二.GPS原理
三.北斗原理
一.GPS和北斗原理和性能對比
1、覆蓋范圍：北斗導航系統(tǒng)是覆蓋中國本土的區(qū)域導航系統(tǒng)。覆蓋范圍東經約70°一140°，北緯5°一55°。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統(tǒng)。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(wèi)星(實際上最多能觀測到11顆)。
2、衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性：北斗導航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛(wèi)星顆衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛(wèi)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(tǒng)是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。“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，另一方面由于設備必須包含發(fā)射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。
4、定位精度：北斗導航系統(tǒng)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(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問--應答系統(tǒng)，用戶設備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛(wèi)星發(fā)射應答信號，這樣，系統(tǒng)的用戶容量取決于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(tǒng)的用戶設備容量是有限的。GPS 是單向測距系統(tǒng)，用戶設備只要接收導航衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星系統(tǒng)一樣，“北斗一號”基于中心控制系統(tǒng)和衛(wèi)星的工作，但是“北斗一號”對中心控制系統(tǒng)的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那里而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統(tǒng)易損性，GPS正在發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨立運行。而“北斗一號” 系統(tǒng)從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統(tǒng)受損，系統(tǒng)就不能繼續(xù)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(tǒng)，中心控制系統(tǒng)解算出用戶的三維位置數(shù)據(jù)之后再發(fā)回用戶，其間要經過地球靜止衛(wèi)星走一個來回，再加上衛(wèi)星轉發(fā)，中心控制系統(tǒng)的處理，時間延遲就更長了，因此對于高速運動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)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”終端模塊價格目前已經接近平民化消費，同gps模塊一樣。
4.采用接收終端不需鋪設地面基站
5.災難中心的船只一秒鐘就可以發(fā)出信息
雖然GPS已廣泛應用，但也絕非完美無缺。
1. 其規(guī)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(xiàn)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(wèi)星定位系統(tǒng)，這方面的應用業(yè)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(qū)別主要在于兩個方面，一方面是技術體制的區(qū)別，GPS是一個接收型的定位系統(tǒng)，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(tǒng)，但是有容量的限制，GPS是美國軍方控制的軍民共用的系統(tǒng)，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，但美國人并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(tǒng)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(xiàn)在的用戶終端的價格是比GPS低端的價格要貴，現(xiàn)在GPS價格一般導航系統(tǒng)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解決了一個我在哪里的定位問題，比如在沙漠里，在海洋上。而北斗不僅僅解決了我在哪里，它還解決你在這里他在哪里的問題，北斗的用戶終端實際是具有收發(fā)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(fā)功能，它的定位需要發(fā)射然后再得到位置，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(tǒng)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，地震后我們所有的有線系統(tǒng)都可能失去功能，而北斗系統(tǒng)作為一個衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)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(fā)送位置和與位置有關的相關信息，我們可以把信息發(fā)送給有關部門。價格問題，實際上價格和用戶的數(shù)量有關系，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(xiàn)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(fā)有收的，隨著用戶業(yè)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(xiàn)在僅有定位需要的客戶，對北斗的需要不迫切。但是對于既需要位置又需要把位置傳遞出去的用戶，北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)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(guī)定，目前，北斗導航系統(tǒng)在國內是開放使用的。
PS：北斗雙星定位導航系統(tǒng)的手持機已經配發(fā)到邊防基層連隊，并且得到廣泛應用
二.GPS的原理
GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調制出來，以50b/s調制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。
可見GPS導航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。
GPS接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預報未來幾個月內衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。
GPS接收機對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。
按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。
在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。
GPS的特點
全球定位系統(tǒng)的主要特點：
(1)全球、 全天候工作。
?、俣ㄎ痪雀?。單擊定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。
?、诠δ芏?，應用廣。
GPS系統(tǒng)的特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。
1、定位精度高
應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6，100-500KM可達10-7，1000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm。
2、觀測時間短
隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以內相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。