中國(guó)北斗是咋回事？從GPS說起

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

　　中國(guó)北斗是個(gè)新會(huì)員，同時(shí)也是發(fā)展勢(shì)頭最猛的會(huì)員，北斗是咋回事?對(duì)我們的生活有什么影響?這是一個(gè)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(yǔ)太多，普通人讀不懂，而且也不會(huì)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(guó)對(duì)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?cè)诨羝账菇鸬膽?yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移效應(yīng)。

　　這兩位科學(xué)家對(duì)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(hào)的不同頻差推算出這個(gè)衛(wèi)星的具體位置，他們很高興地把這個(gè)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(duì)蘇聯(lián)衛(wèi)星的多普勒定位跟蹤。

　　弗蘭克主任當(dāng)時(shí)在做海軍的一項(xiàng)研究，研究?jī)?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(bào)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?cè)谀睦?，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(dòng)了，方案中需要解決的第一個(gè)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(huì)很低，原因有兩個(gè)：一是軌道太高會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差大，二是靜止軌道與地面物體的相對(duì)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(dòng)的，即使地面的物體不動(dòng)，但相對(duì)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(guó)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(guó)是不是活雷鋒?

　　GPS是個(gè)好東西，對(duì)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(duì)于探險(xiǎn)航海就更重要了，關(guān)鍵時(shí)刻可以救命。這么好的東西，美國(guó)又投入了巨資，居然向全世界免費(fèi)，難道美國(guó)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(hào)，到底有1個(gè)收音機(jī)聽還是1萬個(gè)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(hào)，具體是誰在接收并使用這些信號(hào)，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(jià)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(duì)加密傳輸來說是先天的障礙，即使搞了加密，沒幾天就會(huì)被破解了，尤其是民碼還要求簡(jiǎn)單易用，接收設(shè)備要求成本低廉，這對(duì)加密來說就更加困難了。

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

　　GPS 免費(fèi)對(duì)全世界的民生來說是個(gè)福利，但在軍事方面卻是個(gè)挑戰(zhàn)，美國(guó)敵對(duì)國(guó)家的軍機(jī)戰(zhàn)艦上當(dāng)然也可以安裝，美國(guó)人也禁止不了，這對(duì)美國(guó)是不是一個(gè)威脅呢?其實(shí)GPS開放的只是民碼，精度比美國(guó)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(guó)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(guó)不給你停GPS，而是發(fā)個(gè)欺騙碼，瞄準(zhǔn)美國(guó)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(guó)的軍備絕不能使用美國(guó)的GPS，一旦形成依賴就會(huì)像吸毒者一樣無法自拔，必須要發(fā)展本國(guó)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)然，發(fā)展本國(guó)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)也只是少數(shù)大國(guó)的權(quán)利，至于泰國(guó)墨西哥等小國(guó)家其實(shí)是不必操這個(gè)心的，因?yàn)槿蚨ㄎ粚?dǎo)航系統(tǒng)實(shí)在是太浩大，綜合國(guó)力微弱的小國(guó)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(guó)是個(gè)有抱負(fù)的大國(guó)，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(gè)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?jiǎng)壮煞荚试菏繛槭椎膶＜覉F(tuán)體提出了雙星定位方案，這是當(dāng)時(shí)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(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)把中國(guó)人打醒了，美國(guó)的GPS在作戰(zhàn)中的應(yīng)用非常成功，決策層深刻意識(shí)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(dòng)。

　　為啥不像美國(guó)那樣搞30顆衛(wèi)星的系統(tǒng)呢?當(dāng)時(shí)的國(guó)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(huì)有網(wǎng)友問，在空間中三個(gè)坐標(biāo)才能定位，兩顆衛(wèi)星不夠用啊?這是個(gè)好問題，雙星定位方案中有個(gè)高度儀，用戶需要自測(cè)高程，并將結(jié)果作為第三個(gè)坐標(biāo)，這就好比是在地球中心裝了一個(gè)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(jiǎn)單，高度儀很便宜，這個(gè)方案更省錢。

　　只有兩顆星，當(dāng)然不能像美國(guó)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(shí)間會(huì)在中國(guó)上空以外的地方飛行，那中國(guó)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(guó)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(gè)問題，北斗一代被詬病。