中國北斗是咋回事？從GPS說起 - 全文

國際上有一個高大上的俱樂部，它只有四個會員，卻吸引了各國首腦的關(guān)注和眾多頂級科學(xué)家工程師的研究，這個俱樂部就是GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)），四個會員分別是美國GPS、歐洲伽利略GALILEO、俄羅斯格洛納斯GLONASS、中國北斗COMPASS。

中國北斗是個新會員，同時也是發(fā)展勢頭最猛的會員，北斗是咋回事？對我們的生活有什么影響？這是一個很有意思的話題。關(guān)于北斗，學(xué)術(shù)期刊上的文章有很多了，但專業(yè)文章的術(shù)語太多，普通人讀不懂，而且也不會有興趣去讀。

1、從GPS說起

1957 年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了全世界第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類的空間世紀(jì)。美國對此密切關(guān)注，有一位名叫比爾·蓋伊的數(shù)學(xué)家和一位叫喬治·威芬巴赫的物理學(xué)家，他們在霍普斯金的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，那就是這顆衛(wèi)星的頻率出現(xiàn)了偏移，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是相對運(yùn)動引起的多普勒頻移效應(yīng)。

這兩位科學(xué)家對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)如果在地面上架設(shè)多部接收機(jī)，就可以根據(jù)接收到的信號的不同頻差推算出這個衛(wèi)星的具體位置，他們很高興地把這個研究成果告訴了實(shí)驗(yàn)室主任弗蘭克。麥克盧爾，說他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對蘇聯(lián)衛(wèi)星的多普勒定位跟蹤。

弗蘭克主任當(dāng)時在做海軍的一項(xiàng)研究，研究內(nèi)容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學(xué)家的匯報后他眼前一亮，既然你們能夠發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在哪里，如果把問題反過來，衛(wèi)星就能發(fā)現(xiàn)你們在哪里，海軍軍艦定位的問題有思路了！

GPS系統(tǒng)就按這種思路啟動了，方案中需要解決的第一個問題就是：衛(wèi)星該采用低、中、高哪種軌道？如果采用低軌道的話，發(fā)射成本比較低，精度比較高，但若覆蓋全球的話則需要200顆衛(wèi)星，這樣浩大工程實(shí)在是負(fù)擔(dān)不起。

如果采用高軌道，理論上三顆衛(wèi)星就能覆蓋全球，但除了高軌道衛(wèi)星的發(fā)射難度大之外，更主要的是定位精度會很低，原因有兩個：一是軌道太高會導(dǎo)致測量誤差大，二是靜止軌道與地面物體的相對速度很小，不利于使用多普勒頻移的解算方法。

中軌道是比較折衷的方案，覆蓋全球只需要24-36顆衛(wèi)星，由于軌道是運(yùn)動的，即使地面的物體不動，但相對衛(wèi)星的速度也很大，這就可以充分利用多普勒頻移方法了。

基于以上綜合考慮，美國選擇了24顆衛(wèi)星的中軌道星座，1978年發(fā)射了第一顆，全系統(tǒng)在1995年投入運(yùn)行，現(xiàn)有衛(wèi)星30顆，分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用方式向全球開放。

2、美國是不是活雷鋒？

GPS是個好東西，對人們生活品質(zhì)的提升相當(dāng)大，例如汽車和手機(jī)導(dǎo)航就非常重要，人們告別了在紙制地圖上找路的歷史。GPS對于探險航海就更重要了，關(guān)鍵時刻可以救命。這么好的東西，美國又投入了巨資，居然向全世界免費(fèi)，難道美國政府是活雷鋒？

其實(shí)即使GPS不免費(fèi)那也收不上來錢，為啥這樣說呢？因?yàn)镚PS是單向通信體制，這跟廣播電視塔類似。廣播電視塔大家都知道，它只管發(fā)射信號，到底有1個收音機(jī)聽還是1萬個收音機(jī)聽，廣播電視塔是不知道的，GPS系統(tǒng)也是如此，30顆衛(wèi)星只管不停地向地面發(fā)信號，具體是誰在接收并使用這些信號，它是根本不知情的，既然不知情，那還怎樣收錢？

通過售賣高價解碼芯片來收錢行不行？答案是不行，因?yàn)镚PS采用的是只發(fā)不收的單向通信機(jī)制，這對加密傳輸來說是先天的障礙，即使搞了加密，沒幾天就會被破解了，尤其是民碼還要求簡單易用，接收設(shè)備要求成本低廉，這對加密來說就更加困難了。

