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掃盲!為啥我們看不懂北斗的價值”轉載”
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鐵血軍事     阅读简体中文版

前言
鐵血軍事

這是一篇內容全面、表述正確、通俗易懂、篇幅最長、讀起來輕松愉快的北斗科普文章,您只要讀了開頭,就一定會讀到結尾,只要讀到結尾。

此文轉自“奧卡姆剃刀”微博!

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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。






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。
一、從GPS說起,GPS的原理
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.蓋伊和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担不起。
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。




二:GPS免費,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。



三:北斗一代的由來


三: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。
四:北斗一代被詬病的原因




MH370失聯后出現了很多科普,令公眾熟悉了多普勒效應這個名詞,那多普勒效應對衛星來說到底是好事還是壞事呢?
這要看是哪一種衛星,多普勒效應對導航定位衛星來說是好事,因為衛星相對地面物體被測物體的相對速度越大,多普勒效應越明顯,定位就會更加準確,這甚至是定位導航衛星的核心原理基礎。
但是,多普勒效應對通信衛星來說就是壞事了,因為頻率偏移會導致通信失敗,必須得做修正。例如位于印度洋上空的亞太國際通信衛星就是相對地面固定的,失聯的MH370在最后階段發出的7次探尋信號被這顆衛星測出了頻率偏移,這本來是要被修正掉的數據,沒想到這卻成了推測飛機航跡的唯一證據。
用一句話總結就是:用通信衛星干了定位衛星的活,把本來是壞事的多普勒效應變成了好事。






既然中國的這兩顆衛星是靜止軌道的,自然可以與國際通信衛星一樣完成通信任務,于是既能定位又能通信就被設計成為了北斗一代的技術特點,而GPS等其它定位導航系統都是不支持通信功能的。
美國GPS不具備北斗這樣的通信功能,這真不能說人家技術落后,因為人家的衛星系統是各司其職的,定位衛星和通信衛星兩套系統的性能都很優異。而中國北斗一代是身兼兩職,聽起來功能更加全面,其實是中國把定位衛星打到了通信衛星的軌道上,自然能收獲了通信這個副業。
畢竟定位才是北斗一代的主業,大部分的信道資源都必須讓給定位數據的傳送,所以留給通信的信道資源就很少,它無法完成實時的話音通信,只能完成短信功能。
由于這兩顆星的軌道很高,導致了地面被測物體與衛星的相對速度很低,于是多普勒效應就不明顯,其定位精度自然遠遠比不過GPS。因此雖然官方宣傳的北斗一代既能通信又能定位是獨特優勢,其實是通信功能比國際海事衛星差得多,定位功能比GPS衛星差得多,通信和定位雖說啥都能干,但啥性能都不行。
平心而論,北斗一代已經達到了設計指標,工程是非常成功的,畢竟就只有兩顆星嘛,咋能跟幾十顆的海事通信衛星和GPS衛星相比呢,好比是你花了800塊買了部雙卡雙待的山寨機,罵它不如蘋果手機好,這其實并不公平。




不妨做個假設,假如沒有國際海事衛星和GPS衛星的話,那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的,但問題是北斗一代問世時,這兩種衛星系統已經相當成熟了,在它們的對比之下,北斗一代簡直就是一坨翔,而且是國家花了大價錢造出的一坨翔,當然是各種被罵,研發人員們灰頭土臉不敢吭氣。
五:與伽利略計劃的姻緣

北斗一代的使用體驗比較差,那該咋往下走呢?

這時中國看上了歐洲的伽利略計劃,這是歐洲國家聯合搞的全球定位導航衛星系統計劃,因為這個項目實在是太燒錢,歐洲單個國家誰都搞不起,但又不能不搞,雖然歐洲國家跟美國關系很好,但也不能把國家安全都系在美國政府身上。

歐洲有技術但缺錢,于是他們瞄上了土豪中國,中國正因為北斗一代不給力而發愁呢,自然是一拍即合,據報道稱中國加入了伽利略技術,并且很大方的拍了兩個億的入伙費。但中國越來越覺得不對勁,歐洲居然把日本和印度也拉入伙了,他們出的錢少但權利不少,這不是把中國當作冤大頭了嗎?

多出點錢倒不是問題,關鍵在于這兩個國家本來是我們在軍事上要防備的,難道要跟他們在國防方面使用相同的系統?中國發現苗頭不對,下定決心后就咔嚓地退出了,退出后自己單干,開始發展北斗二代。




北斗二代計劃在2020年前發射35顆衛星,形成全球性的定位導航系統,比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛星,主要是完成短信任務的,其它30顆跟美國GPS的30顆一樣,都是中軌道的運動衛星。
北斗二代的規模與GPS相當,申請的軌道和頻率與歐洲伽利略比較一致,這就不可避免地遇到了衛星軌道和頻率爭奪的問題。衛星軌道和空間頻率是人類共有的資源,那該如何分配呢?國際規則是既不按國家來分,也不按人口來分,而是誰先占了算誰的。
先占先得的原則是西方發達國家制定的,他們認為這是各國都有同樣機會的公平原則,理由是:你有本事你也打衛星啊,我又沒攔著你,你不打是你自己的事,如果你永遠不打,難道說軌道和頻率還要永遠給你留著?這聽起來也有道理,更關鍵的是,即使你覺得沒道理,你也沒能力阻止發達國家占軌道和頻率。
2005年伽利略計劃的第一顆衛星上天了,但并沒有開通,只是占了軌道但沒占頻率,為啥沒開通呢?原因是沒錢,開通需要花錢的,歐洲手頭有點緊。中國北斗二代的第一顆星也隨后上天了,而且上去就開通了,這下就把軌道和頻率都占上了,這為啥呢?這是因為中國政府不差錢。
歐洲伽利略那邊慢悠悠地搗鼓,而中國這邊的北斗一個接一個地不停打衛星,后來還搞起了一箭雙星,而伽利略計劃和北斗二代有些頻率是重合的,雙方都在國際電信聯盟組織備案了,誰先占上就算誰的,中國的快節奏把歐洲搞急眼了,通過美國給中國施壓,要求中國放慢腳步等等歐洲人民。



