北斗与GPS的比较与优势分析

北斗与GPS的比较与优势分析

北斗导航系统与GPS的比较与优势分析

20世纪70年代，美国海陆空三军开发了第一代卫星定位系统GPS，经过20余年的发展，覆盖全球的GPS卫星星座布局完成，美国在全球定位领域实现技术垄断和商业垄断。

在上世纪末的一场战争中，美军利用GPS系统对敌军实现精准打击，让我国深刻意识到自主研发全球定位导航系统的重要性和必要性。

因此，1994年我国启动了北斗一号工程，2004年启动北斗二号工程，2009年启动北斗三号工程。截至2023年，北斗系统的卫星数量已增加到58颗。至2023年7月，北斗系统已服务全球200多个国家和地区用户。

北斗导航系统和GPS的比较分析

系统架构

北斗导航系统和GPS的架构是一致的，都包含空间部分、地面部分和用户设备。

• 空间部分指的是运行在太空轨道中的多颗卫星；
• 地面部分是建立在地球上的监测站、接收站和主控台；
• 用户设备就是使用定位导航系统的终端设备。

GPS卫星系统构成

北斗卫星系统构成

定位原理

GPS的发展比北斗早了几十年，使用的是被动式单向测距三维导航算法，用户设备只需要接收四个卫星的位置信息就可以运算得出自己所在的位置。

简言之，就是通过在不同位置测量卫星与接收器间的距离，从而确定接收器的准确位置。

通常，一个接收器需要至少与4颗GPS卫星保持直接联系，才能精确判断自身位置。如果仅有3颗卫星，则无法确定海拔高度；而若只有2颗，那精确位置便无从谈起了。

北斗的发展过程中，定位的原理是发了很大变化的。

最早期北斗一号，限于当时我国的国力和经济条件，使用的是两颗卫星的定位方法，地面设备还需要自备高度测试仪器，解算出位置信息再发给用户，而且导航卫星也只能处于高轨道运行。

到了北斗二号时，卫星数量得到补充，在兼容北斗一号的基础上，增加了无源定位体制，北斗导航系统开始采用卫星无线电测定和卫星无线电导航结合的机制，不但可以像GPS一样提供定位导航服务，还能够发送位置报告和短报文通信。

2020年完成的北斗三号，继承了有源定位和无源定位，完全实现全球定位导航，同时具备其特色的短报文功能，并在精度上逼近GPS导航系统。

星体轨道

GPS的24颗卫星位于地球的中轨道上，距离地表约两万千米。GPS的24颗卫星均匀的分布在六个轨道平面上，轨道角度55°，这样的卫星星座图实现了地表上任意位置均能观测到四颗以上的卫星，确保了定位精度。实际上GPS的卫星数量是超过24颗的，多余的是作为备用卫星使用。

北斗导航系统的星体轨道也是经历了两代的发展，北斗一号最开始是双星定位，在高轨道运行。到了北斗二代已经将一代的模式淘汰了，随着我国国力增强，卫星数量可以满足全球定位的要求，卫星也不必在高轨道运行。目前我国实际在轨运行的卫星数量已达到58颗，大部分位于中轨道。

覆盖范围

GPS早在20世纪末期就实现了全球98%以上区域的覆盖，因此应用也最为广泛。

北斗的发展较晚，北斗一号是我国在全球定位导航系统领域的尝试，到了北斗二号开始实现区域覆盖，由我国领土像东南亚地区辐射开来，然后是一带一路国家。

北斗三号卫星组网建成后，已彻底实现全球范围内的覆盖应用。

系统实时性

北斗卫星导航系统具有较高的实时性，其响应时间一般在数十毫秒以内。而GPS系统虽然也能实现较快的定位速度，但在某些特殊情况下（如需要快速反应的军事行动），北斗卫星导航系统可能更具优势。

定位精度

现在最新的数据显示，在2022年2月全球监测结果显示，北斗系统B1C频点的定位精度是水平精度1.76米、高程精度3.14米、空间信号精度0.49米。而美国的GPS水平精度则是2.23米，高程精度是4.28米，空间信号精度是0.85米。从这些数值可以看得出，我们的北斗卫星导航系统在定位精度方面已经比美国的GPS高得多，各项指标都完胜GPS，大幅度领先GPS。

