北鬥衛星與GPS介紹

學習過空間解析幾何的同學都知道，在一個立體直角坐标系中，任何一個點的位置都可以通過三個坐标資料X、Y、Z來得到确定。也就是說，隻要能得到X、Y、Z三個坐标資料，就可以确知任何一點在空間中的位置。如果能測得某一點與其它三點A、B、C的距離，并确知A、B、C三點的坐标，就可以建立起一個三元方程組，解出該未知點的坐标資料，進而得到該點的确切位置。

　　GPS就是根據這一原理，在太空中建立了一個由24顆衛星所組成的衛星網絡，通過對衛星軌道分布的合理化設計，使用者在地球上任何一個位置都可以觀測到至少三顆衛星，由于在某個具體時刻，某顆衛星的位置是确定的，是以使用者隻要測得與它們的距離，就可以解算出自身的坐标。

　　使用者如何測量與衛星的距離呢？GPS采用的辦法，是在衛星和使用者機上各安裝一個時鐘，并在衛星發送的測距信号中包含發送時的時間資訊。這樣，使用者機在接收到測距信号後，隻要與自身時鐘的時間對比，就可以獲得發送時間與接收時間的時差，再乘以光速，就可以得到與衛星的距離了。但在實際應用中，這個做法仍有缺陷。由于使用者機受空間和能源的限制，隻能采用精度較差的石英鐘，是以不可能做到與衛星時鐘的完全同步，這樣測量出來的時間差和由此所計算得出的距離必然會有較大的誤差。為消除這一誤差，GPS測距時同時接收4顆衛星的信号，進而把鐘差也作為一個未知數，與坐标共同組成一個四元方程組，與坐标一齊解算出來，進而保證了相當高的定位精度。

　　由上述的定位原理和過程可見，在GPS系統中，衛星隻起到廣播測距信号的作用，使用者機根據接收到的測距信号自主解算坐标。是以該系統是一個開放系統，可容納的使用者機數量不受限制。同時由于使用者機隻接收信号，不需要發射信号，是以它的定位保密性強。這兩點對于在軍事上的應用尤其有價值。

     GPS系統覆寫面大，精度高，是一種性能優秀的全球衛星定位系統。但是，該系統是一個由美國國防部控制的系統，是以，出于國家安全方面的考慮，一些國家希望建立自己的衛星定位系統。但是，GPS類的衛星定位系統技術難度大，投資大，一般國家難以承擔。是以，一些國家就采用了技術難度相對較低、投資相對較小的RDSS（“衛星無線電定位服務”的英文縮寫）系統。我國研制的“北鬥”系統就屬于這一類。

　　“北鬥”系統是如何工作的呢？前面已經指出，對于一個坐标未知點，如果能測得該點與其它三點A、B、C的距離，并确知A、B、C三點的坐标，就可以根據已經建立的數學模型，解算出該點的确切坐标。北鬥系統同樣是采用了這個方法，但它隻用了位于赤道上空的兩顆同步衛星提供兩個距離值，第三個距離值采用未知點與地心的距離，這個數值可以通過地球半徑加上使用者自身的海拔高程得到。這樣，由于地心坐标已知，是以通過三個距離值和三點的坐标，就可以解算出使用者機的具體坐标了。

　　那麼，如何獲得使用者的海拔高程呢？北鬥系統采用的是在數字地圖上進行查找的辦法。其原理是：将地球表面當作一個不規則球面，根據使用者機到兩顆衛星的距離，在數字地圖上搜尋符合條件的點，其結果就是使用者的坐标。由于采取了這樣的工作原理，是以北鬥系統的工作過程與GPS系統有着很大的不同。

　　北鬥系統的一次定位工作流程簡述如下：

　　第一步，由地面中心站向位于同步軌道的兩顆衛星發射測距信号，衛星分别接到信号後進行放大，然後向服務區轉播；

　　第二步，位于服務區的使用者機在接收到衛星轉發的測距信号後，立即發出應答信号，經過衛星中轉，傳送到中心站；

　　第三步，中心站在接收到經衛星中轉的應答信号後，根據信号的時間延遲，計算出測距信号經過中心站——衛星——使用者機——衛星——中心站的傳遞時間，并由此得出中心站——衛星——使用者機的距離，由于中心站——衛星的距離已知，由此可得使用者機與衛星的距離；

