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中国北斗与美国GPS性能比较
发布时间:2009-07-24  作者:

      GPS系统概念
  全球定位系统(NAVSTAR GPS,NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System,以下简称GPS)是一个中距离圆型轨道卫星定位系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统的组成包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中4颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。
  该系统是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制于1994年全面建成,原是美国国防部为了军事定时、定位与导航的目的所发展,希望以卫星导航为基础的技术可构成主要的无线电导航系统,未来并能满足下一个世纪的应用。第一颗GPS卫星在1978年发射,首十颗卫星称为BLOCK I试验型卫星,从1989年到1993年所发射的卫星称为BLOCK II/IIA量产型卫星,第二十四颗BLOCK II/IIA卫星在1994年发射后,GPS已达到初步操作能力(Initial Operational Capability,IOC),24颗GPS卫星提供全世界24小时全天候的定位与导航信息。美国空军太空司令部于1995年4月27号宣布GPS已达到完整操作能力(Full Operational Capability),将BLOCK I卫星加以汰换而24颗卫星全部为BLOCK II/IIA卫星,之后又发射四颗BLOCK IIA及一颗BLOCK IIR卫星,成功地满足军事实务的操作。
  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。
  全球卫星定位系统介绍   
  全球卫星定位系统实际上是由24颗卫星所组成,其中有3颗为备用卫星,这些卫星分布于距地表20,200公里的上空,而且分属于6个轨道面;卫星轨道面倾斜角为55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持续不断的定位讯号。这些卫星每11小时58分环绕地球一次,即每天绕过您的头顶二次,就像是月球一样不停地绕着地球旋转,其速度约每秒1.8哩。这些卫星需要地面管制站随时加以监控是否GPS卫星在其正确的轨道上及正常运作,另外监控中心可上传资料给卫星,卫星再将这些信息下传给GPS使用者使用。地面共有五个监控中心,四个上传资料站及一个控制中心,这些控制站以纬度来划分其所控制的卫星。在概念上﹐GPS是代表着整个系统﹐包括天空上的卫星、地面控制站及GPS接收机。不过一般而言﹐GPS即意指一个GPS接收机﹐这是因为我们在使用上多半只会接触GPS接收机的缘故。一般所使用之GPS接收机在任何时刻接收到4颗或更多的卫星。使用者只需拥有GPS接收机,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(sps,standard positioning service)和军规的精密定位服务(pss,precise positioning service)两类。民用讯号中加有误差,其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。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也可以达到十米左右的定位精度。
  GPS系统拥有如下多种优点:全天候,不受任何天气的影响;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统,使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性,提高了其军事应用效能。
  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(Differential GPS), 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考座标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身座标运算的考虑, 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。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。
  GPS的功能
  精确定时:广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中
  工程施工:道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量
  勘探测绘:野外勘探及城区规划中都有用到
  导航:
  武器导航:精确制导导弹、巡航导弹
  车辆导航:车辆调度、监控系统
  舶导航:远洋导航、港口/内河引水
  飞机导航:航线导航、进场着陆控制
  星际导航:卫星轨道定位
  定位:
  车辆防盗系统
  手机,PDA,PPC等通信移动设备防盗,电子地图,定位系统
  儿童及特殊人群的防走失系统
  GPS的六大特点
  全天候,不受任何天气的影响;
  全球覆盖(高达98%);
  三维定速定时高精度;
  快速、省时、高效率;
  应用广泛、多功能;
  第六,可移动定位。
  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。该系统由三颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、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、二十四小时的即时定位服务,定位精度可达数十柰秒(ns)的同步精度,其精度与GPS相当。
  三颗导航定位卫星的发射时间分别为:
  2000年10月31日;
  2000年12月21日;
  2003年5月25日,第三颗是备用卫星
  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:两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 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,提供一个以地心为球心、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”。
  北斗星导航系统与GPS系统比较
  1、覆盖范围:北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°,北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。
  2、卫星数量和轨道特性:北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星,轨道赤道倾角55°,轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道,绕地球一周11小时58分。
  3、定位原理:北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题,一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上相当不利,另一方面由于设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
  4、定位精度:北斗导航系统三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m,C/A码目前己由25-100m提高到12m,授时精度日前约20ns。
