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摘要：叙述了美国GPS卫星定位系统和中国北斗卫星定位系统的构成和定位原理、方法，指出了这两种卫星定位系统的差异，以及北斗卫星定位系统的优势。
关键词：GPS卫星定位系统，北斗卫星定位系统，比较，优势
中图分类号：
Chinese Beidou positioning system and the comparison of the U.S. GPS system
MENG Ai qing LI Hong *
(Architectural and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology DepartmentTaiyuan, Shanxi,China 030024)
Abstract : This paper describes the principle of the American GPS satellite positioning system , and the composition and positioning of the Chinese Beidou satellite positioning system , method , and point out the differences of the two satellite positioning system , Beidou satellite positioning system advantages .
Key words : GPS system , Beidou satellite positioning system , for comparison , the advantage
引言
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。
卫星定位系统能提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统的组成包括太空中的定位卫星；地面上的主控站、数据注入站和监测站及作为用户端的接收机。人们将定位卫星视为已知位置的天體，利用无线电传输系统，连续不断地将卫星运行的轨道参数和测距时差传输给地面接收装置，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度。
由于此技术的迅速发展，使得民间应用的需求与日遽增，对于传统导航方式更有革命性的影响。
GPS卫星定位系统与定位原理[1]
GPS卫星定位系统是世界上最早实施的卫星定位系统，由美国政府于20世纪70年代开始进行研制，于1994年全面建成，原始目的是为军事定时、定位与导航而服务，希望以卫星导航为基础的技术构成无线电导航系统。
GPS卫星定位系统是由24颗卫星组成，其中，有3颗为备用卫星，这些卫星分布于距地表20 200 km的太空，且分属于6个轨道面；卫星轨道面倾斜角为55°，提供全球全天候﹐每秒1次，持续不断的定位信号。这些卫星每11 h 58 m环绕地球1次，每天绕过同一地面点2次，就像月球一样不停地绕着地球旋转。
GPS卫星需要地面管制站随时加以监控，以保证其在正确的轨道上且正常运行，另外，监控中心负责上传资料给卫星，卫星再将这些信息下传给GPS的用户。地面设有5个监控中心，4个上传资料站及1个控制中心，控制站以纬度划分所控制的卫星。
GPS接收机在任何时刻都可接收到4颗或更多的卫星。GPS信号分为民用的标准定位服务（sps）和军规的精密定位服务（pss）两类。民用信号中加有误差，其最终定位精确度大概在100 m左右；军规的精度在10 m以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此，现在民用GPS也可以达到10 m左右的定位精度。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，即可测定GPS信号到达接收机的时间Δt，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据，便可以确定（1）式的4个方程式。图1是GPS卫星定位系统的地面接收子系统示意图，
图1GPS系统接收示意图
。（1）
为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统, 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点(由其他测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。
GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是，在经纬度方面经改进误差很小。接收机在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。
北斗卫星定位系统[2]
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统的第一代由3颗（2颗工作卫星、1颗备用卫星）北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、24 h的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度与GPS系统相当。
2.1第一代北斗卫星系统构成与工作原理
北斗卫星导航定位系统的系统构成有，2颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 第一代北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”。以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供1个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。
2.2第二代北斗卫星系统构成与工作原理
第二代北斗卫星定位系统，由空间卫星系统、地面运控系统和用户应用系统三大部分组成。由5颗静止地球轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供2种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度达到0.2 m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
控系统由主控站、注入站和监测站等若干个地面站构成；用户端由北斗用户终端和与GPS、GLONASS、伽利略其他导航系统兼容的终端组成。
用户应用系统包括所有服务于陆、海、空、天等不同用户、不同性能的各种谱型用户设备, 主要任务是接收卫星发射的导航信号, 实现用户的导航定位、定时、测速和报文通信。
同样，第二代北斗卫星定位系统，也采用空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数, 且连续向地面用户发播卫星导航信号, 用户接收到至少4颗卫星信号后, 进行伪距测量和定位解算, 最后得到定位结果。为了保持地面运控系统各站之间时间同步, 以及地面站与卫星之间时间同步，通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测, 采集各类观测数据后将其发送至主控站, 由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理, 形成上行注入的导航电文及参数。地面定位的方式由“有源定位”调整为“无源定位”
