摘要： 本文在論述“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理和功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合全球定位系統(tǒng)的功能，分析了兩大系統(tǒng)的差別，指出了我國應(yīng)借鑒全球定位系統(tǒng)的經(jīng)驗，開發(fā)我國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。  

關(guān)鍵字： “北斗”衛(wèi)星定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) 衛(wèi)星導(dǎo)航 GPS   

1 引言

     2003年5月25日零時34分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運(yùn)載火箭，成功地將第三顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星送入太空。前兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空，運(yùn)行至今導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定，狀態(tài)良好。這次發(fā)射的是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份衛(wèi)星。它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保全天候、全天時的提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。這標(biāo)志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）之后，在世界上第三個建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，該系統(tǒng)的建立對我國國民國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)將起到積極作用。

2 “北斗星”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理和功能

    “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，所以用戶隨時都可以接收到衛(wèi)星廣播的詢問信號，服務(wù)范圍以我國大陸地區(qū)為主。其定位原理是：采用3球交會測星原理進(jìn)行定位，以2顆衛(wèi)星為球心，2球心至用戶的距離為半徑，可畫出2個球面，另一個球面是以地心為球心，畫出以用戶所在位置點至地心的距離為半徑的球面，3個球面的交會點即為用戶的位置。

    “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是由太空的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和客戶端三部分組成：太空部分有2顆地球同步軌道衛(wèi)星，執(zhí)行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務(wù)；地面控制中心包括民用網(wǎng)管中心，主要負(fù)責(zé)無線電信號的發(fā)送接收，及整個系統(tǒng)的監(jiān)控管，其中，民用網(wǎng)管中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)民用用戶的標(biāo)記、識別和運(yùn)行管理；客戶端是直接由用戶使用的設(shè)備，即用戶機(jī)，主要用于接收地面控制中心經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號。

     地面控制中心包括主控站、測軌站、測高站、校正站和計算中心。主要用來測量和校正導(dǎo)航定位參數(shù)，以便調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)行軌道、姿態(tài)，并編制星歷，完成用戶定位修正資料和對用戶進(jìn)行定位。簡單的說，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有快速定位、簡短通信和精密授時的三大主要功能。

    快速定位：快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導(dǎo)航信息。
簡短通信：用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信。
精密授時：中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)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(wù)區(qū)用戶播送詢問信號；
3）用戶響應(yīng)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(yīng)信號；
4）衛(wèi)星收到用戶響應(yīng)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(yīng)信號，解讀出用戶申請的服務(wù)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(biāo)位置，再將相關(guān)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(biāo)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(dǎo)航定位系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)之比較分析

3.1 覆蓋范圍
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國本土的區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)。覆蓋范圍東經(jīng)約70°～140°，北緯5°～55°。GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到4～11顆衛(wèi)星。

3.2 衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)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(shè)置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。

3.3 定位原理
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導(dǎo)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(dǎo)航。由用戶設(shè)備獨(dú)立解算自己三維定位數(shù)據(jù)。

3.4 定位精度
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)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碼目前已經(jīng)由25～100m提高到12m，授時精度日前約為20ns。

3.5 用戶容量
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問應(yīng)答系統(tǒng)，用戶設(shè)備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號，還要求用戶設(shè)備向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號，這樣，系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應(yīng)頻率。因此，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個用戶。而GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設(shè)備只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文即可進(jìn)行測距定位，因此GPS的用戶設(shè)備容量是無限的。

3.6 生存能力
     和所有導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)一樣，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對中心控制系統(tǒng)的依賴性明顯要大，因為定位解算在地面控制中心，而不是由用戶設(shè)備完成的。為了彌補(bǔ)這種系統(tǒng)易損性，GPS正在發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨(dú)立運(yùn)行。而“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統(tǒng)受損，系統(tǒng)就不能繼續(xù)工作了。

3.7 信息的實時性
     “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶的定位申請要送回地面控制中心，經(jīng)由中心控制系統(tǒng)解算出用戶的三維位置資料之后再發(fā)回用戶。無線電信號從地面發(fā)出，經(jīng)衛(wèi)星返回地面的上下行時間約為0.24～0.28秒，從用戶接收器應(yīng)答測距信號到接收定位結(jié)果，信號經(jīng)過兩次上下行鏈路的傳送，時間約需0.56秒，加上中心控制系統(tǒng)的計算時間，整個定位時間約需1秒鐘，即用戶接收器約可在1秒鐘完成定位。這1秒的定位時間對飛機(jī)、導(dǎo)彈這種高速運(yùn)動的用戶時間稍長，會加大定位的誤差，因此，若要利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，以車輛、船舶等慢速運(yùn)動的用戶較適合。而GPS由于是用戶自己解算，實時性比較高。

