中國北斗是咋回事？從GPS說起

　　國際上有一個高大上的俱樂部，它只有四個會員，卻吸引了各國首腦的關注和眾多頂級科學家工程師的研究，這個俱樂部就是GNSS(全球導航衛星系統)，四個會員分別是美國GPS、歐洲伽利略GALILEO、俄羅斯格洛納斯GLONASS、中國北斗COMPASS。

　　中國北斗是個新會員，同時也是發展勢頭最猛的會員，北斗是咋回事?對我們的生活有什么影響?這是一個很有意思的話題。關于北斗，學術期刊上的文章有很多了，但專業文章的術語太多，普通人讀不懂，而且也不會有興趣去讀。

　　1、從GPS說起

　　1957 年10月4日，蘇聯發射了全世界第一顆人造地球衛星，開創了人類的空間世紀。美國對此密切關注，有一位名叫比爾·蓋伊的數學家和一位叫喬治·威芬巴赫的物理學家，他們在霍普斯金的應用物理實驗室里發現了一個現象，那就是這顆衛星的頻率出現了偏移，經研究發現是相對運動引起的多普勒頻移效應。

　　這兩位科學家對此進行了實驗研究，發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衛星的具體位置，他們很高興地把這個研究成果告訴了實驗室主任弗蘭克。麥克盧爾，說他們已經實現了對蘇聯衛星的多普勒定位跟蹤。

　　弗蘭克主任當時在做海軍的一項研究，研究內容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學家的匯報后他眼前一亮，既然你們能夠發現衛星在哪里，如果把問題反過來，衛星就能發現你們在哪里，海軍軍艦定位的問題有思路了!

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

　　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射難度大之外，更主要的是定位精度會很低，原因有兩個：一是軌道太高會導致測量誤差大，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，由于軌道是運動的，即使地面的物體不動，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放。

　　2、美國是不是活雷鋒?

　　GPS是個好東西，對人們生活品質的提升相當大，例如汽車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，關鍵時刻可以救命。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?

　　其實即使GPS不免費那也收不上來錢，為啥這樣說呢?因為GPS是單向通信體制，這跟廣播電視塔類似。廣播電視塔大家都知道，它只管發射信號，到底有1個收音機聽還是1萬個收音機聽，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信號，具體是誰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?

　　通過售賣高價解碼芯片來收錢行不行?答案是不行，因為GPS采用的是只發不收的單向通信機制，這對加密傳輸來說是先天的障礙，即使搞了加密，沒幾天就會被破解了，尤其是民碼還要求簡單易用，接收設備要求成本低廉，這對加密來說就更加困難了。

　　如果GPS免費，則一定會在全球形成巨大的市場，依托這套系統會產生新的國際性產業，同時會形成一股強大的國家軟實力，所以說GPS免費是符合美國國家利益的。

　　GPS 免費對全世界的民生來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰，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威脅呢?其實GPS開放的只是民碼，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，萬一跟美國打起了仗，人家把GPS民碼給你一停，你已經很依賴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，而是發個欺騙碼，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，他國的軍備絕不能使用美國的GPS，一旦形成依賴就會像吸毒者一樣無法自拔，必須要發展本國的定位導航系統。當然，發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是不必操這個心的，因為全球定位導航系統實在是太浩大，綜合國力微弱的小國家們根本就造不起，還是老老實實地繼續用GPS吧，這倒也省心。

　　3、北斗一代的由來

　　中國是個有抱負的大國，在定位導航衛星這事上可不能圖省心，實際上從上個世紀70年代就已經開始鬧心了，七五規劃中提出了“新四星”計劃，隨后提出過單星、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……從來就沒有停止過。

　　80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個重大轉折點，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。

　　為啥不像美國那樣搞30顆衛星的系統呢?當時的國情是又沒經驗又沒錢，剛起步可得悠著點，從小打小鬧開始吧，上來就玩大的容易搞砸鍋。一定會有網友問，在空間中三個坐標才能定位，兩顆衛星不夠用啊?這是個好問題，雙星定位方案中有個高度儀，用戶需要自測高程，并將結果作為第三個坐標，這就好比是在地球中心裝了一個虛擬的衛星，這就實現了三星定位。那為什么不干脆發射三顆衛星呢?原因很簡單，高度儀很便宜，這個方案更省錢。

　　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間會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，從技術上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強的隱患，這就是要談的下一個問題，北斗一代被詬病。