中国北斗卫星导航系统科学奥妙在哪？
我国北斗三号全球定位系统已正式启动建设，计划今年底将发射四颗全球组网卫星。北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有独特的短报文通信功能。
北斗卫星导航系统副总设计师冉承其表示：“我们正在建设的北斗三号系统，它除了全球覆盖以外，在性能上、系统的可靠性上，还会有大的提高。从定位精度来讲，会在现有系统性能提高一到两倍。”中国为什么要耗时耗力地发展北斗卫星导航系统？其间是怎么与欧美日进行博弈的？中国的北斗卫星导航系统究竟发展得怎样？
国际上有一个高大上的俱乐部，它只有四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是GNSS（全球导航卫星系统），四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。中国北斗是个新会员，同时也是发展势头最猛的会员，北斗是咋回事？对我们的生活有什么影响？这是一个很有意思的话题。
1.从GPS说起
1957年10月4日，苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星，开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注，有一位名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治.威芬巴赫的物理学家，他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象，那就是这颗卫星的频率出现了偏移，经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。这两位科学家对此进行了实验研究，发现如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置，他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克.麦克卢尔，说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。
弗兰克主任当时在做海军的一项研究，研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置，听到两位科学家的汇报后他眼前一亮，既然你们能够发现卫星在哪里，如果把问题反过来，卫星就能发现你们在哪里，海军军舰定位的问题有思路了！GPS系统就按这种思路启动了，方案中需要解决的第一个问题就是：卫星该采用低、中、高哪种轨道？如果采用低轨道的话，发射成本比较低，精度比较高，但若覆盖全球的话则需要200颗卫星，这样浩大工程实在是负担不起。如果采用高轨道，理论上三颗卫星就能覆盖全球，但除了高轨道卫星的发射难度大之外，更主要的是定位精度会很低，原因有两个：一是轨道太高会导致测量误差大，二是静止轨道与地面物体的相对速度很小，不利于使用多普勒频移的解算方法。
中轨道是比较折衷的方案，覆盖全球只需要24-36颗卫星，由于轨道是运动的，即使地面的物体不动，但相对卫星的速度也很大，这就可以充分利用多普勒频移方法了。基于以上综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，1978年发射了第一颗，全系统在1995年投入运行，现有卫星30颗，分为军用和民用两种定位模式，其中民用方式向全球开放。
2.美国是不是活雷锋
GPS对人们生活品质的提升相当大，例如汽车和手机导航就非常重要，人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了，关键时刻可以救命。这么好的东西，美国又投入了巨资，居然向全世界免费，难道美国政府是活雷锋？其实即使GPS不免费那也收不上来钱，为啥这样说呢？因为GPS是单向通信体制，这跟广播电视塔类似。广播电视塔大家都知道，它只管发射信号，到底有1个收音机听还是1万个收音机听，广播电视塔是不知道的，GPS系统也是如此，30颗卫星只管不停地向地面发信号，具体是谁在接收并使用这些信号，它是根本不知情的，既然不知情，那还怎样收钱？通过售卖高价解码芯片来收钱行不行？答案是不行，因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制，这对加密传输来说是先天的障碍，即使搞了加密，没几天就会被破解了，尤其是民码还要求简单易用，接收设备要求成本低廉，这对加密来说就更加困难了。如果GPS免费，则一定会在全球形成巨大的市场，依托这套系统会产生新的国际性产业，同时会形成一股强大的国家软实力，所以说GPS免费是符合美国国家利益的。
GPS 免费对全世界的民生来说是个福利，但在军事方面却是个挑战，美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装，美国人也禁止不了，这对美国是不是一个威胁呢？其实GPS开放的只是民码，精度比美国军方使用的军码差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，万一跟美国打起了仗，人家把GPS民码给你一停，你已经很依赖 GPS了，甚至连指南针都丢了，这可就抓瞎了。如果美国不给你停GPS，而是发个欺骗码，瞄准美国的导弹就可能飞到自己的阵地上，这更加可怕。所以说，他国的军备绝不能使用美国的GPS，一旦形成依赖就会像吸毒者一样无法自拔，必须要发展本国的定位导航系统。当然，发展本国的定位导航系统也只是少数大国的权利，因为全球定位导航系统实在是太浩大，综合国力微弱的小国家造不起，还是老老实实地继续用GPS吧，这倒也省心。