3.8 數(shù)據(jù)的共享性
     由于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是雙星系統(tǒng)，因此，共用戶接收器只能測得二維（平面）的定位數(shù)據(jù)。用戶若位于海平面上，因高度為零，可以直接求得三維（平面和高度）的定位數(shù)據(jù)；但用戶若位于陸地或空中，就需要利用地面控制中心的數(shù)值地圖資料厙或用戶自備的測高儀才能求得用戶的高度，并進(jìn)一步確定用戶的三維坐標(biāo)。若控制中心的數(shù)值地圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，尤其是要拿到非本國的地理精確數(shù)據(jù)并不容易，定位出的位置數(shù)據(jù)就會有問題。而GPS采用的是地心坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)的共享程度比較高。

3.9 通訊功能

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具有的短訊通訊功能是GPS所不具備的。這在軍事上有著特殊的用途。例如軍事指揮中心發(fā)出的各種指令經(jīng)“北斗”指揮型用戶機(jī)上傳至“北斗”衛(wèi)星接著轉(zhuǎn)給地面控制中心，再經(jīng)出站鏈路傳至“北斗”衛(wèi)星向目標(biāo)用戶轉(zhuǎn)發(fā)，使得軍事指揮中心可對其下屬用戶進(jìn)行指揮調(diào)度。另外，當(dāng)用戶提出申請或按預(yù)定間隔時間進(jìn)行定位時，不僅用戶知道自己的所在位置，而且指揮的上層單位或其他有關(guān)單位也可得知用戶所在位置。也就是說假如我國各級部隊配備“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統(tǒng)掌握部隊位置，并傳遞相關(guān)命令，對任務(wù)的執(zhí)行有相當(dāng)大的幫助。

     由于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的客戶端要請求定位服務(wù)時，必須發(fā)出應(yīng)答信號，即“有源應(yīng)答”，如果使用者是軍方單位就會使自身失去隱蔽性，而且這個定位服務(wù)要求的信號也可被敵方定位，而遭到攻擊。另外，在通訊時，由于每個客戶端都有專用識別碼，一旦被破解，很容易使整個系統(tǒng)被敵人或有心人士以偽冒信號加以飽和，使系統(tǒng)癱瘓或者是傳送假信息，迷惑友軍。這也是“北斗”衛(wèi)星定位系統(tǒng)的致命所在。

3.10 性能價格比

    “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用的衛(wèi)星是同步軌道衛(wèi)星，這意味著落地信號功率很小，因此，用戶機(jī)需要有較大天線（直徑達(dá)20厘米）才能接收信號，而且因“有源應(yīng)答”運(yùn)作方式，所以，用戶機(jī)還要包含發(fā)射機(jī)，因此在體積（普通型用戶機(jī)長20厘米、寬17.5厘米、高5.2厘米）、重量、耗電量，甚至價格都遠(yuǎn)比GPS接收機(jī)來得大、重、耗電與昂貴，這就限制了它的使用范圍。

4 結(jié)束語

    綜上所述，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)雖然和GPS全球定位系統(tǒng)相比有一定的差距，但是它具有衛(wèi)星數(shù)量少、投資小、用戶設(shè)備簡單價廉、能實現(xiàn)一定區(qū)域的導(dǎo)航定位、通訊等多用途，可滿足當(dāng)前我國陸、海、空運(yùn)輸導(dǎo)航定位的需求。更重要的是，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨(dú)立自主建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的研制成功標(biāo)志著我國打破了美、俄在此領(lǐng)域的壟斷地位，解決了中國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初步起步系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)并不排斥國內(nèi)民用市場對GPS的廣泛使用。相反，在此基礎(chǔ)上還可建立中國的GPS廣域差分系統(tǒng)。可以使GPS民用碼接收機(jī)的定位精度由百米級修正到數(shù)米級，可以更好的促進(jìn)GPS在民間的利用。當(dāng)然，我們也需要認(rèn)識到，隨著我軍高技術(shù)武器的不斷發(fā)展，對導(dǎo)航定位的信息支持要求越來越高。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)僅是我國近期滿足建設(shè)需要的自主簡易導(dǎo)航系統(tǒng)，因此，我們必須在發(fā)展“北斗一號”的基礎(chǔ)上，借鑒國外GPS、GLONASS的成功經(jīng)驗，開發(fā)我國二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我們有理由相信，在不久的將來，具備先進(jìn)性、適用性、軍民兩用、抗干擾性、抗毀滅等特征的，適合我國的國情的“北斗二號”將會展現(xiàn)在大家面前，更加完善的我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必將建立。