北斗无源定位原理和改造(含gps原理)
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“北斗”系统可以实现无源定位吗？管理提醒: 本帖被大秦从图书资料移动到本区(2007-07-27)[编者按]“北斗”导航定位系统使我国成为世界上自主建立卫星导航定位系统的国家之一，与GPS系统相比，“北斗”系统有其优点，但也有一些差距，最通俗的表象之一就是不能像GPS那样，使士兵每人都有一部GPS接收机。
为什么呢?因为采用有源定位的“北斗”系统的用户不像采用无源定位的GPS用户那样，只接收信号，它们还需发射信号才能完成定位；这就存在隐蔽性差和用户数量受限制的缺点，那么——2003年5月25日，随着第三颗“北斗”1号导航定位卫星发射升空，我国自行研制的“北斗”卫星导航定位系统正式建成。
这使我国成为世界上为数不多的自主建立卫星导航定位系统的国家之一。
那么，这个系统有什么功能?它与我们熟悉的美国GPS系统的区别又在哪里呢?GPS系统的工作原理与性能1957年，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星——“伴星1号”。
美国霍普金斯大学应用物理实验室的科学家在追踪这颗卫星时发现，他们接收到的卫星发出的信号因卫星与地面的相对移动而产生了多普勒频移，即他们接收到的信号频率与卫星发射信号时的频率有一定的频差，而且发现，多普勒频移曲线与卫星轨道之间存在着一一对应的关系。
这意味着，如果知道接收站的精确方位和某颗卫星通过其观测区域期间的多普勒频移曲线，就可以确定该卫星的运行轨道；反过来，如果确知卫星的运行轨道，那么只要能测得它在通过某观测点上空时的频移曲线，也能获得观测点的位置。
根据这一原理，美国海军于1964年建立了世界上第一个卫星导航系统——“子年仪”系统，并于1967年向民用开放。
但“子午仪”系统存在着定位时间长、误差大、不能连续快速定位(两次定位之间平均时间间隔为1．5小时)等缺陷，美国从1973年开始新一代卫星定位系统的研制，这就是GPS系统。
1993年，GP S系统达到了初始工作能力；1995年，GPS系统达到了完全工作能力。
至此，GPS系统的建设正式完成。
GPS系统的定位原理和过程可以简述如下：在一个立体直角坐标系中，任何一个点的位置都可以通过三个坐标数据X、Y、z来得到确定。
也就是说，只要能得到X、Y、Z三个坐标数据，就可以确知任何一点在空间中的位置。
如果能测得某一点与其它三点A、B、C的距离，并确知A、B、C三点的坐标，就可以建立起一个三元方程组，解出该未知点的坐标数据，从而得到该点的确切位置。
GPS就是根据这一原理，在太空中建立了一个由24颗卫星所组成的卫星网络，通过对卫星轨道分布的合理化设计，用户在地球上任何一个位置都可以观测到至少三颗卫星，只要测得与它们的距离，就可以解算出自身的坐标。
用户如何测量与卫星的距离呢?GPS采用的办法，是在卫星和用户机上各安装一个时钟，并在卫星发送的测距信号中包含发送时的时间信息。
这样，用户机在接收到测距信号后，只要与自身时钟的时间对比，就可以获得发送时间与接收时间的时差，再乘以光速，就可以得到与卫星的距离了。
但在实际应用中，这个做法仍有缺陷。
由于用户机受空间和能源的限制，只能采用精度较差的石英钟，因此不可能做到与卫星时钟的完全同步，这样测量出来的时间差和由此所计算出的距离必然会有较大的误差。
为消除这一误差，GPS测距时同时接收4颗卫星的信号，从而把钟差也作为一个未知数，与坐标共同组成一个四元方程组，与坐标一齐解算出来，从而保证了相当高的定位精度。
由上述定位原理禾口过程可见，在GPS系统中，卫星只起到广播测距信号的作用，用户机根据接收到的测距信号自主解算坐标。
因此该系统是一个开放系统，可容纳的用户机数量不受限制。
同时由于用户机只接收信号，不需要发射信号，因此它的定位保密性强。
这两点对于在军事上的应用尤其有价值。
由上述定位过程可见，“北斗”系统的定位作业需要中心站直接参加工作，中心站在每次定位过程中都处于核心的位置。
这使它具有一些与GPS系统不同的特殊特性。
第一，从“北斗”系统的定位过程可以看出，它是一个有源系统，用户机在定位过程中必须发射信号。
这是它与GPS系统最大的不同。
既然可以发送信号，就可以具备通信能力。
因此，“北斗”系统具有低速通信功能，可以在任意两个用户机之间一次发送36个汉字字符的信息，经过授权的用户一次可以发送120个汉字的信息。
这个功能是GPS无法具备的。
第二，“北斗”系统每次定位作业都是由用户机发出请求，经过中心站解算出坐标，然后发送给用户机。
这种工作方式使“北斗”系统存在着用户容量限制，凡是未经授权的用户都无法利用“北斗”系统进行定位作业，因而具备极好的保密性和反利用性。
第三，“北斗”系统一次定位需要测距信号经中心站——卫星——用户机往返两次，因此费时比较长，从用户机发出定位请求到收到定位数据大约需要1秒钟，因此它不适合飞机、导弹等高速运动的物体，而更适合舰船、车辆、人员等低速运动目标的定位。
“北斗”系统的这些特性运用到军事上，还具有一些特殊的功能。
首先，“北斗”系统的短信功能可以用来传递简短的命令和信息，从而极大地便利部队的指挥和信息流动。
