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GPS北斗授时
美国GPS与中国北斗有什么区别呢?
来源:时频网作者:小齐网址:http://www.tf086.com

美国GPS与中国北斗有什么区别呢?

斗一代的由来

中华名族向来就是个有抱负的名族,在定位导航卫星这事上很重视。实际上从上个世纪70年代就已经开始用心了,七五规划中提出了“新四星”计划,随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。

80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等原因搁置了十年。1991年,美国的GPS在海湾战争中的应用非常成功,于是彻底把中国人打醒了,决策层深刻意识到没这东西是真的不行,双星定位方案马上启动。

当时的国情是又没经验又没钱,刚起步可得悠着点,从小打小闹开始吧,上来就玩大的容易玩脱。懂点GPS定位原理的都知道,在空间中至少要有三颗卫星才能定位,我们的双星定位方案怎么定位呢?原来双星定位方案中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标。那为什么不干脆发射三颗卫星呢?原因很简单,高度仪很便宜,卫星很贵……

北斗卫星

只有两颗星,当然不能像美国GPS那样搞中轨道的,轨道低了覆盖面就小,两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行,那中国大陆还咋用呢?因此只能搞高轨道的,而且还得是静止的,这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。静止高轨道是双星定位的必须选择,从技术上讲这毫无疑问是正确的,但却埋下了性能不强的隐患,这就是要谈的下一个问题,北斗一代的缺陷

北斗一代的缺陷

卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大,多普勒效应越明显,定位就会更加准确,这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。由于北斗一代的这两颗卫星的轨道很高,导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS。

平心而论,北斗一代已经达到了设计指标,工程是非常成功的,毕竟就只有两颗星嘛,怎么能跟几十颗卫星的GPS相比呢,好比是你花了几百块买了个自行车,骂它不如小车好,这是有失偏颇的。  

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。

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。

北斗二代的政府推广

北斗二代是国字号工程,政府当然会推广,但推广的路子跟以前很不一样了。中国政府在推广北斗二代方面显然有了新的思路,不再用行政力量去限制其竞争技术了,而是采用免费或补助的方式来利诱,事实证明这招更加有效。例如渔船安装北斗设备,政府并不禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话,而在给北斗设备提供大量补助,卫星短信也只是象征性地收费,明显北斗方案更划算,渔民当然会装北斗而弃用GPS和海事卫星电话。

北斗二代有200多项应用,需要全 社会的高科技企业去研究开发,不断提供更好的北斗产品,这样才能把北斗产业做大做强。中国已经有了不少搞定位导航的高科技企业,它们大多是搞GPS起家 的,政府的科技部门请这些老总来开会,领导讲话言简意赅:欢迎各位继续搞GPS的研究开发,政府绝不会限制和干扰,但如果搞北斗二代项目的话,会享受高科技企业的免税政策,还会从某处得到支持资金。

北斗二代的技术体制与GPS差不多,由GPS转向北斗并不难,政府划下道了,企业老总都是人 精,纷纷表态要改道搞北斗项目,政府的钱不拿白不拿。被请来开会的还有高校教授,领导又说了,政府有一笔北斗科研的经费,欢迎教授们来立项,教授们也纷纷表示要申请北斗科研项目,谁忒么还傻乎乎地继续研究GPS啊,美国政府又不给钱。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主要是完成短信任务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当,申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致,这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源,那该如何分配呢?国际规则是既不按国家来分,也不按人口来分,而是谁先占了算谁的。

北斗二代的天基系统和地基系统一旦成功结合,那大货车就再也不敢长期占用超车道了,而以前的GPS定位精度是10米,是无法区分车道的。给孩子戴的定位手表会更加精准和灵敏,定位信息不再是“在某地附近”,而是精确到孩子站在哪块地板砖上。

美国GPS

1957 年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注,有一位名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治.威芬巴赫的物 理学家,他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象,那就是这颗卫星的频率出现了偏移,经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

GPS系统就按这种思路启动了,方案中需要解决的第一个问题就是:卫星该采用低、中、高哪种轨道?如果采用低轨道的话,发射成本比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,这样浩大工程实在是负担不起。

如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但除了高轨道卫星的发射难度大之外,更主要的是定位精度会很低,原因有两个:一是轨道太高会导致测量误差大,二是静止轨道与地面物体的相对速度很小,不利于使用多普勒频移的解算方法。

中轨道是比较折衷的方案,覆盖全球只需要24-36颗卫星,由于轨道是运动的,即使地面的物体不动,但相对卫星的速度也很大,这就可以充分利用多普勒频移方法了。

为什么中国要建设北斗?

GPS对全世界的来说是个福利,但在军事方面却是个问题。所以美国将GPS分为民码和军码,对外开放的只是民码,精度比美国军方使用的军码差了十倍。更重要的是,万一跟美国打起了仗,人家把GPS民码给你一停,你不就懵了?

所以说,他国的军备绝不能依赖美国的GPS,必须要发展本国的定位导航系统。当然,全球定位导航系统只是少数大国的权利,因为全球定位导航系统实在是太浩大,综合国力微弱的小国家们根本就造不起,还是老老实实地继续用GPS吧!

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。

GPS卫星

  “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。

国际上有一个高大上的俱乐部,它只有四个会员,却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统),四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

中国北斗是个新会员,同时也是发展势头最猛的会员,北斗是咋回事?对我们的生活有什么影响?这是一个很有意思的话题。关于北斗,学术期刊上的文章有很多了,但专业文章的术语太多,普通人读不懂,而且也不会有兴趣去读。

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)。      

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。

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。      

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。      

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。      

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。

目前,不管是中国的北斗还是美国的GPS都已在工业及生活中广泛地被应用,西安同步电子科技有限公司生产与销售接收北斗与GPS卫星时间信息的产品,通过各种方式为客户提供方便准确的标准时间信息,生产的设备也已经广泛的应用在了电力、通信、广电、计量、航天、航空、兵器、船舶、交通、医疗等领域。

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