中国北斗卫星导航系统为何令美国恨之入骨

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2017-09-22 20:15:49

9月17日,新华网报道,记者从首届卫星应用国际博览会上了解到,我国北斗三号全球定位系统正式启动建设,计划今年底将发射四颗全球组网卫星。

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具有独特的短报文通信功能。

北斗卫星导航系统副总设计师冉承其表示:“我们正在建设的北斗三号系统,它除了全球覆盖以外,在性能上、系统的可靠性上,还会有大的提高。从定位精度来讲,会在现有系统性能提高一到两倍。”

中国为什么要耗时耗力的发展北斗卫星导航系统?期间是怎么与欧美日进行博弈的?中国的北斗卫星导航系统究竟发展的怎样?这篇文章讲清楚了。

国际上有一个高大上的俱乐部,它只有四个会员,却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统),四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

中国北斗是个新会员,同时也是发展势头最猛的会员,北斗是咋回事?对我们的生活有什么影响?这是一个很有意思的话题。关于北斗,学术期刊上的文章有很多了,但专业文章的术语太多,普通人读不懂,而且也不会有兴趣去读。

媒体和网络上也有一些介绍性的文章,多数是彰显政府成就的宣传稿,内容比较零散,不便于读者全面了解,而且很多文章的说法并不准确,显然是非专业人士写的。科技报道不是由科技人士撰写,而是文科出身的记者捉笔,这种现象是国内科技报道的痼疾。

因为专业的原因,我一直关注着北斗,而且多年通信专业基础课的教学实践,培养了我将复杂的专业问题用通俗的语言描述出来的特长。我利用了两个月的业余时间,查阅了大量公开发行的资料,梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科普长文。

1

从GPS说起

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1957 年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注,有一位名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治.威芬巴赫的物理学家,他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象,那就是这颗卫星的频率出现了偏移,经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

这两位科学家对此进行了实验研究,发现如果在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置,他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克.麦克卢尔,说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。

弗兰克主任当时在做海军的一项研究,研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置,听到两位科学家的汇报后他眼前一亮,既然你们能够发现卫星在哪里,如果把问题反过来,卫星就能发现你们在哪里,海军军舰定位的问题有思路了!

GPS系统就按这种思路启动了,方案中需要解决的第一个问题就是:卫星该采用低、中、高哪种轨道?如果采用低轨道的话,发射成本比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,这样浩大工程实在是负担不起。

如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但除了高轨道卫星的发射难度大之外,更主要的是定位精度会很低,原因有两个:一是轨道太高会导致测量误差大,二是静止轨道与地面物体的相对速度很小,不利于使用多普勒频移的解算方法。

中轨道是比较折衷的方案,覆盖全球只需要24-36颗卫星,由于轨道是运动的,即使地面的物体不动,但相对卫星的速度也很大,这就可以充分利用多普勒频移方法了。

基于以上综合考虑,美国选择了24颗卫星的中轨道星座,1978年发射了第一颗,全系统在1995年投入运行,现有卫星30颗,分为军用和民用两种定位模式,其中民用方式向全球开放。

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美国是不是活雷锋?

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GPS是个好东西,对人们生活品质的提升相当大,例如汽车和手机导航就非常重要,人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了,关键时刻可以救命。这么好的东西,美国又投入了巨资,居然向全世界免费,难道美国政府是活雷锋?

其实即使GPS不免费那也收不上来钱,为啥这样说呢?因为GPS是单向通信体制,这跟广播电视塔类似。广播电视塔大家都知道,它只管发射信号,到底有1个收音机听还是1万个收音机听,广播电视塔是不知道的,GPS系统也是如此,30颗卫星只管不停地向地面发信号,具体是谁在接收并使用这些信号,它是根本不知情的,既然不知情,那还怎样收钱?

通过售卖高价解码芯片来收钱行不行?答案是不行,因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制,这对加密传输来说是先天的障碍,即使搞了加密,没几天就会被破解了,尤其是民码还要求简单易用,接收设备要求成本低廉,这对加密来说就更加困难了。

如果GPS免费,则一定会在全球形成巨大的市场,依托这套系统会产生新的国际性产业,同时会形成一股强大的国家软实力,所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

GPS 免费对全世界的民生来说是个福利,但在军事方面却是个挑战,美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装,美国人也禁止不了,这对美国是不是一个威胁呢?其实 GPS开放的只是民码,精度比美国军方使用的军码差了十倍,先天就挫了一大截。更重要的是,万一跟美国打起了仗,人家把GPS民码给你一停,你已经很依赖 GPS了,甚至连指南针都丢了,这可就抓瞎了。如果美国不给你停GPS,而是发个欺骗码,瞄准美国的导弹就可能飞到自己的阵地上,这更加可怕。

所以说,他国的军备绝不能使用美国的GPS,一旦形成依赖就会像吸毒者一样无法自拔,必须要发展本国的定位导航系统。当然,发展本国的定位导航系统也只是少数大国的权利,至于泰国墨西哥等小国家其实是不必操这个心的,因为全球定位导航系统实在是太浩大,综合国力微弱的小国家们根本就造不起,还是老老实实地继续用GPS吧,这倒也省心。

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北斗一代的由来

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中国是个有抱负的大国,在定位导航卫星这事上可不能图省心,实际上从上个世纪70年代就已经开始闹心了,七五规划中提出了“新四星”计划,随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。

80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点,海湾战争把中国人打醒了,美国的GPS在作战中的应用非常成功,决策层深刻意识到以后打仗没这东西是真的不行,被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

