GPS与compass对比

2003年5月25日，随着第三颗“北斗”1号导航定位卫星发射升空，我国自行研制的“北斗”卫星导航定位系统正式建成。这使我国成为世界上为数不多的自主建立卫星导航定位系统的国家之一。那么，这个系统有什么功能？它与我们熟悉的美国GPS系统的区别又在哪里呢？

GPS系统的工作原理与性能

1957年，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星——“伴星1号”。美国霍普金斯大学应用物理实验室的科学家在追踪这颗卫星时发现，他们接收到的卫星发出的信号因卫星与地面的相对移动而产生了多普勒频移，即：他们接收到的信号频率与卫星发射信号时的频率有一定的频差，而且发现，多普勒频移曲线与卫星轨道之间存在着一一对应的关系。这意味着，如果知道接收站的精确方位和某颗卫星通其观测区域期间的多普勒频移曲线，就可以确定该卫星的运行轨道；反过来，如果确知卫星的运行轨道，那么只要能测得它在通过某观测点上空时的频移曲线，也能获得观测点的位置。根据这一原理，美国海军于1964年建立了世界上第一个卫星导航系统——子午仪系统，并于1967年向民用开放。但由子午仪系统存在着定位时间长、误差大、不能连续快速定位（两次定位之间平均时间间隔为1.5小时）等缺陷，美国从1973年开始新一代的卫星定位系统的研制，这就是GPS系统。1993年，GPS系统达到了初始工作能力；1995年，GPS系统达到了完全工作能力。至此，GPS系统的建设正式完成。

GPS系统的定位原理和过程可以简述如下：在一个立体直角坐标系中，任何一个点的位置都可以通过三个坐标数据X、Y、Z来得到确定。也就是说，只要能得到X、Y、Z三个坐标数据，就可以确知任何一点在空间中的位置。如果能测得某一点与其它三点A、B、C的距离，并确知A、B、C三点的坐标，就可以建立起一个三元方程组，解出该未知点的坐标数据，从而得到该点的确切位置。GPS就是根据这一原理，在太空中建立了一个由24颗卫星所组成的卫星网络，通过对卫星轨道分布的合理化设计，用户在地球上任何一个位置都可以观测到至少三颗卫星，只要测得与它们的距离，就可以解算出自身的坐标。

用户如何测量与卫星的距离呢？GPS采用的办法，是在卫星和用户机上各安装一个时钟，并在卫星发送的测距信号中包含发送时的时间信息。这样，用户机在接收到测距信号后，只要与自身时钟的时间对比，就可以获得发送时间与接收时间的时差，再乘以光速，就可以得到与卫星的距离了。但在实际应用中，这个做法仍有缺陷。由于用户机受空间和能源的限制，只能采用精度较差的石英钟，因此不可能做到与卫星时钟的完全同步，这样测量出来的时间差和由此所计算得出的距离必然会有较大的误差。为消除这一误差，GPS测距时同时接收4颗卫星的信号，从而把钟差也作为一个未知数，与坐标共同组成一个四元方程组，与坐标一齐解算出来，从而保证了相当高的定位精度。

由上述的定位原理和过程可见，在GPS系统中，卫星只起到广播测距信号的作用，用户机根据接收到的测距信号自主解算坐标。因此该系统是一个开放系统，可容纳的用户机数量不受限制。同时由于用户机只接收信号，不需要发射信号，因此它的定位保密性强。这两点对于在军事上的应用尤其有价值。

“北斗”系统的工作原理和性能

GPS系统覆盖面大，精度高，是一种性能优秀的全球卫星定位系统。但是，该系统是一个由美国国防部控制的系统，因此，出于国家安全方面的考虑，一些国家希望建立自己的卫星定位系统。但是，GPS类的卫星定位系统技术难度大，投资大，一般国家难以承担。因此，一些国家就采用了技术难度相对较低、投资相对较小的RDSS（“卫星无线电定位服务”的英文缩写）系统。我国研制的“北斗”系统就属于这一类。

