北斗卫星导航系统与GPS导航系统的性能比较
陈德旭+王成皇
摘 要：我国的北斗卫星导航系统和美国的GPS虽然都是卫星定位导航系统，但是它们在各方面都有著较大的差异，本文首先介绍了GPS和北斗卫星导航系统，进而从卫星数量、轨道特性、定位原理、用户容量和定位精度等方面探讨了二者之间的差别。
关键词：北斗卫星导航系统 GPS全球定位系统 北斗与GPS的差异
一、GPS全球定位系统
目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统，由美国国防部于20世纪70年代初开始设计并研制，于1993年全部建成。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。而且一旦发生战争，美国可以关闭该系统对某地区的信息服务。
GPS是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成，其中4颗为备用星，均匀的分布在6个等间隔的近圆轨道上，每个轨道分布4颗卫星。卫星轨道高度约为20220Km，轨道倾角为55度，轨道周期为12小时，该卫星星座的分布示意图如图所示。该卫星星座分布使得在全球的任何地方、任何时间都可以观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。GPS标准定位服务空间信号的水平位置精度为13米（95%），垂直高度精度22米（95%），时间同步精度为40纳秒（95%）。
二、北斗
北斗卫星导航系统是中国正在自主实施发展的和独立运行的区域性有源三维卫星定位与通信系统，该系统已于2004年正式立项并开始建设。在体制上，北斗与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟建设中的Galileo一样，同属于RNSS S（Radio Navigation Satellite System）。
北斗导航系统由三部分组成，分别是地面段、用户段和空间段。地面段包括如主控站、监测站和注入站等若干地面站，用户段包括如北斗用户端以及兼容其他卫星系统的终端，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。北斗导航系统提供高质量导航、定位以及授时服务，包括了授权服务和开放服务两种方式。授权服务向有精度高、可靠性高的卫星导航需求的用户，提供速度测量、授时、定位与通信的服务以及系统的完好性信息。开放服务为全球免费提供速度测量、授时和定位服务，定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为10纳秒。
北斗卫星导航系统在铁路智能交通、同步授时和精密测量等方面提供完善的服务。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。
三、北斗与GPS的差异
在全球卫星定位系统方面，现在使用范围最广的就是美国的GPS全球定位系统，我国自行研制的“北斗一号”和美国的GPS虽然都是卫星定位、导航系统，但是它们在各方面都有着较大的差异，这种差异主要体现在以下几个方面：
1.首先都是导航定位系统，采用的定位技术不同，定位的范围也有区别。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围约东经70度到140度，北纬5度到55度；GPS是覆盖全球的全天候定位系统。目前，北斗还不是全球定位，当然北斗开始的晚，部署需要时间，GPS也用了20年时间才布置完毕全天候覆盖全球的。
2.其次，二者的定位理论不同，北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。由地面中心控制系统解算，再向用户提供三维定位数据；而GPS已经部署完毕由用户设备独立解算自己三维定位数据。所以北斗卫星导航定位系统定位理论更新，可以用于国家经济建设，为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔。
3.卫星数量和轨道特性：北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星且两颗卫星间的赤道角距约六十度。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角五十五度，轨道面赤道角距六十度，为准同步轨道，绕地球一周11h58min。
4.定位精度：我们的北斗系统可以对所有终端机进行监控管理，就这一点GPS就根本不可能做到。可以通过确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100米，差分定位精度小于20米。定位响应时间：Ⅰ类用户5秒；Ⅱ类用户2秒；Ⅲ类用户1秒。定位更新时间小于1秒，一次性定位率达百分之九十五。GPS三维定位精度P码目前己由16米提高到6米，C/A码目前己由25-100米提高到12米，授时精度目前约20纳秒。
5.用户容量：北斗卫星导航系统具有用户之间、用户和地面控制中心之间双向数字报文通信能力，通常每次能通信三十六个汉字，核准过的用户使用连续通信方式最多能通信一百二十个汉字。北斗卫星导航系统有两种精密授时功能：单向和双向，依据具体的精度需求，利用定时用户终端，完成与北斗卫星导航系统之间时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和10ns（双向授时）的时间同步精度。GPS全球定位系统是单向测距系统，用户只要单向使用设备接收GPS发出的导航电文即可进行测距定位，所以GPS全球定位系统的用户设备容量没有上限。
四、总结
北斗卫星导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距，但是随着北斗卫星导航系统的建设发展，北斗卫星导航系统填补了中国没有自主卫星导航系统的空白。北斗卫星导航系统的快速发展，得益于中国的改革开放政策和经济持续发展，中国将一如既往地推动全国卫星导航系统建设和产业发展，鼓励运用卫星导航新技术，提供新服务，满足人们不断增长的多样化需求。同时，将积极推动国际交流与合作，实现北斗卫星导航系统与世界其他卫星导航系统的兼容与互操作，为全球用户提供高性能、高可靠的定位、导航与授时服务。
