中國北斗是咋回事？從GPS說(shuō)起

　　國際上有一個(gè)高大上的俱樂(lè )部，它只有四個(gè)會(huì )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(gè)俱樂(lè )部就是GNSS(全球導航衛星系統)，四個(gè)會(huì )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(gè)新會(huì )員，同時(shí)也是發(fā)展勢頭最猛的會(huì )員，北斗是咋回事?對我們的生活有什么影響?這是一個(gè)很有意思的話(huà)題。關(guān)于北斗，學(xué)術(shù)期刊上的文章有很多了，但專(zhuān)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(shuō)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星，開(kāi)創(chuàng )了人類(lèi)的空間世紀。美國對此密切關(guān)注，有一位名叫比爾·蓋伊的數學(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用物理實(shí)驗室里發(fā)現了一個(gè)現象，那就是這顆衛星的頻率出現了偏移，經(jīng)研究發(fā)現是相對運動(dòng)引起的多普勒頻移效應。

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

　　弗蘭克主任當時(shí)在做海軍的一項研究，研究?jì)热菔俏褰谴髽侨绾沃烂Ｃ４蠛Ｖ熊娕灥木唧w位置，聽(tīng)到兩位科學(xué)家的匯報后他眼前一亮，既然你們能夠發(fā)現衛星在哪里，如果把問(wèn)題反過(guò)來(lái)，衛星就能發(fā)現你們在哪里，海軍軍艦定位的問(wèn)題有思路了!

　　GPS系統就按這種思路啟動(dòng)了，方案中需要解決的第一個(gè)問(wèn)題就是：衛星該采用低、中、高哪種軌道?如果采用低軌道的話(huà)，發(fā)射成本比較低，精度比較高，但若覆蓋全球的話(huà)則需要200顆衛星，這樣浩大工程實(shí)在是負擔不起。

　　如果采用高軌道，理論上三顆衛星就能覆蓋全球，但除了高軌道衛星的發(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顆衛星，由于軌道是運動(dòng)的，即使地面的物體不動(dòng)，但相對衛星的速度也很大，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顆衛星的中軌道星座，1978年發(fā)射了第一顆，全系統在1995年投入運行，現有衛星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(kāi)放。

　　2、美國是不是活雷鋒?

　　GPS是個(gè)好東西，對人們生活品質(zhì)的提升相當大，例如汽車(chē)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(guān)鍵時(shí)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(shí)即使GPS不免費那也收不上來(lái)錢(qián)，為啥這樣說(shuō)呢?因為GPS是單向通信體制，這跟廣播電視塔類(lèi)似。廣播電視塔大家都知道，它只管發(fā)射信號，到底有1個(gè)收音機聽(tīng)還是1萬(wàn)個(gè)收音機聽(tīng)，廣播電視塔是不知道的，GPS系統也是如此，30顆衛星只管不停地向地面發(fā)信號，具體是誰(shuí)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(qián)?

　　通過(guò)售賣(mài)高價(jià)解碼芯片來(lái)收錢(qián)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(lái)說(shuō)是先天的障礙，即使搞了加密，沒(méi)幾天就會(huì )被破解了，尤其是民碼還要求簡(jiǎn)單易用，接收設備要求成本低廉，這對加密來(lái)說(shuō)就更加困難了。

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

　　GPS 免費對全世界的民生來(lái)說(shuō)是個(gè)福利，但在軍事方面卻是個(gè)挑戰，美國敵對國家的軍機戰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(gè)威脅呢?其實(shí)GPS開(kāi)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(wàn)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(lài)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(gè)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(shuō)，他國的軍備絕不能使用美國的GPS，一旦形成依賴(lài)就會(huì )像吸毒者一樣無(wú)法自拔，必須要發(fā)展本國的定位導航系統。當然，發(fā)展本國的定位導航系統也只是少數大國的權利，至于泰國墨西哥等小國家其實(shí)是不必操這個(gè)心的，因為全球定位導航系統實(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)地繼續用GPS吧，這倒也省心。

　　3、北斗一代的由來(lái)

　　中國是個(gè)有抱負的大國，在定位導航衛星這事上可不能圖省心，實(shí)際上從上個(gè)世紀70年代就已經(jīng)開(kāi)始鬧心了，七五規劃中提出了“新四星”計劃，隨后提出過(guò)單星、雙星、三星、三到五顆星的區域性系統方案，以及多星的全球系統設想。研究、論證、再研究、再論證……從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)。

　　80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專(zhuān)家團體提出了雙星定位方案，這是當時(shí)公認的最優(yōu)方案，但因經(jīng)濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個(gè)重大轉折點(diǎn)，海灣戰爭把中國人打醒了，美國的GPS在作戰中的應用非常成功，決策層深刻意識到以后打仗沒(méi)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)。

　　為啥不像美國那樣搞30顆衛星的系統呢?當時(shí)的國情是又沒(méi)經(jīng)驗又沒(méi)錢(qián)，剛起步可得悠著(zhù)點(diǎn)，從小打小鬧開(kāi)始吧，上來(lái)就玩大的容易搞砸鍋。一定會(huì )有網(wǎng)友問(wèn)，在空間中三個(gè)坐標才能定位，兩顆衛星不夠用啊?這是個(gè)好問(wèn)題，雙星定位方案中有個(gè)高度儀，用戶(hù)需要自測高程，并將結果作為第三個(gè)坐標，這就好比是在地球中心裝了一個(gè)虛擬的衛星，這就實(shí)現了三星定位。那為什么不干脆發(fā)射三顆衛星呢?原因很簡(jiǎn)單，高度儀很便宜，這個(gè)方案更省錢(qián)。

　　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，兩顆中軌道衛星多數時(shí)間會(huì )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(wú)疑問(wèn)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(gè)問(wèn)題，北斗一代被詬病。