3.北斗一代的由来
中国在定位导航卫星这事上可不能图省心，实际上从上个世纪70年代就已经开始闹心了，七五规划中提出了“新四星”计划，随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案，以及多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。
1980年代初期，以“两弹一星”元勋陈芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案，这是当时公认的最优方案，但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点，海湾战争中，美国的GPS在作战中的应用非常成功，决策层深刻意识到以后打仗没这东西是真的不行，被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。
为啥不像美国那样搞30颗卫星的系统呢？当时的国情是又没经验又没钱，刚起步可得悠着点，从小打小闹开始吧，上来就玩大的容易搞砸锅。一定会有网友问，在空间中三个坐标才能定位，两颗卫星不够用啊？这是个好问题，双星定位方案中有个高度仪，用户需要自测高程，并将结果作为第三个坐标，这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星，这就实现了三星定位。那为什么不干脆发射三颗卫星呢？原因很简单，高度仪很便宜，这个方案更省钱。只有两颗星，当然不能像美国GPS那样搞中轨道的，轨道低了覆盖面就小，两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行，那中国还咋用呢？因此只能搞高轨道的，而且还得是静止的，这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。静止高轨道是双星定位的必须选择，从技术上讲这毫无疑问是正确的，但却埋下了性能不强的隐患，这就是要谈的下一个问题，北斗一代被诟病。
4.北斗一代被诟病
MH370 失联后出现了很多科普，令公众熟悉了多普勒效应这个名词，那多普勒效应对卫星来说到底是好事还是坏事呢？这要看是哪一种卫星，多普勒效应对导航定位卫星来说是好事，因为卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大，多普勒效应越明显，定位就会更加准确，这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。但是，多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了，因为频率偏移会导致通信失败，必须得做修正。例如位于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的，失联的 MH370在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移，这本来是要被修正掉的数据，没想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据。
既然中国的这两颗卫星是静止轨道的，自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务，于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点，而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。美国GPS不具备北斗这样的通信功能，这真不能说人家技术落后，因为人家的卫星系统是各司其职的，定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。而中国北斗一代是身兼两职，听起来功能更加全面，其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上，自然能收获了通信这个副业。
毕竟定位才是北斗一代的主业，大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送，所以留给通信的信道资源就很少，它无法完成实时的话音通信，只能完成短信功能。由于这两颗星的轨道很高，导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低，于是多普勒效应就不明显，其定位精度自然远远比不过GPS。其实是通信功能比国际海事卫星差得多，定位功能比GPS卫星差得多。平心而论，北斗一代已经达到了设计指标，工程是非常成功的，毕竟就只有两颗星嘛，咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢。不妨做个假设，假如没有国际海事卫星和GPS卫星的话，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但问题是北斗一代问世时，这两种卫星系统已经相当成熟了。
5.与伽利略计划的姻缘