为啥不像美国那样搞30颗卫星的系统呢?当时的国情是又没经验又没钱,刚起步可得悠着点,从小打小闹开始吧,上来就玩大的容易搞砸锅。一定会有网友问,在空间中三个坐标才能定位,两颗卫星不够用啊?这是个好问题,双星定位方案中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标,这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星,这就实现了三星定位。那为什么不干脆发射三颗卫星呢?原因很简单,高度仪很便宜,这个方案更省钱。

只有两颗星,当然不能像美国GPS那样搞中轨道的,轨道低了覆盖面就小,两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行,那中国大陆还咋用呢?因此只能搞高轨道的,而且还得是静止的,这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。

静止高轨道是双星定位的必须选择,从技术上讲这毫无疑问是正确的,但却埋下了性能不强的隐患,这就是要谈的下一个问题,北斗一代被诟病。

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北斗一代被诟病

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MH370 失联后出现了很多科普,令公众熟悉了多普勒效应这个名词,那多普勒效应对卫星来说到底是好事还是坏事呢?这要看是哪一种卫星,多普勒效应对导航定位卫星来说是好事,因为卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大,多普勒效应越明显,定位就会更加准确,这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

但是,多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了,因为频率偏移会导致通信失败,必须得做修正。例如位于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的,失联的 MH370在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移,这本来是要被修正掉的数据,没想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据。用一句话总结就是:用通信卫星干了定位卫星的活,把本来是坏事的多普勒效应变成了好事。

既然中国的这两颗卫星是静止轨道的,自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务,于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点,而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。

美国GPS不具备北斗这样的通信功能,这真不能说人家技术落后,因为人家的卫星系统是各司其职的,定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。而中国北斗一代是身兼两职,听起来功能更加全面,其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上,自然能收获了通信这个副业。

毕竟定位才是北斗一代的主业,大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送,所以留给通信的信道资源就很少,它无法完成实时的话音通信,只能完成短信功能。

由于这两颗星的轨道很高,导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS。因此虽然官方宣传的北斗一代既能通信又能定位是独特优势,其实是通信功能比国际海事卫星差得多,定位功能比GPS卫星差得多,通信和定位虽说啥都能干,但啥性能都不行。

平心而论,北斗一代已经达到了设计指标,工程是非常成功的,毕竟就只有两颗星嘛,咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢,好比是你花了800块买了部双卡双待的山寨机,骂它不如苹果手机好,这其实并不公平。

不妨做个假设,假如没有国际海事卫星和GPS卫星的话,那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的,但问题是北斗一代问世时,这两种卫星系统已经相当成熟了,在它们的对比之下,北斗一代简直就是一坨翔,而且是国家花了大价钱造出的一坨翔,当然是各种被骂,研发人员们灰头土脸不敢吭气。

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与伽利略计划的姻缘

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北斗一代的使用体验比较差,那该咋往下走呢?这时中国看上了欧洲的伽利略计划,这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划,因为这个项目实在是太烧钱,欧洲单个国家谁都搞不起,但又不能不搞,虽然欧洲国家跟美国关系很好,但也不能把国家安全都系在美国政府身上。

欧洲有技术但缺钱,于是他们瞄上了土豪中国,中国正因为北斗一代不给力而发愁呢,自然是一拍即合,据报道称中国加入了伽利略技术,并且很大方的拍了两个亿的入伙费。但中国越来越觉得不对劲,欧洲居然把日本和印度也拉入伙了,他们出的钱少但权利不少,这不是把中国当作冤大头了吗?多出点钱倒不是问题,关键在于这两个国家本来是我们在军事上要防备的,难道要跟他们在国防方面使用相同的系统?中国发现苗头不对,下定决心后就咔嚓地退出了,退出后自己单干,开始发展北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主要是完成短信任务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当,申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致,这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源,那该如何分配呢?国际规则是既不按国家来分,也不按人口来分,而是谁先占了算谁的。

先占先得的原则是西方发达国家制定的,他们认为这是各国都有同样机会的公平原则,理由是:你有本事你也打卫星啊,我又没拦着你,你不打是你自己的事,如果你永远不打,难道说轨道和频率还要永远给你留着?这听起来也有道理,更关键的是,即使你觉得没道理,你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了,但并没有开通,只是占了轨道但没占频率,为啥没开通呢?原因是没钱,开通需要花钱的,欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了,而且上去就开通了,这下就把轨道和频率都占上了,这为啥呢?这是因为中国政府不差钱。

欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓,而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星,后来还搞起了一箭双星,而伽利略计划和北斗二代有些频率是重合的,双方都在国际电信联盟组织备案了,谁先占上就算谁的,中国的快节奏把欧洲搞急眼了,通过美国给中国施压,要求中国放慢脚步等等欧洲人民。

以前欧美国家凭借技术和经济优势抢占资源,中国技术和经济不给力只能吃哑巴亏,你们从来就没谦让过,现在凭什么要我谦让?中国不理会欧美的抗议,按既定的节奏继续打卫星。

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亚太地区组网

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虽然现在还没有把35颗卫星打全,但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建起来了,并已投入了使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗,它们各在太空上织就了一张网,GPS网眼最密处是在美国上空,北斗二代网眼最密处在中国上空,为本土提供服务是第一要务,这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS,而对于亚太国家来说,北斗却比GPS更有优势。

亚太国家认识到了北斗的覆盖优势,中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用,于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家,于2014年7月来到中国考察北斗二代,研究讨论合作的事项。

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