中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，发展自主的全球卫星导航系统，其“三步走”发展路线图为：第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
北斗星定位系统与GPS定位系统的比较
世界上已经开始建设的卫星定位系统的概略情况见表1[2]。
北斗卫星导航定位系统的基本定位是由27颗卫星完成的，通过3个55°倾角的轨道平面个部署9颗卫星，定位精度可以达到10 m以内，理论上可以达到水平和垂直方向7.5 m精度。根据2007年第二代北斗卫星发射后国外技术人员对信号的测定，北斗卫星导航定位系统在B1频段比GPS高7个dB，充分体现了后发优势，在新的GPS Ⅲ系统部署前，北斗卫星导航定位系统的性能要优秀得多。
表1世界现有的卫星定位系统的概率情况
北斗卫星定位系统中的5颗静止轨道卫星不仅提供RNSS服务，还继承了试验系统的RDSS信号链路，仍保留了短报文通信功能。为了提高定位精度满足航空I類精密进近(CAT-1)的要求，5颗卫星完全可以满足中国及其周边地区的CAT-1精度要求，达到垂直定位4.4 m～7.7 m的性能，在高密度可见星区可以满足国土资源调查的无基站水平1 m实时定位精度要求，在北斗卫星导航系统建成后实现这些性能的话，北斗的性能将超越现有的GPSⅡ系统，甚至超过一些GPS区域增强系统增强后的性能。
为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求，增设了3颗IGSO轨道卫星。IGSO卫星高度和静止轨道卫星相同，但是倾角不为0，因此，轨道中心在赤道设定的经度上，星下点南北来回运动在地面上划出很明显的8字形轨迹。IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°，可对中国领土范围内进行有效的精度增强。
卫星导航的第一目的是为军事服务，即使GPS也是如此。从094核潜艇形成战斗力考虑，国内一直论证5IGSO甚至7IGSO卫星，将增强范围大幅度北推，满足中国战略核武器系统的定位需求。北推的增强范围的另一个思路是类似于日本准天顶(Quasi-Zenith Satel- lite System)GPS增强系统，轨道高度不在同步轨道上，将8字形变形大幅度北推，以较少的卫星实现需求的信号定位增强性能。
总之，北斗卫星定位系统应用有五大优势。a）它同时具备定位与通信功能，不需要其他通信系统支持。而GPS只能定位；b）覆盖范围大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；c）特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用；d）融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此，也可利用GPS，使之应用更加丰富；e）自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。
中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，发展自主的全球卫星导航系统，其“三步走”发展路线图为：第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
结语
从设计上说，北斗系统的性能是十分优良的，不但远强于俄罗斯的GLONASS系统，和欧洲的伽利略系统比也毫不逊色。尽管还比不上美国未来几年将全面部署的GPS Ⅲ系统，但是作为1个基础薄弱的国家，在卫星导航的高科技领域能有如此成果实属不易。
第二代北斗卫星导航定位系统一旦建成，并稳定运行，将使解放军摆脱对GPS的依赖。届时，解放军肯定会大量装备采用卫星导航的精确制导武器，常规打击能力将提高数倍乃至数十倍。另外，在民用市场，GPS定位设备也必然面临北斗的巨大冲击。
参考文献：
[1] 徐爱功.全球卫星导航定位系统原理与应用[M],徐州,中国矿业大学出版社,2009.
[2] 北斗卫星导航系统网站.北斗卫星导航系统简介[EB/OL]. [2010-01-
关键词：GPS卫星定位系统，北斗卫星定位系统，比较，优势
中图分类号：
Chinese Beidou positioning system and the comparison of the U.S. GPS system
MENG Ai qing LI Hong *
(Architectural and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology DepartmentTaiyuan, Shanxi,China 030024)
Abstract : This paper describes the principle of the American GPS satellite positioning system , and the composition and positioning of the Chinese Beidou satellite positioning system , method , and point out the differences of the two satellite positioning system , Beidou satellite positioning system advantages .
Key words : GPS system , Beidou satellite positioning system , for comparison , the advantage
引言
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。
卫星定位系统能提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统的组成包括太空中的定位卫星；地面上的主控站、数据注入站和监测站及作为用户端的接收机。人们将定位卫星视为已知位置的天體，利用无线电传输系统，连续不断地将卫星运行的轨道参数和测距时差传输给地面接收装置，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度。
由于此技术的迅速发展，使得民间应用的需求与日遽增，对于传统导航方式更有革命性的影响。
GPS卫星定位系统与定位原理[1]
GPS卫星定位系统是世界上最早实施的卫星定位系统，由美国政府于20世纪70年代开始进行研制，于1994年全面建成，原始目的是为军事定时、定位与导航而服务，希望以卫星导航为基础的技术构成无线电导航系统。
GPS卫星定位系统是由24颗卫星组成，其中，有3颗为备用卫星，这些卫星分布于距地表20 200 km的太空，且分属于6个轨道面；卫星轨道面倾斜角为55°，提供全球全天候﹐每秒1次，持续不断的定位信号。这些卫星每11 h 58 m环绕地球1次，每天绕过同一地面点2次，就像月球一样不停地绕着地球旋转。
GPS卫星需要地面管制站随时加以监控，以保证其在正确的轨道上且正常运行，另外，监控中心负责上传资料给卫星，卫星再将这些信息下传给GPS的用户。地面设有5个监控中心，4个上传资料站及1个控制中心，控制站以纬度划分所控制的卫星。
GPS接收机在任何时刻都可接收到4颗或更多的卫星。GPS信号分为民用的标准定位服务（sps）和军规的精密定位服务（pss）两类。民用信号中加有误差，其最终定位精确度大概在100 m左右；军规的精度在10 m以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号所加的误差。因此，现在民用GPS也可以达到10 m左右的定位精度。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，即可测定GPS信号到达接收机的时间Δt，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据，便可以确定（1）式的4个方程式。图1是GPS卫星定位系统的地面接收子系统示意图，