　　第四步，根據用上述方法得到的使用者機與兩顆衛星的距離資料，在中心站儲存的數字地圖上進行搜尋，尋找符合距離條件的點，該點坐标即是所求的坐标；

　　第五步，中心站将計算出來的坐标資料經過衛星發送往使用者機，使用者機再經過衛星向中心站發送一個回執，結束一次定位作業。

　　由上述定位過程可見，北鬥系統的定位作業需要中心站直接參加工作，中心站在每次定位過程中都處于核心的位置。這使它具有一些與GPS系統不同的特殊特性：

　　第一，從北鬥系統的定位過程可以看出，它是一個有源系統，使用者機在定位過程中必須發射信号。這是它與GPS系統最大的不同。既然可以發送信号，就可以具備通信能力。是以，北鬥系統具有低速通信功能，可以在中心站與任意一使用者機之間或任意兩個使用者機之間一次發送36個漢字字元的資訊，經過授權的使用者一次可以發送120個漢字的資訊。這個功能是GPS所無法具備的。

　　第二，北鬥系統每次定位作業都是由使用者機送出請求，經過中心站解算出坐标，然後發送給使用者機。這種工作方式使得北鬥系統存在着使用者容量限制，凡是未經授權的使用者都無法利用北鬥系統進行定位作業，因而具備極好的保密性和反利用性。

　　第三，北鬥系統一次定位需要測距信号經中心站——衛星——使用者機往返兩次，是以費時比較長，從使用者機發出定位請求到收到定位資料大約需要1秒鐘，是以它不适合飛機、飛彈等高速運動的物體，而更适合艦船、車輛、人員等低速運動目标的定位。

　　北鬥系統的這些特性運用到軍事上，還具有一些特殊的功能：

　　首先，北鬥系統的短信功能可以用來傳遞簡短的指令和資訊，進而極大地便利部隊的指揮和資訊流動。但由于需要發送信号，不利于隐蔽，是以在軍事上使用時，必須制定嚴格的保密措施和使用規範。同時，由于北鬥系統需要使用者機在中心站擁有自己的賬号，是以它有容量限制，不像GPS系統那樣，在理論上可以容納無限多的使用者。

　　其次，由于北鬥系統的解算工作都在中心站進行，是以在使用者得知自己的方位的同時，别人也可以知道其方位。運用在軍事上，這意味着部隊的上級上司機關可以随時掌握裝備了北鬥使用者機的部隊的方位，進而便利指揮。在2001年的車臣戰争中，俄羅斯軍隊一支小分隊被叛軍包圍，因上級始終不知其位置，無法增援，最終全軍覆沒。如果當時俄軍裝備了類似北鬥系統這樣的定位系統，這一悲劇就不會發生。但是，如果敵方破解了北鬥系統的電文密碼，然後向中心站發送大量僞信号，就可以導緻中心站的主處理機不堪重負而癱瘓，進而導緻整個系統停止工作。另外，如果敵人摧毀了中心站，也會導緻系統的癱瘓。

     根據以上分析，我們可以看出，北鬥系統與GPS系統的最大不同，就在于它采用了有源定位和集中計算的工作機制。從計算機的角度來看，北鬥系統實際上是一個主機——終端型的集中式計算機網絡系統。相比之下，GPS系統采用24顆衛星組成的星座隻提供測距信号，計算由各個使用者機自行完成。是以，相比之下，GPS系統的适應性更強，安全性更高。那麼，為什麼我國在建立北鬥系統的時候，采用了RDSS體制，而沒有采取與GPS一樣的工作機制呢？主要有如下一些因素：

　　第一，GPS系統需要24顆衛星組成星座才能保證系統的正常運轉，這需要大量的資金。相比之下，北鬥系統隻需要2顆定位衛星和1顆備用衛星共計3顆衛星就可以工作，這比GPS便宜得多，更适合我國的國情。 　　第二，GPS型的衛星定位系統的研制難度高。美國經曆了30餘年，發展了兩代衛星才達到比較滿意的定位精度和效率，GPS的技術難度和所需的積累由此可見一斑。相比之下，RDSS系統可以充分利用我國現有的同步衛星資源和技術，實作起來比較容易，成功的把握更大。

　　第三，也是最重要的，就是：GPS系統雖然先進，但它畢竟是一個由美國國防部控制的系統。如果過于依賴GPS系統，将會對我國的國家安全帶來不利影響。是以，出于國家利益的考慮，我國需要一套自己的衛星定位系統，以免在關鍵時刻受制于人。是以，投資比較小、技術難度較低的RDSS型系統就成了我國在建設第一代衛星定位系統時的必然選擇。

     關于北鬥一代，有兩點需要說明：

　　第一，因為北鬥一代是有源定位，是以它有系統容量限制，不像廣播式的GPS那樣在理論上可以容納無限多的使用者。具體說來，目前目前北鬥一代可容納的使用者數大約為幾百萬，每秒可處理的使用者定位請求最多不超過200個。

　　第二，因為北鬥一代的衛星位于距地面高度為36000公裡的地球同步軌道，是以使用者機與它通信需要相當大的功率才行。這就使得北鬥一代的使用者機十分笨重，即使是手持式的體積和重量也遠大于手機。