“北斗”系统是如何工作的呢？前面已经指出，对于一个坐标未知点，如果能测得该点与其它三点A、B、C的距离，并确知A、B、C三点的坐标，就可以根据已经建立的数学模型，解算出该点的确切坐标。北斗系统同样是采用了这个方法，但它只用了位于赤道上空的两颗同步卫星提供两个距离值，第三个距离值采用未知点与地心的距离，这个数值可以通过地球半径加上用户自身的海拔高程得到。这样，由于地心坐标已知，因此通过三个距离值和三点的坐标，就可以解算出用户机的具体坐标了。

那么，如何获得用户的海拔高程呢？北斗系统采用的是在数字地图上进行查找的办法。其原理是：将地球表面当作一个不规则球面，根据用户机到两颗卫星的距离，在数字地图上搜索符合条件的点，其结果就是用户的坐标。由于采取了这样的工作原理，因此北斗系统的工作过程与GPS系统有着很大的不同。简述如下：

第一步，由地面中心站向位于同步轨道的两颗卫星发射测距信号，卫星分别接到信号后进行放大，然后向服务区转播；

第二步，位于服务区的用户机在接收到卫星转发的测距信号后，立即发出应答信号，经过卫星中转，传送到中心站；

第三步，中心站在接收到经卫星中转的应答信号后，根据信号的时间延迟，计算出测距信号经过中心站——卫星——用户机——卫星——中心站的传递时间，并由此得出中心站——卫星——用户机的距离，由于中心站——卫星的距离已知，由此可得用户机与卫星的距离；

第四步，根据用上述方法得到的用户机与两颗卫星的距离数据，在中心站储存的数字地图上进行搜索，寻找符合距离条件的点，该点坐标即是所求的坐标；

第五步，中心站将计算出来的坐标数据经过卫星发送往用户机，用户机再经过卫星向中心站发送一个回执，结束一次定位作业。

由上述定位过程可见，北斗系统的定位作业需要中心站直接参加工作，中心站在每次定位过程中都处于核心的位置。这使它具有一些与GPS系统不同的特殊特性：

第一，从北斗系统的定位过程可以看出，它是一个有源系统，用户机在定位过程中必须发射信号。这是它与GPS系统最大的不同。既然可以发送信号，就可以具备通信能力。因此，北斗系统具有低速通信功能，可以在任意两个用户机之间发送一次发送36个汉字字符的信息，经过授权的用户一次可以发送120个汉字的信息。这个功能是GPS所无法具备的。

第二，北斗系统每次定位作业都是由用户机发出请求，经过中心站解算出坐标，然后发送给用户机。这种工作方式使得北斗系统存在着用户容量限制，凡是未经授权的用户都无法利用北斗系统进行定位作业，因而具备极好的保密性和反利用性。

第三，北斗系统一次定位需要测距信号经中心站——卫星——用户机往返两次，因此费时比较长，从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要1秒钟，因此它不适合飞机、导弹等高速运动的物体，而更适合舰船、车辆、人员等低速运动目标的定位。

北斗系统的这些特性运用到军事上，还具有一些特殊的功能：首先，北斗系统的短信功能可以用来传递简短的命令和信息，从而极大地便利部队的指挥和信息流动。但由于需要发送信号，不利于隐蔽，因此在军事上使用时，必须制定严格的保密措施和使用规范。同时，由于北斗系统需要用户机在中心站拥有自己的账号，因此它有容量限制，不像GPS系统那样，在理论上可以容纳无限多的用户。

其次，由于北斗系统的解算工作都在中心站进行，因此在用户得知自己的方位的同时，别人也可以知道其方位。运用在军事上，这意味着部队的上级领导机关可以随时掌握装备了北斗用户机的部队的方位，从而便利指挥。在2001年的车臣战争中，俄罗斯军队一支小分队被叛军包围，因上级始终不知其位置，无法增援，最终全军覆没。如果当时俄军装备了类似北斗系统这样的定位系统，这一悲剧就不会发生。但是，如果敌方破解了北斗系统的电文密码，然后向中心站发送大量伪信号，就可以导致中心站的主处理机不堪重负而瘫痪，从而导致整个系统停止工作。另外，如果敌人摧毁了中心站，也会导致系统的瘫痪。因此，有必要随时更新电文密码，并多建几个后备中心站，以防止中心站被摧毁导致整个系统瘫痪。