如果GPS免費(fèi)，則一定會在全球形成巨大的市場，依托這套系統(tǒng)會產(chǎn)生新的國際性產(chǎn)業(yè)，同時會形成一股強(qiáng)大的國家軟實(shí)力，所以說GPS免費(fèi)是符合美國國家利益的。

GPS 免費(fèi)對全世界的民生來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰(zhàn)，美國敵對國家的軍機(jī)戰(zhàn)艦上當(dāng)然也可以安裝，美國人也禁止不了，這對美國是不是一個威脅呢？其實(shí)GPS開放的只是民碼，精度比美國軍方使用的軍碼差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，萬一跟美國打起了仗，人家把GPS民碼給你一停，你已經(jīng)很依賴GPS了，甚至連指南針都丟了，這可就抓瞎了。如果美國不給你停GPS，而是發(fā)個欺騙碼，瞄準(zhǔn)美國的導(dǎo)彈就可能飛到自己的陣地上，這更加可怕。

所以說，他國的軍備絕不能使用美國的GPS，一旦形成依賴就會像吸毒者一樣無法自拔，必須要發(fā)展本國的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)然，發(fā)展本國的定位導(dǎo)航系統(tǒng)也只是少數(shù)大國的權(quán)利，至于泰國墨西哥等小國家其實(shí)是不必操這個心的，因?yàn)槿蚨ㄎ粚?dǎo)航系統(tǒng)實(shí)在是太浩大，綜合國力微弱的小國家們根本就造不起，還是老老實(shí)實(shí)地繼續(xù)用GPS吧，這倒也省心。

3、北斗一代的由來

中國是個有抱負(fù)的大國，在定位導(dǎo)航衛(wèi)星這事上可不能圖省心，實(shí)際上從上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始鬧心了，七五規(guī)劃中提出了“新四星”計(jì)劃，隨后提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區(qū)域性系統(tǒng)方案，以及多星的全球系統(tǒng)設(shè)想。研究、論證、再研究、再論證……從來就沒有停止過。

80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專家團(tuán)體提出了雙星定位方案，這是當(dāng)時公認(rèn)的最優(yōu)方案，但因經(jīng)濟(jì)條件等種種原因又?jǐn)R置了十年。1991年是個重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，海灣戰(zhàn)爭把中國人打醒了，美國的GPS在作戰(zhàn)中的應(yīng)用非常成功，決策層深刻意識到以后打仗沒這東西是真的不行，被擱置十年的雙星定位方案于是馬上啟動。

為啥不像美國那樣搞30顆衛(wèi)星的系統(tǒng)呢？當(dāng)時的國情是又沒經(jīng)驗(yàn)又沒錢，剛起步可得悠著點(diǎn)，從小打小鬧開始吧，上來就玩大的容易搞砸鍋。一定會有網(wǎng)友問，在空間中三個坐標(biāo)才能定位，兩顆衛(wèi)星不夠用??？這是個好問題，雙星定位方案中有個高度儀，用戶需要自測高程，并將結(jié)果作為第三個坐標(biāo)，這就好比是在地球中心裝了一個虛擬的衛(wèi)星，這就實(shí)現(xiàn)了三星定位。那為什么不干脆發(fā)射三顆衛(wèi)星呢？原因很簡單，高度儀很便宜，這個方案更省錢。

只有兩顆星，當(dāng)然不能像美國GPS那樣搞中軌道的，軌道低了覆蓋面就小，兩顆中軌道衛(wèi)星多數(shù)時間會在中國上空以外的地方飛行，那中國大陸還咋用呢？因此只能搞高軌道的，而且還得是靜止的，這樣才能妥妥地停在中國大陸的上空。

靜止高軌道是雙星定位的必須選擇，從技術(shù)上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強(qiáng)的隱患，這就是要談的下一個問題，北斗一代被詬病。

4、北斗一代被詬病

MH370 失聯(lián)后出現(xiàn)了很多科普，令公眾熟悉了多普勒效應(yīng)這個名詞，那多普勒效應(yīng)對衛(wèi)星來說到底是好事還是壞事呢？這要看是哪一種衛(wèi)星，多普勒效應(yīng)對導(dǎo)航定位衛(wèi)星來說是好事，因?yàn)樾l(wèi)星相對地面物體被測物體的相對速度越大，多普勒效應(yīng)越明顯，定位就會更加準(zhǔn)確，這甚至是定位導(dǎo)航衛(wèi)星的核心原理基礎(chǔ)。