北斗一代的使用体验比较差，那该咋往下走呢？这时中国看上了欧洲的伽利略计划，这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划，因为这个项目实在是太烧钱，欧洲单个国家谁都搞不起，但又不能不搞，虽然欧洲国家跟美国关系很好，但也不能把国家安全都系在美国政府身上。欧洲有技术但缺钱，于是他们瞄上了中国，双方一拍即合。但后来中国越来越觉得不对劲，欧洲居然把日本和印度也拉入伙了，他们出的钱少但权利不少，这不是把中国当作冤大头了吗？中国发现苗头不对，下定决心后就咔嚓地退出了，退出后自己单干，开始发展北斗二代。
北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球性的定位导航系统，比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星，主要是完成短信任务的，其它30颗跟美国GPS的30颗一样，都是中轨道的运动卫星。北斗二代的规模与GPS相当，申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致，这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源，那该如何分配呢？国际规则是既不按国家来分，也不按人口来分，而是谁先占了算谁的。
先占先得的原则是西方发达国家制定的，他们认为这是各国都有同样机会的公平原则，理由是：你有本事你也打卫星啊，我又没拦着你，你不打是你自己的事，如果你永远不打，难道说轨道和频率还要永远给你留着？这听起来也有道理，更关键的是，即使你觉得没道理，你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了，但并没有开通，只是占了轨道但没占频率，为啥没开通呢？原因是没钱，开通需要花钱的，欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了，而且上去就开通了，这下就把轨道和频率都占上了。
欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓，而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星，后来还搞起了一箭双星，而伽利略计划和北斗二代有些频率是重合的，双方都在国际电信联盟组织备案了，谁先占上就算谁的，中国的快节奏把欧洲搞急眼了，通过美国给中国施压，要求中国放慢脚步等等欧洲人民。以前欧美国家凭借技术和经济优势抢占资源，中国技术和经济不给力只能吃哑巴亏，你们从来就没谦让过，现在凭什么要我谦让？中国不理会欧美的抗议，按既定的节奏继续打卫星。
6.亚太地区组网
虽然现在还没有把35颗卫星打全，但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建起来了，并已投入了使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗，它们各在太空上织就了一张网，GPS网眼最密处是在美国上空，北斗二代网眼最密处在中国上空，为本土提供服务是第一要务，这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS，而对于亚太国家来说，北斗却比GPS更有优势。
亚太国家认识到了北斗的覆盖优势，中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用，于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家，于2014年7月来到中国考察北斗二代，研究讨论合作的事项。
第一站去的是武汉光谷北斗集团，参观了中国最大的遥感卫星地面接收站，第二站去的是黄石，参观了建设中的中国-东盟北斗示范城，第三站参观了北斗地球空间产业国际学院，第四站是参加“2014北斗技术与应用国际培训班”，在两院院士李德仁领衔的武汉大学测绘遥感国家生点实验室里连续学习了半个月。行程安排是很讲究的，先带他们参观，行程非常密集不容你思想懈怠，一处更比一处高端大气上档次的北斗产业园区，令他们的眼睛瞪得越来越大，在内心受到了震撼后，再由国际知名科学家李德仁院士亲自授课，解答使用北斗的所有疑问。
泰国专家表示，有些GPS卫星的信号泰国收不到，而北斗所有的卫星信号都能接收到，当然要参加北斗的“天眼”计划，而且泰国现在已建成了首批CORS（连续运行卫星定位服务综合系统）。马来西亚紧随其后，将成为北斗“天眼”的下一个落户的国家。
7.在渔业的应用
北斗的首次成功应用是2008年的汶川地震，甭看我们平时的通信非常方便，电话、短信、互联网等手段很多，但其实都是高度依赖光纤和基站的，当这些基础设施遭到大面积损坏时，你会发现QQ、微信、微博、短信…..所有平时很方便的通信手段全都完了，除了靠吼之外简直就没有一点办法。那时候北斗还是一代系统，虽然因为性能指标比不过GPS和海事卫星而被骂，但北斗一代在地震时却发挥出了不受地面影响的优势，它的定位和短信能力充分发挥了作用，成为了救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手，最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用，彰显了北斗服务民生的技术优势。
远洋渔业充满危险，遇到风险时能得到及时得到救助非常重要，再节省的渔民都会备齐两样电子设备，一是GPS二是海事卫星电话，以便遇到风险时能及时求助。遇到风险需要求救，首先要用GPS定好位，然后用海事卫星电话通知岸上的救援队，告诉他们我遇险的GPS坐标，以便他们来救我。当然也有用电台的，但电台的可靠性不如海事卫星电话，生死攸关时通不上可就抓瞎了。但是，养一部海事卫星电话是很贵的，但为了关键时刻救命又不敢不养，很多渔民对此很纠结。
