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-有了GPS為啥還要搞“北斗”?歐美為何對它恨之入骨? - 發布 2019-05-30 - 瀏覽 302

有了GPS為啥還要搞“北斗”?歐美為何對它恨之入骨?

瞭望智庫消息,就在11月5日晚上!19時45分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發射第二十四、二十五顆北斗導航衛星,這也是我國首次發射的北斗三號組網衛星,正式開啟了北斗導航衛星系統的“全球組網”時代。

如今,首次發射的北斗三號衛星則是向全球提供服務。

一直以來,很多聲音都認為北斗能和美國的GPS一決高下,可也有一些人認為,中國發展北斗導航畢竟時日尚短,怎么能跟“資歷很深”的GPS相抗衡?

北斗真實實力究竟如何,是被過度高估了嗎?筆者選取了前段時間發過的一篇舊文以饗讀者。



1.有了GPS,為啥還要搞“北斗”?

GPS全稱為Global Positioning System,隸屬于美國空軍,能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息。

這個系統主要包含民碼和軍碼兩種信號,二者精密級別不在一個量級,前者是毫米級別,后者是分米級別。

GPS有多強大?

軍事方面:目前,美國幾乎所有的飛機、坦克、艦船、單兵、精確制導彈藥都在使用GPS。

在戰場上,精確制導的重要性毋庸置疑。

最典型的應用是在1991年海灣戰爭時期,美國轟炸伊拉克水電站,至少需要數百噸常規彈藥,并且,轟炸機面臨著巨大的防空火力威脅。而基于GPS和圖像精確制導的導彈,只需兩顆——一顆炸出缺口,第二顆沿著缺口飛進去,在百公里外發射便可自動飛向目標。

第二次海灣戰爭期間,甚至出現了導彈順著新聞大樓通風口一直鉆下去的高精度襲擊場景。



此外,對于戰場指揮系統,特別是大空間跨度的指揮,極其精確的時間同步也是非常重要的,GPS都可以做。

民用方面:離開了GPS,手機不能導航,微信不能共享位置,各種地圖都不能用......

離開了GPS,國家的電網都會沒那么穩定。

離開了GPS,各大股票/大宗商品交易所的時間沒法精確同步(GPS可做到納秒級別授時),為確保安全,金融效率會降低很多,還玩什么高頻交易、超短線?

離開了GPS,科學界現在的大氣、重力場、地球磁場、地球板塊運動、地震及火山自然災害、地球洋流和海平面變化、冰川運動和融化等研究,就基本可以退回到20年前的狀態了,這些年上述領域的重大突破都和GPS有緊密關系。

離開了GPS,自動駕駛技術、精密農業、民航飛機高精度起飛降落自主導航,都是夢。

離開了GPS,超大工程定位,比如港珠澳大橋、高鐵、突破人類天際的各個中國大橋,就沒那么多中國速度了,測量與校正就足夠折騰的。

然而,這么重要的GPS,極易被控制。

如果完全依賴GPS,美國加上了干擾,怎么辦?或者,根本不讓你用了呢?還有更極端的,干脆給你發送虛假的GPS信號呢(GPS的干擾、欺騙都容易實現)?

那么,輕則汽車、輪船等走錯路,重則導彈攻擊錯誤目標,打到自己也極有可能。

在美國GPS一家獨大之時,美國軍方在所有民用信號上放了干擾。后來俄羅斯格洛納斯(GLONASS)系統出現,美國為了應對競爭才取消了這個干擾(2000年5月2日)。從圖中可以看出,取消干擾后,民用信號的定位精度直接從百米級提高到了今天的米級。



曾經高度依賴美國GPS系統的印度也吃過大虧。

1999年,印巴卡吉爾(Kargil)戰爭期間,美國覺得不能讓印度太得瑟,就直接關閉了印巴戰區的所有GPS服務,導致印度的武器和士兵瞬間“失明”,遭受了巨大的損失。

后來,印度痛定思痛,放棄了自己原先開發的GPS增強系統及與GPS相關的衛星,自己做了一套區域性的導航系統。


2.大國重器,必須靠自己!

實際上,早在1970年,我國就提出了關于衛星導航技術的論證方案——“燈塔”項目,與美、蘇在同一時期,后來,因國內外形勢變化被迫下馬。

海灣戰爭給全世界“上了一課”,大家都深刻意識到衛星導航系統的巨大價值。

1993年7月23日,美國無中生有地指控中國“銀河”號貨輪將制造化學武器的原料運往伊朗。當時,“銀河”號正在印度洋上正常航行,突然船停了下來。事后大家才知道,這是因為當時美國局部關閉了該船所在海區的GPS導航服務,使得船不知道該向哪個方向行駛。

“銀河號事件”使我們清楚地意識到:衛星導航,我們一定要自己搞出來!

