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
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。
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