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GPS和北斗原理和性能对比

2017-04-09
关键词: GPS 北斗原理

  一.GPS北斗原理和性能对比

  二.GPS原理

  三.北斗原理

  一.GPS和北斗原理和性能对比

  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”终端模块价格目前已经接近平民化消费,同gps模块一样。

  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

  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

  二.GPS的原理

  GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

  可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。

  GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。

  GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。

  GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

  按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

  在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。

  GPS的特点

  全球定位系统的主要特点:

  (1)全球、 全天候工作。

  ①定位精度高。单击定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。

  ②功能多,应用广。

  GPS系统的特点:高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

  1、定位精度高

  应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6,100-500KM可达10-7,1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

  2、观测时间短

  随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20KM以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟。