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中国北斗是咋回事?从GPS说起

作者:时间:2018-09-27来源:网络收藏

  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、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国COMPASS。

本文引用地址:/article/201809/392365.htm

  中国是个新会员,同时也是发展势头最猛的会员,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。关于北斗,学术期刊上的文章有很多了,但专业文章的术语太多,普通人读不懂,而且也不会有兴趣去读。

  1、从说起

  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·盖伊的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!

  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是个好东西,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,至于泰国墨西哥等小国家其实是不必操这个心的,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们根本就造不起,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

  中国是个有抱负的大国,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。

  80年代初期,以“两弹一星”元勋成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,海湾战争把中国人打醒了,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,那中国大陆还咋用呢?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。


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关键词: 北斗 GPS

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