但是，多普勒效應(yīng)對通信衛(wèi)星來說就是壞事了，因?yàn)轭l率偏移會導(dǎo)致通信失敗，必須得做修正。例如位于印度洋上空的亞太國際通信衛(wèi)星就是相對地面固定的，失聯(lián)的MH370在最后階段發(fā)出的7次探尋信號被這顆衛(wèi)星測出了頻率偏移，這本來是要被修正掉的數(shù)據(jù)，沒想到這卻成了推測飛機(jī)航跡的唯一證據(jù)。用一句話總結(jié)就是：用通信衛(wèi)星干了定位衛(wèi)星的活，把本來是壞事的多普勒效應(yīng)變成了好事。

既然中國的這兩顆衛(wèi)星是靜止軌道的，自然可以與國際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務(wù)，于是既能定位又能通信就被設(shè)計(jì)成為了北斗一代的技術(shù)特點(diǎn)，而GPS等其它定位導(dǎo)航系統(tǒng)都是不支持通信功能的。

美國GPS不具備北斗這樣的通信功能，這真不能說人家技術(shù)落后，因?yàn)槿思业男l(wèi)星系統(tǒng)是各司其職的，定位衛(wèi)星和通信衛(wèi)星兩套系統(tǒng)的性能都很優(yōu)異。而中國北斗一代是身兼兩職，聽起來功能更加全面，其實(shí)是中國把定位衛(wèi)星打到了通信衛(wèi)星的軌道上，自然能收獲了通信這個副業(yè)。

畢竟定位才是北斗一代的主業(yè)，大部分的信道資源都必須讓給定位數(shù)據(jù)的傳送，所以留給通信的信道資源就很少，它無法完成實(shí)時的話音通信，只能完成短信功能。

由于這兩顆星的軌道很高，導(dǎo)致了地面被測物體與衛(wèi)星的相對速度很低，于是多普勒效應(yīng)就不明顯，其定位精度自然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不過GPS。因此雖然北斗一代既能通信又能定位是獨(dú)特優(yōu)勢，其實(shí)是通信功能比國際海事衛(wèi)星差得多，定位功能比GPS衛(wèi)星差得多，通信和定位雖說啥都能干，但啥性能都不行。

平心而論，北斗一代已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，工程是非常成功的，畢竟就只有兩顆星嘛，咋能跟幾十顆的海事通信衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星相比呢，好比是你花了800塊買了部雙卡雙待的山寨機(jī)，罵它不如蘋果手機(jī)好，這其實(shí)并不公平。

不妨做個假設(shè)，假如沒有國際海事衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的話，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但問題是北斗一代問世時，這兩種衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，在它們的對比之下，北斗一代簡直就是一坨翔，而且是國家花了大價錢造出的一坨翔，當(dāng)然是各種被罵，研發(fā)人員們灰頭土臉不敢吭氣。

5、與伽利略計(jì)劃的姻緣

北斗一代的使用體驗(yàn)比較差，那該咋往下走呢？這時中國看上了歐洲的伽利略計(jì)劃，這是歐洲國家聯(lián)合搞的全球定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃，因?yàn)檫@個項(xiàng)目實(shí)在是太燒錢，歐洲單個國家誰都搞不起，但又不能不搞，雖然歐洲國家跟美國關(guān)系很好，但也不能把國家安全都系在美國政府身上。

歐洲有技術(shù)但缺錢，于是他們瞄上了土豪中國，中國正因?yàn)楸倍芬淮唤o力而發(fā)愁呢，自然是一拍即合，據(jù)報道稱中國加入了伽利略技術(shù)，并且很大方的拍了兩個億的入伙費(fèi)。但中國越來越覺得不對勁，歐洲居然把日本和印度也拉入伙了，他們出的錢少但權(quán)利不少，這不是把中國當(dāng)作冤大頭了嗎？多出點(diǎn)錢倒不是問題，關(guān)鍵在于這兩個國家本來是我們在軍事上要防備的，難道要跟他們在國防方面使用相同的系統(tǒng)？中國發(fā)現(xiàn)苗頭不對，下定決心后就咔嚓地退出了，退出后自己單干，開始發(fā)展北斗二代。

北斗二代計(jì)劃在2020年前發(fā)射35顆衛(wèi)星，形成全球性的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛(wèi)星，主要是完成短信任務(wù)的，其它30顆跟美國GPS的30顆一樣，都是中軌道的運(yùn)動衛(wèi)星。

