美国免费为全世界提供GPS服务,为什么中国还要搞“北斗”?

宗禾 2018-12-29 浏览:
北斗系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围,全天候、全天时,为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。自上世纪九十年代开始,北斗系统启动研制,按“三步走”发展战略,先有源后无源,先区域后全球,先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。12月27日,在国务院新闻办公室新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布北斗三号基本系统完成建设,于27日开始提供全球服务。这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式迈入全球时代。

12月27日,在国务院新闻办公室新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布——

北斗三号基本系统完成建设,于27日开始提供全球服务。这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式迈入全球时代。

美国免费为全世界提供GPS服务,为什么中国还要搞“北斗”?

新闻发布会现场

据介绍,北斗系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围,全天候、全天时,为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

美国免费为全世界提供GPS服务,为什么中国还要搞“北斗”?

自上世纪九十年代开始,北斗系统启动研制,按“三步走”发展战略,先有源后无源,先区域后全球,先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。

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。

媒体和网络上也有一些介绍性的文章,多数内容比较零散,不便于读者全面了解,而且很多文章的说法并不准确,显然是非专业人士写的。

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。 

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。 

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。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,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。

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