北斗二代在亚太地区布网后，渔民有了一个新选择，那就是装北斗卫星船载终端，北斗的双向短信功能在渔船救险方面得到了完美应用，遇到险情后一键求救，终端会自动把附带着定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队，实现了GPS+海事卫星电话的功能，而且更加方便。那这个终端贵吗？政府大力推广，将之列为安全机械设备，享受农机补贴政策，政府额外拿出了1个亿，免费为辽宁、山东、浙江、海南的1万艘渔船安装的北斗终端，后续再安装的直接补贴九成，渔民只需要象征性的出一成的钱就可以安装。海事卫星电话很贵，那北斗卫星短信贵不贵呢？答案是一条三毛！这是有史以来最便宜的卫星短信了。
北斗卫星的短信功能非常受欢迎，根据浙江省2011年的统计，浙江渔民利用北斗卫星发短信1300万条，其中船与船互通604万条，船与手机互通696万条。渔业省份在岸上大建基于北斗二代的渔业信息服务基础设施，通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息，甚至还有当日渔市价格，帮助渔民决定捕捞哪种鱼，渔民在海上就可以把渔获信息传到岸上，提前联系好了卖家。
8.“两客一危”与地基增强系统
“两客一危”指的是从事道路班线客运、旅行包车、危险货物运输车，这些都必须安装电子定位装置，并将运行信息及时接入到全国的联网联控系统中。在交通管理部门的监控大屏幕上，车辆的运动状态一目了然，超速闯禁行等违规驾驶行为会自动报警，这是一项保护人民生命安全的法规。“两客一危”的范围还在扩展，警车、公务车、校车也正在被纳入到卫星定位监控系统之中，不仅仅是为了行车安全，还要监控公车私用，车辆行驶路线清清楚楚，数据妥妥地存在数据库里，由不得司机遮掩狡辩。这种对特种车辆的卫星监控，以前要求使用GPS，现在被明令要求必须使用北斗二代。有些人为此质疑，以前基于GPS的系统本来就能完成任务，现在为了推广国产北斗就来硬的，这不是劳民伤财吗？
这真不是劳民伤财，而是有着长远规划的必要措施。中国正在筹划搞北斗二代的地基增强系统，在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设备，形成北斗的地基增强系统，与天基的卫星相互配合，可达到米级以下的实时定位精度。
北斗二代的天基系统和地基系统一旦成功结合，那大货车就再也不敢长期占用超车道了，而以前的GPS定位精度是10米，是无法区分车道的。给孩子戴的定位手表会更加精准和灵敏，定位信息不再是“在某地附近”，而是精确到孩子站在哪块地板砖上。地基增强系统是要与天基系统密切配合的，如果把这个遍及全国的国字号系统搭建在美国GPS的基础之上，那万一人家收费了呢？或者把底层数据屏蔽了，那我们就被会卡了脖子。我们已经有了完全自主产权的北斗二代，自家的地基增强系统当然要跟自家的北斗二代配对。
9.形变检测与自动驾考
北斗二代的用途非常非常多，据统计有200多项，例如有一项就是形变监测，专门对水坝、大桥、高速公路等巨大建设物的沉降和变形做测量。网友们一定会疑问，北斗与GPS的精度都是10米，咋能搞如此细致的活计呢？这源于差分算法技术。任何测量都是会有误差的，而把多次测量后的结果统计平均，就会有效地减少误差。卫星定位的差分算法也是这个道理，一次定位的精度是10米，但把成千上万次的定位数据进行合并处理，就有可能得到更加精准的结果，甚至精确到毫米以下。
很显然，测量的次数越多和时间越长则精度就越高，而建筑物的沉降和变形是缓慢的，正好可以利用这些特点来进行高精度测量。把北斗设备固定在建筑上面，令它自动地接收定位信息，攒足了一个月的海量定位数据后进行差分计算，精度在毫米以下的定位数据就算出来了，这比人工测量方便和准确的多。很多偏远监测点是没有手机信号的，基于GPS的形变监测必须得人工采集，而使用北斗进行形变监测还有个好处就是数据可以直接通过北斗短信功能传回基地，给它安个太阳能板就齐活了，定位、差分解算、数据回传全部自动化。
在地面设施的配合下，北斗的实时定位精度已经远远高于GPS，这就给另一种业务提供了技术手段，那就是基于北斗二代系统的无考官驾考。现在的倒车入库等驾考项目已经有电子监控了，压线就会报警，但路考还得有考官。以后的全部驾驶课目考试可能被北斗系统全面取代，在考试车上安装北斗接收机，无论是倒库还是路考，系统都会精确实时记录车辆轨迹，并自动评分，会比考官更严格和公正。
10.北斗二代的推广
在推广北斗二代方面采用免费或补助的方式。例如渔船安装北斗设备，政府并不禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话，而在给北斗设备提供大量补助，卫星短信也只是象征性地收费，明显北斗方案更划算，渔民当然会装北斗而弃用GPS和海事卫星电话。北斗二代有200多项应用，为了不断提供更好的北斗产品。当时中国已经有很多研究定位导航的高科技企业转向北斗二代研究，北斗二代的技术体制与GPS差不多，由GPS转向北斗并不难。并且研究北斗二代项目会享受高科技企业的免税政策和资金支持。
11.国际电信联盟
标准规范是电信业的第一要务，国际电信联盟就是负责制定国际电信规则和标准的国际组织，在信息化时代它的地位越来越重要。国际电信联盟正在制定5G的关键技术、频率范围和技术标准，这是一件影响到全球电信业发展的大事。除此之外，它还接收各国的卫星轨道和频率的申请，并进行备案和审批。中国专家赵厚麟当选国际电信联盟新一任秘书长，成为国际电信联盟150年历史上首位中国籍秘书长。预计数千亿的新产业正在浮出水面，北斗的前景非常乐观。（人民日报公众号）
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