  5、用户容量:北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统,用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号,还要求用户设备向同步卫星发射应答信号,这样,系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此,北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统,用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位,因此GPS的用户设备容量是无限的。
  6、生存能力:和所有导航定位卫星系统一样,“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作,但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多,因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性,GPS正在发展星际横向数据链技术,使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性,一旦中心控制系统受损,系统就不能继续工作了。
  7、实时性:“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统,中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户,其间要经过地球静止卫星走一个来回,再加上卫星转发,中心控制系统的处理,时间延迟就更长了,因此对于高速运动体,就加大了定位的误差。此外,“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点,
  1. “北斗”具有定位和通信双重作用,具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。
  2. “北斗”定位精度一点二米
  3. “北斗”终端价格两万元左右
  4.采用接收终端不需铺设地面基站
  5.灾难中心的船只一秒钟就可以发出信息
  对比 :
  虽然GPS已广泛应用,但也绝非完美无缺。
  1. 其规模太大、造价太高,其他国家很难效仿,俄罗斯和欧洲的空间局就是典型的例子。
  2. GPS只能用作导航却无法实现通信功能,因而不能满足日益增长的用户需求。如果仅依赖GPS,则容易受别人的控制。“??性卫星定位系统,这方面的应用业务刚刚开始,在这之前民用的一些试验试点工作已经开展一年多了。
  “北斗一号”和GPS的区别主要在于两个方面,一方面是技术体制的区别,GPS是一个接收型的定位系统,只转播信号,用户接收就可以做定位了,不受容量的限制。“北斗一号”是双向的,既有定位又有通信的系统,但是有容量的限制,GPS是美国军方控制的军民共用的系统,对世界开放。我们中国人所说的使用的GPS是可以免费接收它的信号,但美国人并不承诺保证你的使用,他目前不收费,但没有承诺永远不收费。
  美国的GPS在当年刚刚被使用时要比“北斗一号”贵得多,早期在上世纪80年代末90年代初人们在用GPS系统时最便宜的GPS接收机就要几万美元,贵的要几十万美元,一套两个。北斗现在的用户终端的价格是比GPS低端的价格要贵,现在GPS价格一般导航系统在几千元人民币,高精度GPS几万到十几万元人民币不等。北斗的用户终端目前在两万元左右。
  另一个问题就是它的用途和特点是不一样的,GPS解决了一个我在哪里的定位问题,比如在沙漠里,在海洋上。而北斗不仅仅解决了我在哪里,它还解决你在这里他在哪里的问题,北斗的用户终端实际是具有收发功能,而GPS只具有接收功能,它通过接收才知道位置,而北斗是具有收发功能,它的定位需要发射然后再得到位置,同时它的位置可能传给你也可以传给关心你的人,实际上北斗是具有一个定位和通信双重功能的设备,在用户群上是不一样的,接收的场合是不一样的。
  PS:北斗当年论证的时候,国家地震局地震研究所的一位研究员出了一份论证报告就是谈这个问题的,北斗系统将成为一个生命线工程,就是和人类生存活动相关的一些工程,比如说大地震,地震后我们所有的有线系统都可能失去功能,而北斗系统作为一个卫星监视系统既可以有及时的位置报告,又可以通信,比如说海啸,实际上是由地震引起的,北斗去做救援是非常有用的,它可以及时地发送位置和与位置有关的相关信息,我们可以把信息发送给有关部门。价格问题,实际上价格和用户的数量有关系,一千个用户与一万个、十万个用户来比,用户终端的成本会有很大不同,现在主要的成本就在用户终端里,北斗用户终端刚才说了是有发有收的,随着用户业务的开展,成本一定会降下来。 所以说“北斗”是平民化的
  北斗一号”的潜力所在,主要在定位通信综合领域上,对这种综合功能有需求的领域都会得到充分的应用,现在仅有定位需要的客户,对北斗的需要不迫切。但是对于既需要位置又需要把位置传递出去的用户,北斗卫星导航定位系统是非常有用的
  北斗定位精度与GPS相当,一般都在1.2米左右。按照规定,目前,北斗导航系统在国内是开放使用的。
  PS:北斗双星定位导航系统的手持机已经配发到边防基层连队,并且得到广泛应用。
  一、整机组成
  手持机外观结构: 整机外观由军绿色和暗灰色组成; 整机具备一定的防雨水、积雪、高低温和防腐蚀能力; 具有触摸屏和键盘两种操作模式; 外形尺寸≤225×8165×5850mm3,重量:720g;
  手持机内部结构: 手持机内部包括天线、射频模块、主板、电池等;主板上设有电源开关和显示终端工作状态的指示灯,即:电源和发射状态指示灯、锁定卫星信号指示灯(2个); RS232接口(1个),接口数据线2米;机内配置的电池能够保证终端持续工作88小时以上(发射频度不超过1次/分钟);
  二、基本功能
  1、定位功能
  设备应能够通过北斗定位申请指令实时提供其所在位置的经度、纬度与高程,定位精度小于20米,并以标准形式显示(经度,度分秒)、(纬度,度分秒)、(高程,米)、(时间,年月日时分秒)。采用BJ54坐标系。
  设备收到北斗定位信息时,根据设定给出声、光或符号提示,并可方便转化到其它界面。  
  设备可以设定北斗自动定位频度,定位频度受终端的用户等级限制,设备在自动定位时仍可以正常进行通信。
  终端接到授权用户(指挥机)发出的北斗激发定位指令后,自动发出定位请求。
  2、通信功能
  用户每次最多可以传送120个汉字的信息,特快通信一次最多只能发送13个汉字。  
  终端设备本身具有电文键入、编辑、发送、接收和显示功能。
  信息发射后具有要求系统回执功能,该功能可人工设置。
  接收到通信信息时,根据设定给出声、光或符号提示,实时显示通信时间、发信地址和通信电文。
  通信电文中的数字、字符采用ASCII码编码,汉字采用GB 2312编码;对外设传入的数据不改变编码,透明传输。基本汉字字库要求为国标GB 2312-80一级字库。
  按先进先出的原则动态存储接收的通信信息,通信信息含通信时间、发信地址和通信电文,接收的通信信息可人为锁定存储、解锁和删除。存储容量为20包数据,锁定存储能力为10包数据,每包数据不超过200个字节。
  用户终端可向中心控制系统查询其他用户发给本用户的通信电文和通信回执。
  3、校时功能
  终端设有时钟(年-月-日-时-分-秒),用系统接收信息进行自动校对。
  4、集成了气压计、温度计和电子罗盘
  5、遥闭功能
  终端设备在收到控制中心发出的遥闭指令后,将终端永久关闭。
  6、数据接口功能  
  用户终端机应具备通用数据接口(RS232串口),以便于与外部设备进行数据通信。  
  7、用户识别功能
  终端具有多用户识别功能,采用智能IC卡的方式来实现,智能IC卡的相关规定和协议参见卫星定位总站的相关技术文档;
  三、工作环境:
  温度:-20~+55℃ 存储环境:-40~+80℃;
  湿度:5%~98% 冲击:6g/s
  振动:0.1g/(20~100)Hz

  
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