摘要： 本文在論述“北斗”衛星導航系統工作原理和功能的基礎上，結合全球定位系統的功能，分析了兩大系統的差別，指出了我國應借鑒全球定位系統的經驗，開發我國第二代衛星導航定位系統。  

關鍵字： “北斗”衛星定位系統 全球定位系統 衛星導航 GPS   

1 引言

     2003年5月25日零時34分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功地將第三顆“北斗一號”導航定位衛星送入太空。前兩顆“北斗一號”衛星分別于2000年10月31日和12月21日發射升空，運行至今導航定位系統工作穩定，狀態良好。這次發射的是導航定位系統的備份衛星。它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛星導航定位系統，確保全天候、全天時的提供衛星導航信息。這標志著我國成為繼美國全球衛星定位系統（GPS）和前蘇聯的全球導航衛星系統（GLONASS）之后，在世界上第三個建立了完善的衛星導航系統的國家，該系統的建立對我國國民國防和經濟建設將起到積極作用。

2 “北斗星”衛星導航系統工作原理和功能

    “北斗”衛星導航定位系統是全天候、全天時提供衛星導航定位信息的區域導航系統，所以用戶隨時都可以接收到衛星廣播的詢問信號，服務范圍以我國大陸地區為主。其定位原理是：采用3球交會測星原理進行定位，以2顆衛星為球心，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”衛星導航定位系統是由太空的導航通信衛星、地面控制中心和客戶端三部分組成：太空部分有2顆地球同步軌道衛星，執行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務；地面控制中心包括民用網管中心，主要負責無線電信號的發送接收，及整個系統的監控管，其中，民用網管中心負責系統內民用用戶的標記、識別和運行管理；客戶端是直接由用戶使用的設備，即用戶機，主要用于接收地面控制中心經衛星轉發的測距信號。

     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航定位參數，以便調整衛星的運行軌道、姿態，并編制星歷，完成用戶定位修正資料和對用戶進行定位。簡單的說，“北斗”衛星導航定位系統具有快速定位、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航信息。
簡短通信：用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向簡短數字報文通信。
精密授時：中心控制系統定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

“北斗”衛星導航定位系統的工作步驟如下：

1）地面控制中心向2顆衛星發送詢問信號；
2）衛星接收到詢問信號，經衛星轉發器向服務區用戶播送詢問信號；
3）用戶響應其中1顆衛星的詢問信號，并同時向2顆衛星發送回應信號；
4）衛星收到用戶響應信號，經衛星轉發器發送回地面控制中心；
5）地面控制中心收到用戶的響應信號，解讀出用戶申請的服務內容；
6）地面控制中心利用數值地圖計算出用戶的三維坐標位置，再將相關信息或通信內容發送到衛星；
7）衛星在收到控制中心發來的坐標資料或通信內容后，經衛星轉發器傳送給用戶或收件人。
3 “北斗”衛星導航定位系統與全球定位系統之比較分析

3.1 覆蓋范圍
     “北斗”衛星導航系統是覆蓋我國本土的區域性導航系統。覆蓋范圍東經約70°～140°，北緯5°～55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到4～11顆衛星。

3.2 衛星數量和軌道特性
     “北斗”衛星導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星顆衛星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。

3.3 定位原理
     “北斗”衛星導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供用戶三維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。

3.4 定位精度
     “北斗”衛星導航系統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”衛星導航系統由于是主動雙向測距的詢問應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統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頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個用戶。而GPS是單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。

3.6 生存能力
     和所有導航定位衛星系統一樣，“北斗”衛星導航系統對中心控制系統的依賴性明顯要大，因為定位解算在地面控制中心，而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛星可以獨立運行。而“北斗”衛星導航系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。

3.7 信息的實時性
     “北斗”衛星導航定位系統用戶的定位申請要送回地面控制中心，經由中心控制系統解算出用戶的三維位置資料之后再發回用戶。無線電信號從地面發出，經衛星返回地面的上下行時間約為0.24～0.28秒，從用戶接收器應答測距信號到接收定位結果，信號經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、導彈這種高速運動的用戶時間稍長，會加大定位的誤差，因此，若要利用“北斗”衛星導航定位系統進行精確定位，以車輛、船舶等慢速運動的用戶較適合。而GPS由于是用戶自己解算，實時性比較高。

3.8 數據的共享性
     由于“北斗”衛星導航定位系統是雙星系統，因此，共用戶接收器只能測得二維（平面）的定位數據。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）的定位數據；但用戶若位于陸地或空中，就需要利用地面控制中心的數值地圖資料厙或用戶自備的測高儀才能求得用戶的高度，并進一步確定用戶的三維坐標。若控制中心的數值地圖數據庫數據不夠準確，尤其是要拿到非本國的地理精確數據并不容易，定位出的位置數據就會有問題。而GPS采用的是地心坐標系，數據的共享程度比較高。

3.9 通訊功能

“北斗”衛星導航系統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出的各種指令經“北斗”指揮型用戶機上傳至“北斗”衛星接著轉給地面控制中心，再經出站鏈路傳至“北斗”衛星向目標用戶轉發，使得軍事指揮中心可對其下屬用戶進行指揮調度。另外，當用戶提出申請或按預定間隔時間進行定位時，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”衛星導航定位系統，除了可供自身定位導航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統掌握部隊位置，并傳遞相關命令，對任務的執行有相當大的幫助。

     由于“北斗”衛星導航定位系統的客戶端要請求定位服務時，必須發出應答信號，即“有源應答”，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，很容易使整個系統被敵人或有心人士以偽冒信號加以飽和，使系統癱瘓或者是傳送假信息，迷惑友軍。這也是“北斗”衛星定位系統的致命所在。

3.10 性能價格比

    “北斗”衛星導航定位系統使用的衛星是同步軌道衛星，這意味著落地信號功率很小，因此，用戶機需要有較大天線（直徑達20厘米）才能接收信號，而且因“有源應答”運作方式，所以，用戶機還要包含發射機，因此在體積（普通型用戶機長20厘米、寬17.5厘米、高5.2厘米）、重量、耗電量，甚至價格都遠比GPS接收機來得大、重、耗電與昂貴，這就限制了它的使用范圍。

4 結束語

    綜上所述，“北斗”導航系統雖然和GPS全球定位系統相比有一定的差距，但是它具有衛星數量少、投資小、用戶設備簡單價廉、能實現一定區域的導航定位、通訊等多用途，可滿足當前我國陸、海、空運輸導航定位的需求。更重要的是，“北斗”衛星導航系統是我國獨立自主建立的衛星導航系統，它的研制成功標志著我國打破了美、俄在此領域的壟斷地位，解決了中國自主衛星導航系統的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初步起步系統。此外，該系統并不排斥國內民用市場對GPS的廣泛使用。相反，在此基礎上還可建立中國的GPS廣域差分系統。可以使GPS民用碼接收機的定位精度由百米級修正到數米級，可以更好的促進GPS在民間的利用。當然，我們也需要認識到，隨著我軍高技術武器的不斷發展，對導航定位的信息支持要求越來越高。“北斗”衛星導航系統僅是我國近期滿足建設需要的自主簡易導航系統，因此，我們必須在發展“北斗一號”的基礎上，借鑒國外GPS、GLONASS的成功經驗，開發我國二代衛星導航系統，我們有理由相信，在不久的將來，具備先進性、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”將會展現在大家面前，更加完善的我國衛星導航系統也必將建立。