1994年,我國開始進行北斗一號的研制工作;

2000年,發射了兩顆靜止軌道衛星,實現了區域性(僅限于亞太地區)衛星導航;

2003年,又發射了一顆備份衛星,北斗一號正式完工,我國已經在軍事領域(戰術武器等)擺脫了對GPS的依賴。

按原計劃,我國只需研發出北斗一號應用于亞太地區即可,在全球性應用方面寄望于與歐盟計劃共同推出伽利略系統。

2000年,伽利略系統立項;

2003年,我國率先加入該項目,投資超過2億歐元,并迅速成立了中歐衛星導航技術培訓合作中心。

然而,造價僅僅相當于一個歐洲中型機場的伽利略系統(35億歐元)進展很不順利,歐盟麾下各國明爭暗斗,導致這個項目被不斷推遲——計劃于2006年前后建成的系統至今仍未完成。中國雖然是投資方,卻被不斷排擠,歐盟很多核心技術的研究都把中國排除在外。

中國果斷決定:自己干!

2007年,中國開始正式建設自己的北斗衛星導航系統,也就是我們熟知的北斗二代。

到了2012年,我們已經發射了16顆衛星,完全覆蓋了亞太地區。

北斗二號的建設與運轉給我們積累了大量的技術和經驗,我們的目光已超越亞太地區、投向全世界任何一個地方。

于是,北斗三號正式開始建設。2015年,中國發射了北斗三號第一顆衛星,目前,進入建設高潮期。

現在,北斗已經成長為共計23顆的龐大衛星導航系統,在2020年,將有35顆衛星處于工作狀態,從而實現全球無差別的高精度定位。



2017年9月28日北斗可見衛星圖


3.中國北斗有兩大“絕活”

評價導航系統的主要指標主要有四項:

*軍用價值。導航系統最主要的目的是服務于軍事(美國GPS、我國北斗、俄羅斯格洛納斯均隸屬于軍方)。

*民用價值。民用是可以賺錢的,因此賺錢和商業化能力也是個極其重要的指標。

*實用性。全球性的一定比區域的好,1厘米精度的肯定比1米的好,能1分鐘定位的肯定比1小時的好,獨立的肯定比依賴其他衛星系統的好。

*穩定性。幾個系統處于競爭狀態,所以需要保持現有狀態穩定,頻繁發射衛星補充(畢竟都是幾十個大衛星的衛星星座),而且由于競爭和需求必須更新換代。

按照這四個指標來看,美國的GPS導航系統仍然獨占鰲頭——GPS是已經發展了30多年的成熟系統,早就實現了全球覆蓋,衛星補充穩定,長期維持在32顆,并已經更新到第三代。



GPS系統星座動態圖

最重要的是,GPS幾乎壟斷了全世界民用導航市場,其商業價值遠遠超過軍方投資。后來者很難與其爭鋒。

我國的北斗衛星導航系統緊隨其后。



我國北斗星座

北斗有兩大“絕活”:

一是最復雜的星座系統。

不同于世界其他任何一個系統,北斗是唯一一個使用了地球靜止軌道(36000公里高)、地球傾斜同步軌道(36000公里高)和中軌軌道(20000+公里高)的衛星導航系統。GPS、格洛納斯、伽利略都是僅使用中軌軌道。

北斗使用了更加高軌的靜止和傾斜同步軌道,衛星軌道運轉周期為24小時,其信號會長期覆蓋指定區域,且衛星之間形成的數據通信鏈路也能校正誤差、進一步提高精度。

我國重點覆蓋的區域是亞太地區及“一帶一路”地區,系統建成后,這些地區均將獲得優于GPS系統的精準定位。

二是短報文系統。

其他所有定位系統只接收太空信號,不與通信衛星進行任何交流。而北斗的接收機可以和衛星進行交流,最典型的應用是可以發布140個字的短報文,就像現在人們平時用的“短信”,既能夠定位,又能顯示發布者的位置。

在海洋、沙漠和野外等沒有網絡的地方,安裝北斗系統終端的用可以定位自己的位置,并能夠向外界發布文字信息。該技術將被用于緊急救援、野外作業、海上作業系統。

更重要的是,北斗的短報文功能可以實現雙向通信,提供的指揮端機可進行一點對多點的廣播傳輸,為各種平臺應用提供了極大便利,在國防、民生和應急救援等領域具有很強的應用價值。

