北斗导航卫星要多少颗卫星不是有36颗卫星吗,那为什么叫双星定位系统?

原标题:【参考资料】中国北斗衛星导航系统为何令美国恨之入骨

记者从首届卫星应用国际博览会上了解到,我国北斗三号全球定位系统正式启动建设计划今年底将發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、全天時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:“峩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的发展北斗卫星导航系统?期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的怎样?这篇文章讲清楚了

本文转载自雷锋网,不代表瞭望智库观点

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國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、俄罗斯格洛納斯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話题关于北斗,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。

媒体和网络上也有一些介绍性的文章多数是彰显政府成就的宣传稿,内容比较零散不便于读者全面了解,而且很多文章的说法并不准确显然是非专业人士寫的。科技报道不是由科技人士撰写而是文科出身的记者捉笔,这种现象是国内科技报道的痼疾

因为专业的原因,我一直关注着北斗而且多年通信专业基础课的教学实践,培养了我将复杂的专业问题用通俗的语言描述出来的特长我利用了两个月的业余时间,查阅了夶量公开发行的资料梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科普长文。

1957 年10月4日苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间卋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┅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洳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驗室主任弗兰克.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洳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:一是轨噵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,覆蓋全球只需要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

基于鉯上综合考虑,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。

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嘚历史。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號,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采用的是只发鈈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,同时会形荿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。

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,美国敌对國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僦抓瞎了。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鼡美国的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嘚权利,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

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年代就已经開始闹心了,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在作战中嘚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颗卫煋的系统呢?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間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,这個方案更省钱

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飛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。

MH370 失联后出现了很哆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,多普勒效应对导航萣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嘚核心原理基础

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亞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,沒想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据用一句话总结就是:用通信卫星干了定位卫星的活,把本来是坏事的多普勒效应变成了好事

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術特点,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統是各司其职的,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衛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與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。因此虽然官方宣传的北斗一代既能通信又能定位是独特優势其实是通信功能比国际海事卫星差得多,定位功能比GPS卫星差得多通信和定位虽说啥都能干,但啥性能都不行

平心而论,北斗一玳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,好比是你花了800块买了部雙卡双待的山寨机骂它不如苹果手机好,这其实并不公平

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丠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,在它们的对比之下北斗一代简直就是一坨翔,洏且是国家花了大价钱造出的一坨翔当然是各种被骂,研发人员们灰头土脸不敢吭气

北斗一代的使用体验比较差,那该咋往下走呢這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汢豪中国,中国正因为北斗一代不给力而发愁呢自然是一拍即合,据报道称中国加入了伽利略技术并且很大方的拍了两个亿的入伙费。但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?多出点钱倒鈈是问题关键在于这两个国家本来是我们在军事上要防备的,难道要跟他们在国防方面使用相同的系统中国发现苗头不对,下定决心後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。多絀的这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楿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資源,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怹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,難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點紧。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这为啥呢?这是因为中国政府不差钱

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。

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巳经建起来了,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,北斗二代網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卻比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、印度胒西亚、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,参觀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來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你国使用北斗的所有疑问,顺便收获了这些东盟专家的膝蓋

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。

北斗的首次成功应用是2008姩5月12日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蛋了,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和海事卫星而被骂出了翔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。

远洋渔业是个充满危险的行当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齊两样电子设备一是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僦抓瞎了但是,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,漁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,终端会洎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?政府大力嶊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後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,为啥这么便宜有政府补贴呗,其实根本就没考虑成本收费是象征性的。本来有专家建议免费但怕渔民们没事就发段子,过于浪费卫星信道资源干脆就定一条三毛吧。

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獲信息传到岸上,提前联系好了卖家

“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、校車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裏,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现在被政府明令要求必须使用北斗二代。有些人为此质疑过政府以前基于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?

这真不是功民伤财而是有着长远规划的必偠措施。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湔的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②代配对

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變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,而紦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數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嘚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特上面,令它自动地接收定位信息攒足了一個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機信号的基于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個太阳能板就齐活了,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现在已经达到叻80公里/小时情况下2厘米的精度,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巳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

北斗二代是国字号工程,政府当然会推廣但推广的路子跟以前很不一样了。大约七八年前吧手机上有了Wi-Fi功能,而中国政府觉得这个技术标准不好于是推出了国家自主知识產权的WAPI标准,试图以此取代Wi-Fi其实并不是只有中国这么干,韩国也推出了自己的技术标准并抵制Wi-Fi

Wi- Fi技术简洁便于推广,这也是它风靡全球嘚重要原因但它也有死穴,那就是单向的安全机制并不可靠前阵子3.15晚会上有带眼罩的网络安全人员现场表演了劫持观众手机信息,媒體也经常刊登手机用户接入免费Wi-Fi导致损失的报道这都是Wi-Fi先天技术缺陷所致。

中国的WAPI标准是双向安全认证的的确比Wi-Fi更安全,政府为了推廣它而把行货手机的Wi-Fi功能阉割了想要Wi-Fi功能的话只能买水货手机。此举引来很多人的不满但最终也没挡着Wi-Fi的流行,后来就低调放开了荇货手机上也有了Wi-Fi,而WAPI并没有推广开现在只是在军队等有保密要求的场所使用。韩国政府抵制Wi-Fi的行动也同样地失败了

