北斗系统与GPS应用比较分析＊

周 兵，陈向东，赵齐乐

（1．北京环球信息应用开发中心，北京100094；2．武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉430079）

0 引 言

北斗卫星导航系统是我国独立自主建设的卫星导航系统。按照“先试验、再区域、后全球”的三步走发展战略，目前北斗卫星导航试验系统，即北斗一代系统，已投入运行近10年，用户数量超过10万；北斗卫星导航区域系统，即北斗二代系统一期，也于2011年12月建成基本系统，并开始提供试运行服务。北斗系统的飞速发展带动了中国的卫星导航产业发展，基本形成了围绕北斗系统的应用产业链，包括上游的模块芯片制造，中游的整机生产制造，下游的集成开发应用等，并逐步与美国的GPS形成竞争态势。

1 北斗系统相比GPS的应用优势

北斗卫星导航系统相比美国的GPS在我国用户应用中优势突出，具体体现在以下几个方面。

1）国内用户使用北斗单频进行定位，能获得优于10m的精度，且北斗卫星导航信号具备一定的抗干扰能力。而使用GPS由于得不到军码，只能接收其卫星发播的民用码信号，GPS民用码精度低，一般为15～20m，且抗干扰能力差。如图1所示，图中数据曲线是2012年5月19日空间段仅有9颗工作卫星条件下，通用型用户接收机在北京全天观测的结果。

图1 北斗系统单频信号定位精度

2）GPS本身不具有广域差分功能，需要通过WAAS、StarFire等系统对GPS进行增强，实现广域差分，提高定位精度，而北斗系统自身就具有国土和周边地区的广域差分功能，北斗单频接收机无需增加任何硬件设备即可接收使用广域差分信息，达到优于10m的定位精度。

3）北斗高精度定位可采用双频或三频载波相位测量，而目前使用GPS只能利用L2半无码接收获取载波相位测量信息，其双频测量精度低于北斗。按照美国《2008联邦无线电导航计划》［1］，至2016年GPS卫星才具备广播L2C信号的功能。

三频载波相位组合观测的表达式为（以m为单位）:

组合后的观测量的载波整周模糊度、频率和波长为［2］

在北斗系统中，用户在进行载波相位高精度定位时，通过恰当地选取i，j，k的取值进行组合后，能够形成波长较长（大于4．887m），电离层延迟较小、噪声相对较小的超宽巷观测量，而GPS目前无法获得。这样有利于快速解算载波整周模糊度，提高定位精度，同时有利于载波周跳的探测与修复。

4）北斗组网卫星信号的载噪比，IGSO卫星与GPS新一代卫星相当，而GEO卫星则高于GPS新一代卫星。如图2所示，图中记录的信号载噪比C／N0主要是北斗 GEO－1（Compass C01）、GEO－3（Compass C03）、GEO－4（Compass C04）、IGSO－1（Compass C06）、IGSO－2（Compass C07）、IGSO－3（Compass C08）和 GPS Block IIR－M、Block IIF卫星发播的导航信号载噪比。而由于用户端接收卫星导航信号进行跟踪测量时采用了锁相环（PLL）和锁频环（FLL），PLL和FLL热噪声抖动误差按如下表达式计算［3］，即

由式（5）、式（6）可以看出C／N0高则PLL和FLL的热噪声抖动误差小。因此，可以说北斗卫星发播的导航信号相比GPS卫星更有利于提高用户端的测距和测速精度。

5）GPS首次定位时间长，最短热启动后处理时间也需要10多秒。而北斗RDSS定位体制，用户只需捕获响应两颗卫星的信号，主控站就能进行定位解算，并将结果发送给用户，全部过程只需1s钟就可完成，首次定位速度比GPS快，特别适合空军救生和其它遇险救生等特殊情况下的应用需要。

图2 北斗卫星与GPS卫星信号载噪比对比

6）北斗系统采用RDSS和RNSS相结合的定位体制，集导航定位、授时和短报文通信三大功能于一体，在定位的同时还能够实现多种形式的位置报告，便于监控指挥和态势跟踪与共享，成为现代信息化作战中通信系统和数据链的有力补充。而GPS只有RNSS定位体制，没有短报文通信功能，必须借助其它通信系统实现位置报告，而在海洋、陆地偏远地区通信是十分困难的。

