中國北斗是咋回事？從GPS說起

　　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注和眾多頂級科學家工程師的研究，這個俱樂部就是GNSS(全球導航衛(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。關于北斗，學術期刊上的文章有很多了，但專業(yè)文章的術語太多，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。美國對此密切關注，有一位名叫比爾·蓋伊的數(shù)學家和一位叫喬治·威芬巴赫的物理學家，他們在霍普斯金的應用物理實驗室里發(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，經研究發(fā)現(xiàn)是相對運動引起的多普勒頻移效應。

　　這兩位科學家對此進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)如果在地面上架設多部接收機，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驗室主任弗蘭克。麥克盧爾，說他們已經實現(xiàn)了對蘇聯(lián)衛(wèi)星的多普勒定位跟蹤。

　　弗蘭克主任當時在做海軍的一項研究，研究內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，這樣浩大工程實在是負擔不起。

　　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，對人們生活品質的提升相當大，例如汽車和手機導航就非常重要，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，難道美國政府是活雷鋒?

　　其實即使GPS不免費那也收不上來錢，為啥這樣說呢?因為GPS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個收音機聽還是1萬個收音機聽，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，因為GPS采用的是只發(fā)不收的單向通信機制，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，接收設備要求成本低廉，這對加密來說就更加困難了。

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

　　GPS 免費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戰(zhàn)艦上當然也可以安裝，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，瞄準美國的導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)展本國的定位導航系統(tǒng)。當然，發(fā)展本國的定位導航系統(tǒng)也只是少數(shù)大國的權利，至于泰國墨西哥等小國家其實是不必操這個心的，因為全球定位導航系統(tǒng)實在是太浩大，綜合國力微弱的小國家們根本就造不起，還是老老實實地繼續(xù)用GPS吧，這倒也省心。

　　3、北斗一代的由來

　　中國是個有抱負的大國，在定位導航衛(wèi)星這事上可不能圖省心，實際上從上個世紀70年代就已經開始鬧心了，七五規(guī)劃中提出了“新四星”計劃，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體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優(yōu)方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個重大轉折點，海灣戰(zhàn)爭把中國人打醒了，美國的GPS在作戰(zhàn)中的應用非常成功，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?當時的國情是又沒經驗又沒錢，剛起步可得悠著點，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，在空間中三個坐標才能定位，兩顆衛(wèi)星不夠用啊?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，并將結果作為第三個坐標，這就好比是在地球中心裝了一個虛擬的衛(wèi)星，這就實現(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，從技術上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強的隱患，這就是要談的下一個問題，北斗一代被詬病。