1 定位系统中的老大（GPS的定位原理）

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”（一代）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？
　　学习过空间解析几何的同学都知道，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，由于在某个具体时刻，某颗卫星的位置是确定的，因此用户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。

2 中国北斗一代定位系统

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。

3 北斗一代系统一次定位流程

　　北斗系统的一次定位工作流程简述如下：
　　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。
　　

4 北斗一代与GPS的差异

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，可以在中心站与任意一用户机之间或任意两个用户机之间一次发送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。
　　

5 北斗一代在军事上的应用

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。

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。

6 北斗为什么采用RDSS体制

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？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型系统就成了我国在建设第一代卫星定位系统时的必然选择。

7 关于北斗一代的其他说明

关于北斗一代，有两点需要说明：
　　第一，因为北斗一代是有源定位，因此它有系统容量限制，不像广播式的GPS那样在理论上可以容纳无限多的用户。具体说来，目前目前北斗一代可容纳的用户数大约为几百万，每秒可处理的用户定位请求最多不超过200个。
　　第二，因为北斗一代的卫星位于距地面高度为36000公里的地球同步轨道，因此用户机与它通信需要相当大的功率才行。这就使得北斗一代的用户机十分笨重，即使是手持式的体积和重量也远大于手机。

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