GPS系統概念

　　全球定位系統（NAVSTAR GPS，NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System，以下簡稱GPS）是一個中距離圓型軌道衛星定位系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。該系統的組成包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中4顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

　　該系統是由美國政府於20世紀 70年代開始進行研製於1994年全面建成，原是美國國防部為了軍事定時、定位與導航的目的所發展，希望以衛星導航為基礎的技術可構成主要的無線電導航系統，未來並能滿足下一個世紀的應用。第一顆GPS衛星在1978年發射，首十顆衛星稱為BLOCK I試驗型衛星，從1989年到1993年所發射的衛星稱為BLOCK II/IIA量產型衛星，第二十四顆BLOCK II/IIA衛星在1994年發射後，GPS已達到初步操作能力（Initial Operational Capability，IOC），24顆GPS衛星提供全世界24小時全天候的定位與導航信息。美國空軍太空司令部於1995年4月27號宣布GPS已達到完整操作能力（Full Operational Capability），將BLOCK I衛星加以汰換而24顆衛星全部為BLOCK II/IIA衛星，之後又發射四顆BLOCK IIA及一顆BLOCK IIR衛星，成功地滿足軍事實務的操作。
　　由於此技術的迅速發展，使得民間應用的需求與日遽增，對於傳統導航方式更有革命性的影響。

　　全球衛星定位系統介紹
　　
　　全球衛星定位系統實際上是由24顆衛星所組成，其中有3顆為備用衛星，這些衛星分布於距地表20,200公里的上空，而且分屬於6個軌道面；衛星軌道面傾斜角為55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次﹐持續不斷的定位訊號。這些衛星每11小時58分環繞地球一次，即每天繞過您的頭頂二次，就像是月球一樣不停地繞着地球旋轉，其速度約每秒1.8哩。這些衛星需要地面管制站隨時加以監控是否GPS衛星在其正確的軌道上及正常運作，另外監控中心可上傳資料給衛星，衛星再將這些信息下傳給GPS使用者使用。地面共有五個監控中心，四個上傳資料站及一個控制中心，這些控制站以緯度來劃分其所控制的衛星。在概念上﹐GPS 是代表着整個系統﹐包括天空上的衛星、地面控制站及GPS接收機。不過一般而言﹐GPS即意指一個GPS接收機﹐這是因為我們在使用上多半只會接觸GPS 接收機的緣故。一般所使用之GPS接收機在任何時刻接收到4顆或更多的衛星。使用者只需擁有GPS接收機，無需另外付費。GPS信號分為民用的標準定位服務（sps,standard positioning service)和軍規的精密定位服務（pss,precise positioning service)兩類。民用訊號中加有誤差，其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米以下。2000年以後，克林頓政府決定取消對民用信號所加的誤差。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

　　GPS系統擁有如下多種優點：全天候，不受任何天氣的影響；全球覆蓋（高達98%）；三維定速定時高精度；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；可移動定位；不同於雙星定位系統，使用過程中接收機不需要發出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。
　　為了使民用的精確度提升，科學界發展另一種技術，稱為差分全球定位系統(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考座標點(由其它測量方法所得), 來修正 GPS 的誤差。再把這個即時(real time)誤差值加入本身座標運算的考慮, 便可獲得更精確的值。
　　GPS有2D導航和3D導航分，在衛星信號不夠時無法提供3D導航服務，而且海拔高度精度明顯不夠，有時達到10倍誤差。但是在經緯度方面經改進誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區撲捉衛星信號要花較長時間。

　　GPS的功能

　　精確定時：廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中
　　工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量
　　勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到
　　導航：
　　武器導航：精確制導導彈、巡航導彈
　　車輛導航：車輛調度、監控系統
　　舶導航：遠洋導航、港口/內河引水
　　飛機導航：航線導航、進場着陸控制
　　星際導航：衛星軌道定位
　　定位：
　　車輛防盜系統
　　手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統
　　兒童及特殊人群的防走失系統
　
　　GPS的六大特點
　　全天候，不受任何天氣的影響；
　　全球覆蓋（高達98%）；
　　三維定速定時高精度；
　　快速、省時、高效率；
　　應用廣泛、多功能；
　　第六，可移動定位。

　　北斗衛星導航定位系統，是中國自行研製開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統（CNSS），是除美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之後第三個成熟的衛星導航系統。該系統由三顆（兩顆工作衛星、一顆備用衛星）北斗定位衛星（北斗一號）、地面控制中心為主的地面部份、北斗用戶終端三部分組成。可向用戶提供全天候、二十四小時的即時定位服務，定位精度可達數十柰秒(ns)的同步精度，其精度與GPS相當。