但由于需要发送信号，不利于隐蔽，因此在军事上使用时，必须制定严格的保密措施和使用规范。
同时，由于“北斗”系统需要用户机在中心站拥有自己的账号，因此它有容量限制，不像GPS 系统那样，在理论上可以容纳无限多的用户。
其次，由于“北斗”系统的解算工作都在中心站进行，因此在用户得知自己坐标的同时，别人也可以知道其坐标。
运用在军事上，这意味着部队的上级领导机关可以随时掌握装备了“北斗”用户机的部队的坐标，从而便利指挥。
在2001年的车臣战争中，俄罗斯军队一支小分队被叛军包围，因上级始终不知其位置，无法增援，最终全军覆没。
如果当时俄军装备了类似“北斗”系统这样的定位系统，这一悲剧就不会发生。
但是，如果敌方破解了“北斗”系统的电文密码，然后向中心站发送大量伪信号，就可以导致中心站的主处理机不堪重负而瘫痪，从而导致整个系统停止工作。
另外，如果敌人摧毁了中心站，也会导致系统的瘫痪。
因此，有必要随时更新电文密码，并多建几个后备中心站，以防止中心站被摧毁而导致整个系统瘫痪。
对“北斗”系统的改进设想根据以上分析，我们可以看出，“北斗”系统与GPS系统的最大不同，就在于它采用了有源定位和集中计算的工作机制。
从计算机的角度来看，“北斗”系统实际上是一个主机——终端型的集中式计算机网络系统。
相比之下，GPS系统采用24颗卫星组成的星座只提供测距信号，计算由各个用户机自行完成。
因此相比之下，GPS系统的适应性更强，安全性更高。
那么，为什么我国在建立“北斗”系统的时候，采用了RDSS体制，而没有采取与GPS 一样的工作机制呢?笔者认为，主要有如下一些因素。
第一，GPS系统需要24颗卫星组成星座才能保证系统的正常运转，这需要大量的资金。
相比之下，“北斗”系统只需要2颗定位卫星和1颗备用卫星就可以工作，这比GPS便宜得多，更适合我国的国情。
第二，GPS型卫星定位系统的研制难度高。
美国经历了30余年，发展了两代卫星才达到比较满意的定位精度和效率．GPS的技术难度和所需的积累由此可见一斑。
相比之下，RDSS系统可以充分利用我国现有的同步卫星资源和技术，实现起来比较容易，成功的把握更大。
第三，也是最重要的，就是GPS系统虽然先进，但它毕竟是一个由美国国防部控制的系统。
如果过于依赖GPS系统，将会对我国的国家安全带来不利影响。
因此出于国家利益的考虑，我国需要一套自己的卫星定位系统，以免在关键时刻受制于人。
因此，投资比较小、技术难度较低的RDSS型系统就成了我国的必然选择。
我们经过上述比较和分析已经看出，采用RDSS机制的“北斗”系统与采用军用P码的GPS系统相比，在一些重要性能上存在着一些差距，比如，采用有源定位，隐蔽性差；用户有数量限制，不像GPS系统那样在理论上可以允许无限多的用户等等。
那么，该如何弥补这些差距呢?通过前述的“北斗”系统的定位原理和过程可以看出，“北斗”系统进行定位的关键，在于获得自身的海拔高程数据。
在“北斗”系统中，这个数据是依靠在数字地图中进行查找来完成的。
由于数字地图容量巨大，无法由用户机自行携带，因而必须存放在中心站的土服务器中，由主服务器完成查找工作。
这是“北斗”系统必须采用有源定位方式的根本原因。
这意味着：如果我们能有办法摆脱数字地图，由用户自行确定海拔高程，那么我们就可以实现“北斗”系统的无源定位。
在现实的应用中，有许多用户是可以通过别的办法来自行确定海拔高程的。
比如航行在大海上的舰船，就可以把海面当作一个理想球面，而设定自身的海拔高程为零。
许多市场上出售的登山用表，也带有气压高度计，可以根据气压变化来确定自身的海拔高程，其精度误差大约在5米左右。
这样的精度完全可以满足定位的需要。
如果我们对北斗系统的用户机进行改造，在里面加上一个石英钟和一个气压高度表，并接收来自三颗“北斗”系统定位卫星的信号，就可以像GPS系统那样，利用获得的用户机与三颗卫星转发信号的钟差，以及气压高度表所提供的海拔高度，建立起一个四元方程组，解算出自身的具体坐标，从而实现“北斗”系统的无源定位。
虽然这样的定位数据会有较大的误差，但对单兵、坦克等对定位精度要求并不高的用户来说，已经足够了。
同时，我们还可以采取有源定位与无源定位相结合的办法，来提高无源定位的精度。
比如，在每次开始使用无源定位功能之前，可以先用有源定位方式获得自身的精确高程数据，对自身使用的气压高度表进行校准，从而可以提供比较准确的海拔高程数据，使定位更加准确。
如果能实现“北斗”系统的无源定位，将可以从根本上解决“北斗”系统用户机采用有源定位所带来的隐蔽性差、用户容量有限的问题。
同时，由于无源定位不需要发射信号，因而可以节省发射机及其所需要的能量，从而减小用户机的体积、重量和能耗，将“北斗”卫星定位系统配备到每一辆战车，甚至每一个士兵。
而且，这种定位方式不要求改变“北斗”系统中心站的工作方式，完全可以兼容现有的有源定位的用户机。
[编后语]有关专家表示，张莱改造“北斗”用户机的思路和原理是正确的，数学关系也成立，不过三颗“北斗”卫星均在同步轨道上，只对部分区域有较好的几何图形。
越靠近赤道方向，几何图形变差，直至无法解算。
因此，这个改进意见只适合我国部分区域，不过这个区域也很大。
