身负两大“绝活”的中国北斗，能超越美国GPS吗？

阿牛 · 发表于 2017-10-11 19:06

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10月9日，《日本经济新闻》报道，中国将于11月发射定位精度更高的北斗三号全球组网卫星，到今年年底将增至4颗。2018年前后，中国将完成18颗北斗三号全球组网卫星发射，为“一带一路”沿线国家提供基本服务，2020年形成全球服务能力。
文| 毛新愿瞭望智库特约科技观察员

1994年，中国着手研发北斗防空系统；2000年，开始应用于试验卫星发射；2011年底，面向民间开放。
现在的北斗二号系统由23颗卫星组成，覆盖中国和西太平洋，其定位精度约为10米。中国开发的北斗三号系统将定位精度提高至2.5米至5米。
中国的目标是在2020年将北斗系统的国内利用率到提高到60%。与北斗三号对应的半导体芯片正在开发过程中，将于近期正式投入市场，应用于汽车导航系统和共享单车位置管理系统。北京拜克洛克科技有限公司透露，将利用北斗系统管理ofo共享单车位置。
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有了GPS，为啥还要搞“北斗”？
GPS全称为Global Positioning System，隶属于美国空军，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。
这个系统主要包含民码和军码两种信号，二者精密级别不在一个量级，前者是毫米级别，后者是分米级别。
GPS有多强大？
军事方面：目前，美国几乎所有的飞机、坦克、舰船、单兵、精确制导弹药都在使用GPS。
在战场上，精确制导的重要性毋庸置疑。
最典型的应用是在1991年海湾战争时期，美国轰炸伊拉克水电站，至少需要数百吨常规弹药，并且，轰炸机面临着巨大的防空火力威胁。而基于GPS和图像精确制导的导弹，只需两颗——一颗炸出缺口，第二颗沿着缺口飞进去，在百公里外发射便可自动飞向目标。
第二次海湾战争期间，甚至出现了导弹顺着新闻大楼通风口一直钻下去的高精度袭击场景。

此外，对于战场指挥系统，特别是大空间跨度的指挥，极其精确的时间同步也是非常重要的，GPS都可以做。
民用方面：离开了GPS，手机不能导航，微信不能共享位置，各种地图都不能用......
离开了GPS，国家的电网都会没那么稳定。
离开了GPS，各大股票/大宗商品交易所的时间没法精确同步（GPS可做到纳秒级别授时），为确保安全，金融效率会降低很多，还玩什么高频交易、超短线？
离开了GPS，科学界现在的大气、重力场、地球磁场、地球板块运动、地震及火山自然灾害、地球洋流和海平面变化、冰川运动和融化等研究，就基本可以退回到20年前的状态了，这些年上述领域的重大突破都和GPS有紧密关系。
离开了GPS，自动驾驶技术、精密农业、民航飞机高精度起飞降落自主导航，都是梦。
离开了GPS，超大工程定位，比如港珠澳大桥、高铁、突破人类天际的各个中国大桥，就没那么多中国速度了，测量与校正就足够折腾的。
......
然而，这么重要的GPS，极易被控制。
如果完全依赖GPS，美国加上了干扰，怎么办？或者，根本不让你用了呢？还有更极端的，干脆给你发送虚假的GPS信号呢（GPS的干扰、欺骗都容易实现）？
那么，轻则汽车、轮船等走错路，重则导弹攻击错误目标，打到自己也极有可能。
在美国GPS一家独大之时，美国军方在所有民用信号上放了干扰。后来俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）系统出现，美国为了应对竞争才取消了这个干扰（2000年5月2日）。从图中可以看出，取消干扰后，民用信号的定位精度直接从百米级提高到了今天的米级。