北斗二代的規(guī)模與GPS相當(dāng)，申請的軌道和頻率與歐洲伽利略比較一致，這就不可避免地遇到了衛(wèi)星軌道和頻率爭奪的問題。衛(wèi)星軌道和空間頻率是人類共有的資源，那該如何分配呢？國際規(guī)則是既不按國家來分，也不按人口來分，而是誰先占了算誰的。

先占先得的原則是西方發(fā)達(dá)國家制定的，他們認(rèn)為這是各國都有同樣機(jī)會的公平原則，理由是：你有本事你也打衛(wèi)星啊，我又沒攔著你，你不打是你自己的事，如果你永遠(yuǎn)不打，難道說軌道和頻率還要永遠(yuǎn)給你留著？這聽起來也有道理，更關(guān)鍵的是，即使你覺得沒道理，你也沒能力阻止發(fā)達(dá)國家占軌道和頻率。

2005年伽利略計(jì)劃的第一顆衛(wèi)星上天了，但并沒有開通，只是占了軌道但沒占頻率，為啥沒開通呢？原因是沒錢，開通需要花錢的，歐洲手頭有點(diǎn)緊。中國北斗二代的第一顆星也隨后上天了，而且上去就開通了，這下就把軌道和頻率都占上了，這為啥呢？這是因?yàn)橹袊徊铄X。

歐洲伽利略那邊慢悠悠地?fù)v鼓，而中國這邊的北斗一個接一個地不停打衛(wèi)星，后來還搞起了一箭雙星，而伽利略計(jì)劃和北斗二代有些頻率是重合的，雙方都在國際電信聯(lián)盟組織備案了，誰先占上就算誰的，中國的快節(jié)奏把歐洲搞急眼了，通過美國給中國施壓，要求中國放慢腳步等等歐洲人民。

以前歐美國家憑借技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢搶占資源，中國技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不給力只能吃啞巴虧，你們從來就沒謙讓過，現(xiàn)在憑什么要我謙讓？中國不理會歐美的抗議，按既定的節(jié)奏繼續(xù)打衛(wèi)星。

6、亞太地區(qū)組網(wǎng)

雖然現(xiàn)在還沒有把35顆衛(wèi)星打全，但亞太地區(qū)的北斗二代定位導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建起來了，并已投入了使用。GPS和北斗的中軌道運(yùn)動衛(wèi)星都是30顆，它們各在太空上織就了一張網(wǎng)，GPS網(wǎng)眼最密處是在美國上空，北斗二代網(wǎng)眼最密處在中國上空，為本土提供服務(wù)是第一要務(wù)，這個道理當(dāng)然很好理解。加拿大和墨西哥當(dāng)然會選擇GPS，而對于亞太國家來說，北斗卻比GPS更有優(yōu)勢。

亞太國家認(rèn)識到了北斗的覆蓋優(yōu)勢，中國政府也積極推動北斗二代在亞太地區(qū)的應(yīng)用，于是泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾等國家派出了19名專家，于2014年7月來到中國考察北斗二代，研究討論合作的事項(xiàng)。

第一站去的是武漢光谷北斗集團(tuán)，參觀了中國最大的遙感衛(wèi)星地面接收站，第二站去的是黃石，參觀了建設(shè)中的中國-東盟北斗示范城，第三站參觀了北斗地球空間產(chǎn)業(yè)國際學(xué)院，第四站是參加“2014北斗技術(shù)與應(yīng)用國際培訓(xùn)班”，在兩院院士李德仁領(lǐng)銜的武漢大學(xué)測繪遙感國家生點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里連續(xù)學(xué)習(xí)了半個月。

行程安排是很講究的，先帶他們參觀，行程非常密集不容你思想懈怠，一處更比一處高端大氣上檔次的北斗產(chǎn)業(yè)園區(qū)，令他們的眼睛瞪得越來越大，在內(nèi)心受到了震撼后，再由國際知名科學(xué)家李德仁院士親自授課，解答你國使用北斗的所有疑問，順便收獲了這些東盟專家的膝蓋。

泰國專家表示，有些GPS衛(wèi)星的信號泰國收不到，而北斗所有的衛(wèi)星信號都能接收到，當(dāng)然要參加北斗的“天眼”計(jì)劃，而且泰國現(xiàn)在已建成了首批CORS（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)）。馬來西亞緊隨其后，將成為北斗“天眼”的下一個落戶的國家。