话说北斗卫星

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1、话说北斗卫星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。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

2、并不准确，显然是非专业人士写的。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，作者一直关注着北斗，而且多年通信专业 基础课的教学实践，培养了作者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 大量公开发行的资料，梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科 普长文。1、从GPS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出现了偏

3、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！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

4、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

5、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oGPS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

6、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

7、，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

8、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

9、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

10、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。4、北斗一代被诟病MH370失联后岀现了很多科普，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 航定位卫星来说是好事，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的核心原理基础。但是，多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了，因为频

11、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 最后阶段发岀的 7 次探寻信号被这颗卫星测岀了频率偏移， 这本来是要被修正掉的数据，没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，这真不能说人家技 术落后，因为人家的卫星系统是各

12、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目前只 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。因此虽然官方宣传的北斗一代既能通信又能 定位是独特优势，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，

13、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块买了部双卡双待的 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，在它们 的对比之下，北斗一代简直就是一坨翔，而且是国家花了大 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。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？这时中国看上了欧洲的伽利略计划，这是欧洲 国家联合搞的

14、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，于是他们瞄上了土豪中国， 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？多出点钱倒不是问题，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，下定决心后就咔嚓地退出 了，退出后自己单

15、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，都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 的问题。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

16、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，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