身負兩大“絕活”的中國北斗能超越美國GPS嗎？

　　10月9日，《日本經濟新聞》報道，中國將于11月發射定位精度更高的北斗三號全球組網衛星，到今年年底將增至4顆。

　　2018年前后，中國將完成18顆北斗三號全球組網衛星發射，為“一帶一路”沿線國家提供基本服務，2020年形成全球服務能力。

　　1994年，中國著手研發北斗防空系統;2000年，開始應用于試驗衛星發射;2011年底，面向民間開放。

　　現在的北斗二號系統由23顆衛星組成，覆蓋中國和西太平洋，其定位精度約為10米。中國開發的北斗三號系統將定位精度提高至2.5米至5米。

　　中國的目標是在2020年將北斗系統的國內利用率到提高到60%。與北斗三號對應的半導體芯片正在開發過程中，將于近期正式投入市場，應用于汽車導航系統和共享單車位置管理系統。北京拜克洛克科技有限公司透露，將利用北斗系統管理ofo共享單車位置。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。