特別是在災區,在通訊、電力中斷或移動通信無法覆蓋北斗終端的情況下,可以使用短報文進行通信。

2008年汶川地震時,進入重災區的救援部隊利用120字的短報文突破通信盲點、與外界取得聯系,及時向指揮部匯報了災情。

而且,這個功能不但實用,而且成本很低,目前我國民用短報文大概幾毛錢一條。

由上可知,無論是軍用還是民用,北斗對我國意義重大,稱其為“國之重器”絲毫不為過。在技術上,它完全可以與新一代GPS媲美,之前有媒體報道過某博士破解了北斗信息,完全是謠言,因為“破解”的是民碼,而民碼本來就是要公開的(全世界各個系統都是如此)。

只是相比GPS,在商業化方面,北斗暫時很難從每年千億美元級別的GPS市場那里“分一杯羹”。而且,北斗系統尚未完全建成,競爭力較為有限。

不過,2020年前后,北斗三期完全建成,巨大的國內市場和“一帶一路”國家的需求足以支撐北斗成長為世界第二大系統。在未來,北斗還有很大上升空間。


4.俄歐印日的導航系統怎么樣?

目前,世界上有四大全球導航系統、兩個區域性導航系統。除中美外,俄羅斯、歐盟、日本也在搞導航系統,它們水平怎么樣呢?

俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)系統

該系統自蘇聯時期開始建設,是唯一一個頻分多址的系統(不同于其他系統的碼分多址)。

這兩個的區別可以用一個例子形容:在一條狹窄的道路上(國際上頻段資源非常有限),在運貨(導航信息)的過程中,你可以選擇用很多小車(多個頻率,俄羅斯方案),也可以選擇用2輛(老版本GPS兩個頻率)大車,或3輛大車(伽利略、新GPS、北斗三個頻率)運輸,各有利弊。



格洛納斯GLONASS系統目前的星座

因為小車運輸,格洛納斯安全系數高,在抗干擾和欺騙等方面很強,同時兼容性較差、維護成本很高。

獨特的軌道設計使其在高緯度地區擁有很高的應用價值(畢竟考慮俄羅斯地理位置),但是,高緯度地區人口太少,再加上俄羅斯一直以來跟歐美矛盾重重,格洛納斯很難擴大用戶,幾乎不具備商業化潛力。

蘇聯解體后,格洛納斯陷入絕境。普京的強力支持讓這個系統起死回生,但也僅讓其維持在理論上最少的24顆衛星。目前,格洛納斯系統是俄羅斯政府最大花費的單個項目,隨著俄羅斯經濟衰落,前景很不樂觀。

歐洲的伽利略(Galileo)系統

它曾經是北斗的“老師”,起步就三頻信號,只是被拖延了10年后才重新開始發射衛星,錯失了許多良機。現在,該系統有了18顆衛星,要陸續補到30顆才能覆蓋全球。

一直以來,歐洲在軍事上依賴于美國,而且蘇聯解體后,歐洲沒有了大規模正規軍入侵的威脅。所以伽利略系統在起步階段就定位為“民用”系統。歐洲真正看重的,是以定位導航為核心的巨大市場——在當時,全球的衛星導航所涉及、產生的經濟利潤,基本上全都被美國賺取了。

但是,它的商業化道路走得并不輕松。

“伽利略”計劃的推出,刺激了美國和俄羅斯加快技術更新,新一代GPS和新一代“格洛納斯”的定位精度等技術指標很快反超“伽利略”,“伽利略”逐漸喪失了技術相對領先的優勢。

而中國北斗二號的橫空出世,不僅使歐洲“伽利略”系統準備與美國GPS一爭高下的愿望大打折扣,也沖淡了“伽利略”未來的市場前景。這已經跟它當初的目標相差太多。



伽利略系統星座

印度區域導航系統IRNSS



印度的區域導航系統僅能覆蓋印度及其附近

以前,印度有一個依賴于GPS的區域增強系統,上文提過,在印巴沖突期間,美國關掉了交戰雙方的GPS服務。印度后來自力更生,建成了一個獨立的區域增強系統IRNSS。覆蓋范圍僅限印度這一片,而且,最近幾顆衛星上的原子鐘接連出現故障,如果不快速發射衛星進行補充,很可能會導致任務失效。

日本的準天頂系統QZSS



日本的準天頂系統,是目前世界上最小的導航系統

這是一個依賴于GPS服務、加強GPS系統在日本地區應用的系統,發的信號都和GPS一樣。如果美國GPS關掉信號不讓它用,它就真不能用了。現在僅有3顆衛星為它服務。

從全球六大衛星導航系統來看,我國的北斗在技術方面不亞于美國GPS。雖然GPS很早便進入了市場、實現了壟斷,北斗的商業化推廣極難進行(沒有民用的盈利,光靠國家投資不是長久之計),但我們還是要一步一步地走下去。


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