图1GPS系统接收示意图
。（1）
为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统, 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点(由其他测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。
GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是，在经纬度方面经改进误差很小。接收机在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。
北斗卫星定位系统[2]
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统的第一代由3颗（2颗工作卫星、1颗备用卫星）北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、24 h的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度与GPS系统相当。
2.1第一代北斗卫星系统构成与工作原理
北斗卫星导航定位系统的系统构成有，2颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 第一代北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”。以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供1个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。
2.2第二代北斗卫星系统构成与工作原理
第二代北斗卫星定位系统，由空间卫星系统、地面运控系统和用户应用系统三大部分组成。由5颗静止地球轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供2种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度达到0.2 m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
控系统由主控站、注入站和监测站等若干个地面站构成；用户端由北斗用户终端和与GPS、GLONASS、伽利略其他导航系统兼容的终端组成。
用户应用系统包括所有服务于陆、海、空、天等不同用户、不同性能的各种谱型用户设备, 主要任务是接收卫星发射的导航信号, 实现用户的导航定位、定时、测速和报文通信。
同样，第二代北斗卫星定位系统，也采用空间段卫星接收地面运控系统上行注入的导航电文及参数, 且连续向地面用户发播卫星导航信号, 用户接收到至少4颗卫星信号后, 进行伪距测量和定位解算, 最后得到定位结果。为了保持地面运控系统各站之间时间同步, 以及地面站与卫星之间时间同步，通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测, 采集各类观测数据后将其发送至主控站, 由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理, 形成上行注入的导航电文及参数。地面定位的方式由“有源定位”调整为“无源定位”
中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，发展自主的全球卫星导航系统，其“三步走”发展路线图为：第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
北斗星定位系统与GPS定位系统的比较
世界上已经开始建设的卫星定位系统的概略情况见表1[2]。
北斗卫星导航定位系统的基本定位是由27颗卫星完成的，通过3个55°倾角的轨道平面个部署9颗卫星，定位精度可以达到10 m以内，理论上可以达到水平和垂直方向7.5 m精度。根据2007年第二代北斗卫星发射后国外技术人员对信号的测定，北斗卫星导航定位系统在B1频段比GPS高7个dB，充分体现了后发优势，在新的GPS Ⅲ系统部署前，北斗卫星导航定位系统的性能要优秀得多。
表1世界现有的卫星定位系统的概率情况
北斗卫星定位系统中的5颗静止轨道卫星不仅提供RNSS服务，还继承了试验系统的RDSS信号链路，仍保留了短报文通信功能。为了提高定位精度满足航空I類精密进近(CAT-1)的要求，5颗卫星完全可以满足中国及其周边地区的CAT-1精度要求，达到垂直定位4.4 m～7.7 m的性能，在高密度可见星区可以满足国土资源调查的无基站水平1 m实时定位精度要求，在北斗卫星导航系统建成后实现这些性能的话，北斗的性能将超越现有的GPSⅡ系统，甚至超过一些GPS区域增强系统增强后的性能。
为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求，增设了3颗IGSO轨道卫星。IGSO卫星高度和静止轨道卫星相同，但是倾角不为0，因此，轨道中心在赤道设定的经度上，星下点南北来回运动在地面上划出很明显的8字形轨迹。IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°，可对中国领土范围内进行有效的精度增强。
卫星导航的第一目的是为军事服务，即使GPS也是如此。从094核潜艇形成战斗力考虑，国内一直论证5IGSO甚至7IGSO卫星，将增强范围大幅度北推，满足中国战略核武器系统的定位需求。北推的增强范围的另一个思路是类似于日本准天顶(Quasi-Zenith Satel- lite System)GPS增强系统，轨道高度不在同步轨道上，将8字形变形大幅度北推，以较少的卫星实现需求的信号定位增强性能。
总之，北斗卫星定位系统应用有五大优势。a）它同时具备定位与通信功能，不需要其他通信系统支持。而GPS只能定位；b）覆盖范围大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；c）特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用；d）融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此，也可利用GPS，使之应用更加丰富；e）自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。
中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，发展自主的全球卫星导航系统，其“三步走”发展路线图为：第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
结语
从设计上说，北斗系统的性能是十分优良的，不但远强于俄罗斯的GLONASS系统，和欧洲的伽利略系统比也毫不逊色。尽管还比不上美国未来几年将全面部署的GPS Ⅲ系统，但是作为1个基础薄弱的国家，在卫星导航的高科技领域能有如此成果实属不易。
第二代北斗卫星导航定位系统一旦建成，并稳定运行，将使解放军摆脱对GPS的依赖。届时，解放军肯定会大量装备采用卫星导航的精确制导武器，常规打击能力将提高数倍乃至数十倍。另外，在民用市场，GPS定位设备也必然面临北斗的巨大冲击。
参考文献：
[1] 徐爱功.全球卫星导航定位系统原理与应用[M],徐州,中国矿业大学出版社,2009.
[2] 北斗卫星导航系统网站.北斗卫星导航系统简介[EB/OL]. [2010-01-