以前歐美國家憑借技術和經濟優勢搶占資源,中國技術和經濟不給力只能吃啞巴虧,你們從來就沒謙讓過,現在憑什么要我謙讓?中國不理會歐美的抗議,按既定的節奏繼續打衛星。
六:亞太地區組網
雖然現在還沒有把35顆衛星打全,但亞太地區的北斗二代定位導航網絡已經建起來了,并已投入了使用。GPS和北斗的中軌道運動衛星都是30顆,它們各在太空上織就了一張網,GPS網眼最密處是在美國上空,北斗二代網眼最密處在中國上空,為本土提供服務是第一要務,這個道理當然很好理解。加拿大和墨西哥當然會選擇GPS,而對于亞太國家來說,北斗卻比GPS更有優勢。




亞太國家認識到了北斗的覆蓋優勢,中國政府也積極推動北斗二代在亞太地區的應用,于是泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾等國家派出了19名專家,于2014年7月來到中國考察北斗二代,研究討論合作的事項。
第一站去的是武漢光谷北斗集團,參觀了中國最大的遙感衛星地面接收站,第二站去的是黃石,參觀了建設中的中國-東盟北斗示范城,第三站參觀了北斗地球空間產業國際學院,第四站是參加“2014北斗技術與應用國際培訓班”,在兩院院士李德仁領銜的武漢大學測繪遙感國家生點實驗室里連續學習了半個月。




行程安排是很講究的,先帶他們參觀,行程非常密集不容你思想懈怠,一處更比一處高端大氣上檔次的北斗產業園區,令他們的眼睛瞪得越來越大,在內心受到了震撼后,再由國際知名科學家李德仁院士親自授課,解答你國使用北斗的所有疑問,順便收獲了這些東盟專家的膝蓋。
泰國專家表示,有些GPS衛星的信號泰國收不到,而北斗所有的衛星信號都能接收到,當然要參加北斗的“天眼”計劃,而且泰國現在已建成了首批CORS(連續運行衛星定位服務綜合系統),馬來西亞緊隨其后,將成為北斗“天眼”的下一個落戶的國家。



七:在漁業的應用
北斗的首次成功應用是2008年5月12日的汶川地震,甭看我們平時的通信非常方便,電話、短信、互聯網等手段很多,但其實都是高度依賴光纖和基站的,當這些基礎設施遭到大面積損壞時,你會發現QQ、微信、微博、短信…..所有平時很方便的通信手段全都完蛋了,除了靠吼之外簡直就沒有一點辦法。



那時候北斗還是一代系統,雖然因為性能指標比不過GPS和海事衛星而被罵出了翔,但北斗一代在地震時卻發揮出了不受地面影響的優勢,它的定位和短信能力充分發揮了作用,成為了救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手,最大限度地保證了“72小時黃金搶救時間”的有效利用,彰顯了北斗服務民生的技術優勢。
遠洋漁業是個充滿危險的行當,遇到風險時能得到及時得到救助非常重要,再節省的漁民都會備齊兩樣電子設備,一是GPS二是海事衛星電話,以便遇到風險時能及時求助。




遇到風險需要求救,首先要用GPS定好位,然后用海事衛星電話通知岸上的救援隊,告訴他們我遇險的GPS坐標,以便他們來救我。當然也有用電臺的,但電臺的可靠性不如海事衛星電話,生死攸關時通不上可就抓瞎了。但是,養一部海事衛星電話是很貴的,但為了關鍵時刻救命又不敢不養,很多漁民對此很糾結。
北斗二代在亞太地區布網后,漁民有了一個新選擇,那就是裝北斗衛星船載終端,北斗的雙向短信功能在漁船救險方面得到了完美應用,遇到險情后一鍵求救,終端會自動把附帶著定位信息的求救短信通過衛星發給岸上的救援隊,實現了GPS+海事衛星電話的功能,而且更加方便。




那這個終端貴嗎?政府大力推廣,將之列為安全機械設備,享受農機補貼政策,政府額外拿出了1個億,免費為遼寧、山東、浙江、海南的1萬艘漁船安裝的北斗終端,后續再安裝的直接補貼九成,漁民只需要象征性的出一成的錢就可以安裝。




海事衛星電話很貴,那北斗衛星短信貴不貴呢?答案是一條三毛!這是有史以來最便宜的衛星短信了,為啥這么便宜,有政府補貼唄,其實根本就沒考慮成本,收費是象征性的。本來有專家建議免費,但怕漁民們沒事就發段子,過于浪費衛星信道資源,干脆就定一條三毛吧。





北斗衛星的短信功能非常受歡迎,根據浙江省2011年的統計,浙江漁民利用北斗衛星發短信1300萬條,其中船與船互通604萬條,船與手機互通696萬條。






漁業省份在岸上大建基于北斗二代的漁業信息服務基礎設施,通過衛星給漁船發送實時的天氣、海浪、赤潮、魚汛消息,甚至還有當日漁市價格,幫助漁民決定捕撈哪種魚,漁民在海上就可以把漁獲信息傳到岸上,提前聯系好了買家。


2015-08-23 08:55

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