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    中國北斗是咋回事?從GPS說起

    作者:時間:2018-09-27來源:網絡收藏

      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、歐洲伽利略GALILEO、俄羅斯格洛納斯GLONASS、中國COMPASS。

    本文引用地址:http://www.09140960.com/article/201809/392365.htm

      中國是個新會員,同時也是發展勢頭最猛的會員,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!

      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。


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    關鍵詞: 北斗 GPS

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