù);而GPS已經(jīng)部署完畢由用戶設備獨立解算自己三維定位數(shù)據(jù)。所以北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)定位理論更新,可以用于國家經(jīng)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(yè)提供高效的導航定位服務,應用前景十分廣闊。

        3.衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性:北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛(wèi)星且兩顆衛(wèi)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(wèi)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(tǒng)可以對所有終端機進行監(jiān)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(wèi)星導航系統(tǒng)具有用戶之間、用戶和地面控制中心之間雙向數(shù)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(xù)通信方式最多能通信一百二十個漢字。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)有兩種精密授時功能:單向和雙向,依據(jù)具體的精度需求,利用定時用戶終端,完成與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(tǒng)是單向測距系統(tǒng),用戶只要單向使用設備接收GPS發(fā)出的導航電文即可進行測距定位,所以GPS全球定位系統(tǒng)的用戶設備容量沒有上限。

        四、總結

        北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雖然和GPS全球定位系統(tǒng)相比有一定的差距,但是隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設發(fā)展,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)填補了中國沒有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的空白。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速發(fā)展,得益于中國的改革開放政策和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展,中國將一如既往地推動全國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,鼓勵運用衛(wèi)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(xiàn)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)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。

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