　　三顆導航定位衛星的發射時間分別為：

　　2000年10月31日；
　　2000年12月21日；
　　2003年5月25日，第三顆是備用衛星

　　系統構成與工作原理

　　北斗衛星導航定位系統的系統構成有：兩顆地球靜止軌道衛星、地面中心站、用戶終端。北斗衛星導航定位系統的基本工作原理是“雙星定位”：以2顆在軌衛星的已知坐標為圓心，各以測定的衛星至用戶終端的距離為半徑，形成2個球面，用戶終端將位於這2個球面交線的圓弧上。地面中心站配有電子高程地圖，提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。用數學方法求解圓弧與地球表面的交點即可獲得用戶的位置。
　　由於在定位時需要用戶終端向定位衛星發送定位信號，由信號到達定位衛星時間的差值計算用戶位置，所以被稱為“有源定位”。

　　北斗星導航系統與GPS系統比較

　　1、覆蓋範圍：北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統。覆蓋範圍東經約70°一140°，北緯5°一55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統。能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛星(實際上最多能觀測到11顆)。

　　2、衛星數量和軌道特性：北斗導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星顆衛星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛星為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。

　　3、定位原理：北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供用戶三維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。“北斗一號”的這種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由於設備必須包含發射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處於不利的地位。

　　4、定位精度：北斗導航系統三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時精度日前約20ns。

　　5、用戶容量：北斗導航系統由於是主動雙向測距的詢問--應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統的用戶容量取決於用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。 GPS 是單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。

　　6、生存能力：和所有導航定位衛星系統一樣，“北斗一號”基於中心控制系統和衛星的工作，但是“北斗一號”對中心控制系統的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那裡而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀後GPS衛星可以獨立運行。而“北斗一號” 系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。

　　7、實時性：“北斗一號”用戶的定位申請要送回中心控制系統，中心控制系統解算出用戶的三維位置數據之後再發回用戶，其間要經過地球靜止衛星走一個來回，再加上衛星轉發，中心控制系統的處理，時間延遲就更長了，因此對於高速運動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號”衛星導航系統也有一些自身的特點，

　　1. “北斗”具有定位和通信雙重作用,具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。
　　2. “北斗”定位精度一點二米
　　3. “北斗”終端價格兩萬元左右
　　4.採用接收終端不需鋪設地面基站
　　5.災難中心的船隻一秒鐘就可以發出信息

　　對比　：

　　雖然GPS已廣泛應用，但也絕非完美無缺。

　　1. 其規模太大、造價太高，其他國家很難效仿，俄羅斯和歐洲的空間局就是典型的例子。
　　2. GPS只能用作導航卻無法實現通信功能，因而不能滿足日益增長的用戶需求。如果僅依賴GPS，則容易受別人的控制。“??性衛星定位系統，這方面的應用業務剛剛開始，在這之前民用的一些試驗試點工作已經開展一年多了。

　　“北斗一號”和GPS的區別主要在於兩個方面，一方面是技術體制的區別，GPS是一個接收型的定位系統，只轉播信號，用戶接收就可以做定位了，不受容量的限制。“北斗一號”是雙向的，既有定位又有通信的系統，但是有容量的限制，GPS是美國軍方控制的軍民共用的系統，對世界開放。我們中國人所說的使用的 GPS是可以免費接收它的信號，但美國人並不承諾保證你的使用，他目前不收費，但沒有承諾永遠不收費。
　
　　美國的GPS在當年剛剛被使用時要比“北斗一號”貴得多，早期在上世紀80年代末90年代初人們在用GPS系統時最便宜的GPS接收機就要幾萬美元，貴的要幾十萬美元，一套兩個。北斗現在的用戶終端的價格是比GPS低端的價格要貴，現在GPS價格一般導航系統在幾千元人民幣，高精度GPS幾萬到十幾萬元人民幣不等。北斗的用戶終端目前在兩萬元左右。

　　另一個問題就是它的用途和特點是不一樣的，GPS解決了一個我在哪裡的定位問題，比如在沙漠裡，在海洋上。而北斗不僅僅解決了我在哪裡，它還解決你在這裡他在哪裡的問題，北斗的用戶終端實際是具有收發功能，而GPS只具有接收功能，它通過接收才知道位置，而北斗是具有收發功能，它的定位需要發射然後再得到位置，同時它的位置可能傳給你也可以傳給關心你的人，實際上北斗是具有一個定位和通信雙重功能的設備，在用戶群上是不一樣的，接收的場合是不一樣的。