7）北斗系统是我国自主控制的系统，不受制于人，这对于一些事关国民经济发展和保障人民正常生活的行业应用非常重要，如地面移动通信网、电力以及金融行业，民用单频定位精度与GPS相当，使用上具有防欺骗能力，有较高的使用安全性，可以在上述领域大力推广使用。而GPS受美国军方控制，且已具备有多种对GPS民用信号的控制手段，如降低精度、区域关闭等。虽然2000年5月取消了SA政策，但没有承诺对用户的安全使用。因此，我国在民用领域，特别是关系国家经济安全的领域，使用GPS仍存在较大风险。

8）北斗系统可以和GPS一起被用户实现兼容定位，从而进一步提高定位精度。同时，由于空间卫星数目的增加，即北斗卫星＋GPS卫星，使得城市楼宇间用户可见卫星数增加，增强了定位可靠性。图3是2011年6月19日—25日接收机分别进行GPS、北斗单独短基线相对动态定位和GPS＋北斗兼容短基线相对动态定位的精度统计图，图中G表示利用GPS单独定位、C表示利用北斗系统单独定位、C＋G表示利用北斗＋GPS兼容定位。从图中可以看出，北斗＋GPS兼容定位相比GPS单独定位，精度提高20%．

图3 北斗＋GPS与单北斗或GPS短基线相对定位精度比较图

2 北斗系统的未来发展

与美国的GPS相比，我国的北斗系统虽然在用户应用方面存在上述一些优势，但必须承认与GPS还有一定的差距，需要学习其先进技术，不断发展完善自己，并不断寻求突破和创新。

目前的北斗卫星导航系统仍是一个服务区较北斗一代系统扩大三倍的区域系统，未来北斗卫星导航系统将发展成为面向全球提供服务的系统，真正成为全球导航卫星系统（GNSS）家族中的重要成员。北斗卫星导航系统将在继承中发展，不断巩固和发挥北斗RDSS和RNSS两种定位体制结合的优势，并将RDSS扩展，在更大的服务区范围内实现位置报告和短报文通信。同时，利用RDSS入站链路，将接收机开机所取得的多颗卫星的伪距传到主控站进行解算，摆脱RDSS对数字高程库的依赖，将位置信息发给用户，实现快速精确定位［4］。北斗卫星导航系统还将一方面完善星座，同时增加新调制方式的信号，实现与其它GNSS的兼容互操作；另一方面进一步提高导航定位精度，增强系统功能，以适应未来GNSS发展的需要。

3 结 论

经过二十多年艰苦卓绝的奋斗，我国的北斗卫星导航系统建设已取得了令人瞩目的成果，在某些应用领域可以完全摆脱GPS独立使用，北斗卫星导航信号单频定位和单频加广域差分定位都具有很高的精度，而且北斗RDSS定位速度快，与RNSS定位体制的结合，可实现多种形式的位置报告，在指挥控制和态势跟踪与共享等方面较GPS应用优势突出；同时，北斗系统自主可控成为其在我国用户应用中最重要的优势。北斗与GPS兼容使用，更进一步提高了用户定位精度和可靠性。未来的北斗卫星导航系统在向全球系统发展的同时，不断出现新的应用领域，最终与GPS形成有力竞争。

［1］ NOAA．2008Federal radio navigation plan［OL］．（2012－04－18）．http:／／www．gps．gov．

［2］ FENG Yanming，RIZOS C．Three carrier approaches for future global，regional and local GNSS positioning services:concepts and performance Perspectives［C］／／Proceedings of IONGNSS 2005，13－16September，Long Beach，CA，2005:2277－2787．

［3］ ELLIOTT D K．GPS原理与应用［M］．邱致和，王万义，译．北京:电子工业出版社，2002．

［4］ 谭述森．广义RDSS全球定位报告系统［M］．北京:国防工业出版社，2011．