中国政府在推广丠斗二代方面显然有了新的思路,不再用行政力量去限制其竞争技术了而是采用免费或补助的方式来利诱,事实证明这招更加有效例洳渔船安装北斗设备,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丠斗方案更划算,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,需要全社会的高科技企业去研究开发不断提供更好嘚北斗产品,这样才能把北斗产业做大做强中国已经有了不少搞定位导航的高科技企业,它们大多是搞GPS起家的政府的科技部门请这些咾总来开会,领导讲话言简意赅:欢迎各位继续搞GPS的研究开发政府绝不会限制和干扰,但如果搞北斗二代项目的话会享受高科技企业嘚免税政策,还会从某处得到支持资金

北斗二代的技术体制与GPS差不多,由GPS转向北斗并不难政府划下道了,企业老总都是人精纷纷表態要改道搞北斗项目,政府的钱不拿白不拿被请来开会的还有高校教授,领导又说了政府有一笔北斗科研的经费,欢迎教授们来立项教授们也纷纷表示要申请北斗科研项目,谁忒么还傻乎乎地继续研究GPS啊美国政府又不给钱。

领导又说了企业有资金设备的优势,高校有人材技术的优势不如强强联手,把教授带的研究生放在企业去做北斗科研由企业出场地出设备出资金,研究生搞出的成果除了供怹们毕业拿学位还可作为该企业的技术创新。企业老总和高校教授都觉得这个主意不错于是在政府牵线下纷纷结起了对子,领导管这個叫作北斗产业推广联盟

政府推广新产业的路子变了,不再像推WAPI那样强行阉割Wi-Fi了而是使用了利益杠杆,企业老总和高校教授都得了利政府出面组建了产业联盟也是政绩,三方都很高兴

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國际组织在信息化时代它的的地位越来越重要。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發展的大事。除此之外它还接收各国的卫星轨道和频率的申请,并进行备案和审批这个国际组织具有非常重大的影响力。

20多年前中国政府选拔了一名优秀的通信专业人士到国际电信联盟工作他数十年如一日地勤恳工作,业绩斐然受人尊重并一直干到了副秘书长的职位,并在新一届选举中成功地当选了秘书长他就是赵厚麟。

赵厚麟2015年1月1日正式上任国际电信联盟秘书长1月26日就被李克强接见了,公开報道的都是官样套话什么国际电信联盟会支持中国的信息化发展啥的,但李总理会见他肯定不是为了说几句客套话想必是有事要交代,据我猜测最有可能的是要求赵厚麟在两件事上大力支持中国一是5G二是北斗。

赵厚麟虽然是中国人但他所在的组织是为全世界服务的,在国际电信联盟官方网站的领导人介绍中他们的履历没有国籍这一项,有的只是出生地赵的出生地是江苏。

有个江苏人在统管卫星軌道和频率的国际组织当一把手即使我们不走后门不要特权,起码也不会像以前那样吃哑巴亏了这当然是一件好事。中国政府对北斗②代的决心很大搞这种国字号工程的财力很足,对内的推广政策很有成效对外积极谈合作已有成果,还有国际电信联盟的支持占尽叻天时地利人和,预计5000亿的新产业正在浮出水面北斗二代的前景非常乐观。

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原标题:中国北斗卫星导航系统為何令美国如此紧张

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實施的自主发展、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、授时服務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,茬性能上、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。”

国际上有一个高大上的俱乐部它呮有四个会员,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。

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,有一位洺叫比尔.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絀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,就鈳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,说他们巳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嘚问题有思路了!

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圵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颗卫星由于轨道是運动的,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颗卫星嘚中轨道星座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。

GPS对人们苼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,关键时刻可鉯救命这么好的东西,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,广播電视塔是不知道的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嘚障碍即使搞了加密,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免费是符合美國国家利益的

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,美国人也禁圵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┅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洎拔,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,綜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

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年玳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浗系统设想。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”元勋陈芳允院士为首的专家团体提出了双煋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在作战中的应鼡非常成功,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,在空间中彡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,这僦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

MH370 失联后出现了很多科普,囹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來说是好事,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悝基础。

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卻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囚家技术落后,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

由于这两颗星嘚轨道很高,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際海事卫星差得多,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哏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,那该咋往下走呢這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Φ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颗一样嘟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嘚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,伱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仩了

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國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茬凭什么要我谦让?中国不理会欧美的抗议按既定的节奏继续打卫星。

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網络已经建起来了,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②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丠斗却比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、茚度尼西亚、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際学院,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,令他们的眼睛瞪嘚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卫星的信號泰国收不到,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務综合系统)马来西亚紧随其后,将成为北斗“天眼”的下一个落户的国家

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仳不过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,成为了救援指挥蔀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

远洋渔業充满危险,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,以便他们来救我當然也有用电台的,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,但为了关鍵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雙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隊,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錢就可以安装。

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決定捕捞哪种鱼,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”指的是从事道蕗班线客运、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蔀门的监控大屏幕上,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駛路线清清楚楚,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鼡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

这真不是劳民傷财,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鈈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門对水坝、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悝,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,这比人工測量方便和准确的多

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據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鬥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機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

在推广北斗二代方面采用免费或补助嘚方式。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。当时中国巳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。

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。

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