在亚太地区，北斗卫星导航系统的水平定位精度达到1.32米，垂直精度达到2.14米；在全球范围内，北斗卫星导航系统的水平精度达到1.53米，垂直精度达到2.59米。整体上和美国的GPS旗鼓相当，有一些指标甚至比GSP更胜一筹。当然，这主要是公开的民用定位精度数据，对于军事应用来说，其精度可能会更高，这部分数据则属于机密范畴。一个广为流传的实例是，在抗战胜利70周年的9.3大阅兵中，地面方队的行进时间误差仅为0.3秒以内，距离误差控制在正负10厘米以内，空中梯队的表现更是精准到米秒不差，这其中北斗系统功不可没。

值得一提的是，北斗系统还创新性地融合了三种轨道混合星座设计，赋予了其精密单点定位、星基增强、区域短报文通信、国际搜救以及全球短报文通信等先进功能，从而能够提供更为卓越的导航信号。

用户容量

我国开始研制北斗时，GPS已经实现了商用。GPS为无源定位，理论上的用户容量是无限大的。

北斗一号是有源定位，用户容量十分有限，但是更迭到北斗二号和北斗三号后，结合了无源定位技术后，北斗导航系统的用户容量也扩大到了无限大，所以这方面二者是差别不大的。

通信功能

GPS是单向测距的模式，并不具备通信功能。

从北斗一号开始，通信功能就是其一大特色。发展到北斗三号，通信功能依旧被保留下来。

中国及周边地区短报文通信服务，服务容量提高10倍，用户机发射功率降低到原来的1/10，单次通信能力1000汉字（14000比特）；全球短报文通信服务，单次通信能力40汉字（560比特）。

中国北斗的独特优势

北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风表示，中国发展北斗卫星导航系统有一个理念：中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗。北斗系统是按照服务全球、造福人类的全球系统来建设的，为全球提供集多种功能于一体的免费服务能力，如果使用手机等终端的增值服务有些是要收费的，但作为系统为全球提供的服务是免费的。

短报文是北斗特有的功能，从北斗一号一直延续到北斗三号系统。

导航卫星和通信卫星是两类卫星，但北斗导航卫星上却附加了通信功能。中国卫星导航定位协会副秘书长王博介绍，北斗用户利用终端，不仅可以知道自己的位置，还可以通过短报文将自己的情况告诉他人。

在有移动网络覆盖的地区，这一功能似乎鸡肋，但在大量尚未有网络覆盖的地区，如沙漠、远洋、深山、森林等，就必须要依靠卫星通信。一般卫星通信比较昂贵，北斗短报文则成本低廉，且附加在导航终端里，更为便利，在应急救援、远洋渔业等领域得到有效应用。

如今，北斗三号的短报文通信能力显著提升，从一次发送120个汉字提升到一次1000多汉字，还可发送图片等信息，应用场景更为丰富。

除了短报文，北斗系统还有多种特殊应用，另一个例子是国际搜救。北斗三号系统的6颗MEO卫星上，装有搜救载荷，可以与其他全球卫星搜救系统一起，为全球用户提供搜救服务。“举个例子，渔船在作业过程中遇到恶劣天气遇险，搜救终端在触水之后会自动把搜救信号发到卫星上，卫星会把这些信息转发到地面系统，地面系统可以快速计算出遇险者的位置，告诉附近的救援力量快速开展搜救工作。”北斗卫星系统总师林宝军此前介绍。

这项服务是按国际卫星标准，与其他国际卫星搜救系统联合开展的一项免费公益性服务，主要用于水上、陆地、空中遇险目标的定位和救援。

北斗有哪些技能？对你我影响几何？

现在北斗系统不仅已广泛用于交通运输、基础测绘和搜救打捞等领域，还正在金融、通信、电力、工程勘测、精准农业、资源调查、地震监测、公共安全、应急救灾、全球搜救和国防建设等许多方面大显身手。就拿最近的“618”来说，北斗也在智慧物流方面也发挥着重要作用。

工程建设利器

“北斗”系统可为建筑、挖掘、路基、规划设计、物理勘探、石油钻探和地壳运动监测等许多工程提供高精度定位，因此能大大提高工程建设的生产力，并提升相关活动的精度和效率，比传统测量方法的效率高3倍以上。比如，应用该技术已使道路、桥梁的建设精度达到毫米级，大大提高了隧道、地铁等重要交通基础设施的测量与建设精度，降低了建设成本。最简单的例子是：盖高楼时，用“北斗”终端可随时测量楼房歪不歪。

