北斗導航系統(tǒng)與全球定位導航系統(tǒng)(GPS)的比較及優(yōu)勢分析

李雪

摘要：北斗導航系統(tǒng)和全球定位導航系統(tǒng)（GPS）是被國際認可的四大定位導航系統(tǒng)中的兩個，另外兩個分別是俄羅斯的GLONASS和歐盟的GALILEO。本文重點對比了北斗和GPS的特點以及各自的優(yōu)勢。

關鍵詞：北斗;GPS;定位;導航

前言

20世紀70年代美國海陸空三軍開發(fā)了第一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，再經過20余年的發(fā)展，覆蓋全球的GPS衛(wèi)星星座布局完成，美國在全球定位領域實現技術壟斷和商業(yè)壟斷。在上世紀末的一場戰(zhàn)爭中，美軍利用GPS系統(tǒng)對敵軍實現精準打擊，讓我國深刻意識到自主研發(fā)全球定位導航系統(tǒng)的重要性和必要性。因此，1994年我國啟動了北斗一號工程，2004年啟動北斗二號工程，2009年啟動北斗三號工程，如今即將完成，計劃在2020年底之前實現衛(wèi)星組網，全面完成北斗三號的建設，完成全球覆蓋。

1北斗導航系統(tǒng)和GPS的比較分析

1.1系統(tǒng)架構

北斗導航系統(tǒng)和GPs的架構是一致的，都包含空間部分、地面部分和用戶設備?？臻g部分指的是運行在太空軌道中的多顆衛(wèi)星，地面部門是建立在地球上的監(jiān)測站、接收站和主控臺，用戶設備就是使用定位導航系統(tǒng)的終端設備。

1.2定位原理

GPS的發(fā)展比北斗早了幾十年，使用的是被動式單向測距三維導航算法，用戶設備只需要接收四個衛(wèi)星的位置信息就可以運算得出自己所在的位置。北斗的發(fā)展過程中，定位的原理是發(fā)了很大變化的。最早期北斗一號，限于當時我國的國力和經濟條件，使用的是兩顆衛(wèi)星的定位方法，地面設備還需要自備高度測試儀器，解算出位置信息再發(fā)給用戶，而且導航衛(wèi)星也只能處于高軌道運行。到了北斗二號時，衛(wèi)星數量得到補充，在兼容北斗一號的基礎上，增加了無源定位體制，北斗導航系統(tǒng)開始采用衛(wèi)星無線電測定和衛(wèi)星無線電導航結合的機制，不但可以像GPs一樣提供定位導航服務，還能夠發(fā)送位置報告和短報文通信。計劃2020年完成的北斗三號，將繼承有源定位和無源定位，完全實現全球定位導航，同時具備其特色的短報文功能，并在精度上逼近GPS導航系統(tǒng)。

1.3星體軌道

GPS的24顆衛(wèi)星位于地球的中軌道上，距離地表約兩萬千米。GPS的24顆衛(wèi)星均勻的分布在六個軌道平面上，軌道角度55°，這樣的衛(wèi)星星座圖實現了地表上任意位置均能觀測到四顆以上的衛(wèi)星，確保了定位精度。實際上GPS的衛(wèi)星數量是超過24顆的，多余的是作為備用衛(wèi)星使用。北斗導航系統(tǒng)的星體軌道也是經歷了兩代的發(fā)展，北斗一號最開始是雙星定位，在高軌道運行。到了北斗二代已經將一代的模式淘汰了，隨著我國國力增強，衛(wèi)星數量可以滿足全球定位的要求，衛(wèi)星也不必在高軌道運行。目前我國實際在軌運行的衛(wèi)星數量已經超過24顆，均位于中軌道，具體數量隨著北斗的系統(tǒng)建設逐年增加，截至目前已升空的北斗衛(wèi)星數量達到54顆，最后第55顆衛(wèi)星將于今年五月份發(fā)射，完成整個北斗三號的工程。

1.4覆蓋范圍

GPS早在20世紀末期就實現了全球98%以上區(qū)域的覆蓋，因此應用也最為廣泛。北斗的發(fā)展較晚，北斗一號是我國在全球定位導航系統(tǒng)領域的嘗試，到了北斗二號開始實現區(qū)域覆蓋，由我國領土像東南亞地區(qū)輻射開來，然后是一帶一路國家。北斗三號衛(wèi)星組網建成后，將徹底實現全球范圍內的覆蓋應用，縮小和GPS的差距。

1.5系統(tǒng)實時性

北斗一號屬于有源定位系統(tǒng)，實時性比較差，用戶需要發(fā)送定位請求給控制中心，控制中心解算完后再回發(fā)給用戶。北斗一號的延時較長，對于高速移動的物體，定位誤差就會變得很大。北斗二號和GPs主要采用的都是無源定位，位置的解算都是由用戶設備完成的，實時性比較高。

1.6定位精度

全球定位導航系統(tǒng)衛(wèi)星中最重要的部件就是原子鐘，也是決定系統(tǒng)定位精度的決定因素。我國在原子鐘上的發(fā)展遠遠落后于美國，所以北斗比GPS的定位精度要差一些。美國的原子鐘目前可以做到2000萬年誤差不超過1s，我國近些年發(fā)展原子鐘技術也取得了很大的進步，可以自主研制出300萬年誤差1s的原子鐘，結合北斗三號部署的多衛(wèi)星系統(tǒng)，正在逐步縮小精度方面的差距。GPS衛(wèi)星全部更新完畢后可以實現的精度為軍用0.3m，北斗三號計劃指標為2.5-5m，至于民用精度則根據對應系統(tǒng)開放的權限而定，此外綜合定位精度可以達到厘米甚至是毫米級別。

1.7用戶容量

我國開始研制北斗時，GPS已經實現了商用。GPS為無源定位，理論上的用戶容量是無限大的。北斗一號是有源定位，用戶容量十分有限，但是更迭到北斗二號和北斗三號后，結合了無源定位技術后，北斗導航系統(tǒng)的用戶容量也擴大到了無限大，所以這方面二者是差別不大的。

1.8通信功能

GPS是單向測距的模式，并不具備通信功能。從北斗一號開始，通信功能就是其一大特色。發(fā)展到北斗三號，通信功能依舊被保留下來，可以在實現定位的同時，將位置信息通過衛(wèi)星發(fā)送給目標設備。

1.9性價比

GPS由于發(fā)展早，壟斷市場長達幾十年，技術和模塊都十分成熟，市場上主要的定位導航模塊基本都是基于GPS來開發(fā)的。北斗的市場普及度遠不及GPS，很多終端模塊還處于開發(fā)階段，所以在性價比上，北斗是不如GPS的。但是考慮到未來的國際關系變化，北斗的普及也是一個勢不可擋的趨勢。

2結束語

北斗導航系統(tǒng)還有很長的路要走，我國仍需大力發(fā)展原子鐘技術和芯片技術，期待有朝一日北斗系統(tǒng)能夠完全趕超GPs，提升我國的國際地位并帶來巨大的經濟效益。