对北斗系统的改进设想

根据以上分析，我们可以看出，北斗系统与GPS系统的最大不同，就在于它采用了有源定位和集中计算的工作机制。从计算机的角度来看，北斗系统实际上是一个主机——终端型的集中式计算机网络系统。相比之下，GPS系统采用24颗卫星组成的星座只提供测距信号，计算由各个用户机自行完成。因此，相比之下，GPS系统的适应性更强，安全性更高。那么，为什么我国在建立北斗系统的时候，采用了RDSS体制，而没有采取与GPS一样的工作机制呢？笔者认为，主要有如下一些因素：

第一，GPS系统需要24颗卫星组成星座才能保证系统的正常运转，这需要大量的资金。相比之下，北斗系统只需要2颗定位卫星和1颗备用卫星共计3颗卫星就可以工作，这比GPS便宜得多，更适合我国的国情。

第二，GPS型的卫星定位系统的研制难度高。美国经历了30余年，发展了两代卫星才达到比较满意的定位精度和效率，GPS的技术难度和所需的积累由此可见一斑。相比之下，RDSS系统可以充分利用我国现有的同步卫星资源和技术，实现起来比较容易，成功的把握更大。

第三，也是最重要的，就是：GPS系统虽然先进，但它毕竟是一个由美国国防部控制的系统。如果过于依赖GPS系统，将会对我国的国家安全带来不利影响。因此，出于国家利益的考虑，我国需要一套自己的卫星定位系统，以免在关键时刻受制于人。因此，投资比较小、技术难度较低的RDSS型系统就成了我国的必然选择。

我们经过上述的比较和分析已经看出，采用RDSS机制的北斗系统与采用军用P码的GPS系统相比，在一些重要性能上存在着一些差距，比如，采用有源定位，隐蔽性差；用户有数量限制，不像GPS系统那样在理论上可以允许无限多的用户等等。那么，该如何弥补这些差距呢？

通过前述的北斗系统的定位原理和过程可以看出，北斗系统进行定位的关键，在于获得自身的海拔高程数据。在北斗系统中，这个数据是依*在数字地图中进行查找来完成的。由于数字地图容量巨大，无法由用户机自行携带，因而必须存放在中心站的主服务器中，由主服务器完成查找工作。这是北斗系统必须采用有源定位方式的根本原因。这意味着：如果我们能有办法摆脱数字地图，由用户自行确定海拔高程，那么我们就可以实现北斗系统的无源定位。

在现实的应用中，有许多用户是可以通过别的办法来自行确定海拔高程的。比如，航行在大海上的舰船，就可以把海面当作一个理想球面，而设定自身的海拔高程为零。许多市场上出售的登山用表，也带有气压高度计，可以根据气压变化来确定自身的海拔高程，其精度误差大约在5米左右。这样的精度完全可以满足定位的需要。

如果我们对北斗系统的用户机进行改造，在里面加上一个石英钟和一个气压高度表，并接收来自三颗北斗系统定位卫星的信号，就可以象GPS系统那样，利用获得的用户机与三颗卫星转发的信号的钟差和气压高度表所提供的海拔高度，建立起一个四元方程组，解算出自身的具体坐标，从而实现北斗系统的无源定位。虽然这样的定位数据会有很大的误差，但对单兵、坦克等对定位精度要求并不高的用户来说，已经足够了。同时，我们还可以采取有源定位与无源定位相结合的办法，来提高无源定位的精度。比如，在每次开始使用无源定位功能之前，可以先用有源定位方式获得自身的精确高程数据，对自身使用的气压高度表进行校准，从而可以提供比较准确的海拔高程数据，使定位更加准确。

如果能实现北斗系统的无源定位，将可以从根本上解决北斗系统用户机采用有源定位所带来的隐蔽性差、用户容量有限的问题。同时，由于无源定位不需要发射信号，因而可以节省发射机及其所需要的能量，从而减小用户机的体积、重量和能耗，将北斗卫星定位系统配备到每一辆战车，甚至每一个士兵。而且，这种定位方式不要求改变北斗系统中心站的工作方式，完全可以兼容现有的有源定位的用户机。

也许，在不久的将来，我们就可以看到我们的战士也能和美军一样，人手一部北斗卫星定位机了。

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