助力精细农业增产

导航卫星的精确定位功能可广泛用于农场规划、田间测图、土壤取样、拖拉机引导、作物田间检测和播种速度选择以及肥料、杀虫剂和产量检测系统等。它能够提升农药、除草剂和肥料使用的精度，同时更好地控制化学物质的扩散，从而降低成本、扩大产量。据估计，卫星导航技术带动的平均增产可以达到10%，平均成本能够降低15%。

海洋渔业的帮手

渔业是“北斗”卫星导航系统应用最早也最为广泛的行业之一。安装了“北斗”用户机，不仅可以为船只导航，还可以通过“北斗”独有的短报文通信技术，报告船只位置和船上人员的情况。我国已经有约10万艘出海渔船安装了“北斗”用户机。我国已通过“北斗”先后向渔民发送了数万次热带气旋等危险气象信息警报，救助了多艘渔船、渔民、病人等，累计救助1万余人，有效避免涉外事件多起，挽回经济损失上亿元。

金融电力的保障

现在，网络已经成为现代金融业的重要基础。然而，在网络条件下的金融服务体系中，时间的同步是至关重要的，用“北斗”系统提供的精确授时服务可使现代金融体系实现网络时间同步段，保证现代金融系统安全运行，因为全国各金融单位的1秒钟误差，就有可能带来巨额的损失。基于“北斗”卫星导航系统的“北斗电力全网时间同步管理系统”投入使用后，结束了我国电力运行时间完全依赖美国GPS的历史，有效地保障了我国电力安全和国家安全。

实现防灾救灾实时调度

在紧急救援上，基于“北斗”系统的导航定位、短报文通信以及位置报告等功能，已实现全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。2008年汶川地震时，震区通信中断。救援部队通过“北斗”的短报文功能，让救援部队和指挥部的联系保持顺畅，从而保证了指挥命令及时下达、灾情信息实时上报等整个救灾的指挥调度，在决策、搜救、医疗等工作中发挥了关键作用。

我国已把“北斗”技术与井下监测技术相结合，实现了对井下瓦斯浓度、风机转停等关键参数的实时监测。我国还将“北斗”引入自动气象站，增强了自动气象站适应性。

由于“北斗”可实现全国范围的无缝覆盖，具有定位、授时和短报文等功能，所以为森林防火、扑火的指挥调度提供了新的技术，有效解决了火场定位、侦察、引导扑救、后勤保障、损失评估等问题。目前，全国各地森林防火系统已经配备多台套“北斗”用户机，取得了明显的经济和社会效益。

依托大数据实现智慧物流

物联网是未来社会的发展方向。“北斗”系统可作为物联网的一个重要组成部分，应用在感知、网络两个层面。这里我们侧重说说“北斗”在智慧物流方面的应用。比如，北京近年来逐步在物流车辆上安装“北斗”设备，结合自身的物流大数据，进行了物流智慧管理。通过对车辆速度和路线的实时监控，保障驾驶安全；结合“北斗”卫星导航系统的地理位置数据，进行数据分析和挖掘，定制服务线路，提高物流效率，管控成本，也让信息更透明。

“互联网+北斗物流”项目，通过手机货源APP终端，能让行进中的空货车找到离自己最近的货源。有了这款APP终端，包裹能更加及时地进行运输，早一天开始运输，就能早一天送达目的地。

此外，国内电商平台还研制出了“北斗”智能车载终端及人员佩戴式手环设备等北斗产品，并接入物流云平台进行有效运转，能实时掌握和调度车辆、人员位置、状态和载货信息，为客户提供最适合的配送方案，并根据需求变化迅速调整。

只受想象力的限制

随着卫星导航接收机的集成微小型化，它可以被嵌入到其他的通信、计算机、安全和消费类电子产品中，使其应用领域更加广泛。卫星导航系统与消费类电子产品的融合是目前导航系统在社会中最广泛应用的一种方式，如在MP3、MP4、笔记本电脑、手机和数码相机等电子产品中集成导航功能，提供一种基于位置的服务。

还有前段时间的珠峰高程测量，服务大众的北斗手表、北斗手机、防走失关爱定位卡，“北斗之星”创新创业大赛，等等等等……

“北斗”的用途远不止如今的车辆导航、手机定位、电子地图。由于智能产业与时空信息密切相关，能提供位置和时间信息的卫星导航技术必将被用于智能网络、智能传感、智能交通、智能通信、智能物流、智能社区、智能电网等所有智能产业中，并形成各种前所未有的新型商业模式。

有关“北斗”应用的例子举不胜举，当它与云计算等新技术结合时，其应用“只受想象力限制”绝不是一句空话。