　　PS：北斗當年論證的時候，國家地震局地震研究所的一位研究員出了一份論證報告就是談這個問題的，北斗系統將成為一個生命線工程，就是和人類生存活動相關的一些工程，比如說大地震，地震後我們所有的有線系統都可能失去功能，而北斗系統作為一個衛星監視系統既可以有及時的位置報告，又可以通信，比如說海嘯，實際上是由地震引起的，北斗去做救援是非常有用的，它可以及時地發送位置和與位置有關的相關信息，我們可以把信息發送給有關部門。價格問題，實際上價格和用戶的數量有關係，一千個用戶與一萬個、十萬個用戶來比，用戶終端的成本會有很大不同，現在主要的成本就在用戶終端里，北斗用戶終端剛才說了是有發有收的，隨着用戶業務的開展，成本一定會降下來。 所以說“北斗”是平民化的
　　北斗一號”的潛力所在，主要在定位通信綜合領域上，對這種綜合功能有需求的領域都會得到充分的應用，現在僅有定位需要的客戶，對北斗的需要不迫切。但是對於既需要位置又需要把位置傳遞出去的用戶，北斗衛星導航定位系統是非常有用的

　　北斗定位精度與GPS相當，一般都在1.2米左右。按照規定，目前，北斗導航系統在國內是開放使用的。

　　PS：北斗雙星定位導航系統的手持機已經配發到邊防基層連隊，並且得到廣泛應用。

　　一、整機組成

　　手持機外觀結構： 整機外觀由軍綠色和暗灰色組成； 整機具備一定的防雨水、積雪、高低溫和防腐蝕能力； 具有觸摸屏和鍵盤兩種操作模式； 外形尺寸≤225×8165×5850mm3，重量：720g；

　　手持機內部結構：手持機內部包括天線、射頻模塊、主板、電池等；主板上設有電源開關和顯示終端工作狀態的指示燈，即：電源和發射狀態指示燈、鎖定衛星信號指示燈（2個）； RS232接口（1個），接口數據線2米；機內配置的電池能夠保證終端持續工作88小時以上（發射頻度不超過1次/分鐘）；

　　二、基本功能

　　1、定位功能

　　設備應能夠通過北斗定位申請指令實時提供其所在位置的經度、緯度與高程，定位精度小於20米，並以標準形式顯示（經度，度分秒）、（緯度，度分秒）、（高程，米）、（時間，年月日時分秒）。採用BJ54坐標系。

　　設備收到北斗定位信息時，根據設定給出聲、光或符號提示，並可方便轉化到其它界面。
　　
　　設備可以設定北斗自動定位頻度，定位頻度受終端的用戶等級限制，設備在自動定位時仍可以正常進行通信。

　　終端接到授權用戶（指揮機）發出的北斗激發定位指令後，自動發出定位請求。

　　2、通信功能

　　用戶每次最多可以傳送120個漢字的信息，特快通信一次最多只能發送13個漢字。
　　
　　終端設備本身具有電文鍵入、編輯、發送、接收和顯示功能。

　　信息發射後具有要求系統回執功能，該功能可人工設置。

　　接收到通信信息時，根據設定給出聲、光或符號提示，實時顯示通信時間、發信地址和通信電文。

　　通信電文中的數字、字符採用ASCII碼編碼，漢字採用GB 2312編碼；對外設傳入的數據不改變編碼，透明傳輸。基本漢字字庫要求為國標GB 2312-80一級字庫。

　　按先進先出的原則動態存儲接收的通信信息，通信信息含通信時間、發信地址和通信電文，接收的通信信息可人為鎖定存儲、解鎖和刪除。存儲容量為20包數據，鎖定存儲能力為10包數據，每包數據不超過200個字節。

　　用戶終端可向中心控制系統查詢其他用戶發給本用戶的通信電文和通信回執。

　　3、校時功能

　　終端設有時鐘（年-月-日-時-分-秒），用系統接收信息進行自動校對。

　　4、集成了氣壓計、溫度計和電子羅盤

　　5、遙閉功能

　　終端設備在收到控制中心發出的遙閉指令後，將終端永久關閉。

　　6、數據接口功能
　　
　　用戶終端機應具備通用數據接口（RS232串口），以便於與外部設備進行數據通信。
　　
　　7、用戶識別功能

　　終端具有多用戶識別功能，採用智能IC卡的方式來實現，智能IC卡的相關規定和協議參見衛星定位總站的相關技術文檔；

　　三、工作環境：

　　溫度：－20～＋55℃ 存儲環境：－40～＋80℃；
　　濕度：5％～98％ 衝擊：6g/s
　　振動：0.1g/(20～100)Hz