曾经高度依赖美国GPS系统的印度也吃过大亏。
1999年，印巴卡吉尔（Kargil）战争期间，美国觉得不能让印度太得瑟，就直接关闭了印巴战区的所有GPS服务，导致印度的武器和士兵瞬间“失明”，遭受了巨大的损失。
后来，印度痛定思痛，放弃了自己原先开发的GPS增强系统及与GPS相关的卫星，自己做了一套区域性的导航系统。
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大国重器，必须靠自己！
实际上，早在1970年，我国就提出了关于卫星导航技术的论证方案——“灯塔”项目，与美、苏在同一时期，后来，因国内外形势变化被迫下马。
海湾战争给全世界“上了一课”，大家都深刻意识到卫星导航系统的巨大价值。
1993年7月23日，美国无中生有地指控中国“银河”号货轮将制造化学武器的原料运往伊朗。当时，“银河”号正在印度洋上正常航行，突然船停了下来。事后大家才知道，这是因为当时美国局部关闭了该船所在海区的GPS导航服务，使得船不知道该向哪个方向行驶。
“银河号事件”使我们清楚地意识到：卫星导航，我们一定要自己搞出来！
1994年，我国开始进行北斗一号的研制工作；
2000年，发射了两颗静止轨道卫星，实现了区域性（仅限于亚太地区）卫星导航；
2003年，又发射了一颗备份卫星，北斗一号正式完工，我国已经在军事领域（战术武器等）摆脱了对GPS的依赖。
按原计划，我国只需研发出北斗一号应用于亚太地区即可，在全球性应用方面寄望于与欧盟计划共同推出伽利略系统。
2000年，伽利略系统立项；
2003年，我国率先加入该项目，投资超过2亿欧元，并迅速成立了中欧卫星导航技术培训合作中心。
然而，造价仅仅相当于一个欧洲中型机场的伽利略系统（35亿欧元）进展很不顺利，欧盟麾下各国明争暗斗，导致这个项目被不断推迟——计划于2006年前后建成的系统至今仍未完成。中国虽然是投资方，却被不断排挤，欧盟很多核心技术的研究都把中国排除在外。
中国果断决定：自己干！
2007年，中国开始正式建设自己的北斗卫星导航系统，也就是我们熟知的北斗二代。
到了2012年，我们已经发射了16颗卫星，完全覆盖了亚太地区。
北斗二号的建设与运转给我们积累了大量的技术和经验，我们的目光已超越亚太地区、投向全世界任何一个地方。
于是，北斗三号正式开始建设。2015年，中国发射了北斗三号第一颗卫星，目前，进入建设高潮期。
现在，北斗已经成长为共计23颗的庞大卫星导航系统，在2020年，将有35颗卫星处于工作状态，从而实现全球无差别的高精度定位。

2017年9月28日北斗可见卫星图

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中国北斗有两大“绝活”
评价导航系统的主要指标主要有四项：
军用价值。导航系统最主要的目的是服务于军事（美国GPS、我国北斗、俄罗斯格洛纳斯均隶属于军方）。
民用价值。民用是可以赚钱的，因此赚钱和商业化能力也是个极其重要的指标。
实用性。全球性的一定比区域的好，1厘米精度的肯定比1米的好，能1分钟定位的肯定比1小时的好，独立的肯定比依赖其他卫星系统的好。
稳定性。几个系统处于竞争状态，所以需要保持现有状态稳定，频繁发射卫星补充（毕竟都是几十个大卫星的卫星星座），而且由于竞争和需求必须更新换代。
按照这四个指标来看，美国的GPS导航系统仍然独占鳌头——GPS是已经发展了30多年的成熟系统，早就实现了全球覆盖，卫星补充稳定，长期维持在32颗，并已经更新到第三代。

GPS系统星座动态图

最重要的是，GPS几乎垄断了全世界民用导航市场，其商业价值远远超过军方投资。后来者很难与其争锋。
我国的北斗卫星导航系统紧随其后。

我国北斗星座

阿牛 · 发表于 2017-10-11 19:06

北斗有两大“绝活”：
一是最复杂的星座系统。
不同于世界其他任何一个系统，北斗是唯一一个使用了地球静止轨道（36000公里高）、地球倾斜同步轨道（36000公里高）和中轨轨道（20000+公里高）的卫星导航系统。GPS、格洛纳斯、伽利略都是仅使用中轨轨道。
北斗使用了更加高轨的静止和倾斜同步轨道，卫星轨道运转周期为24小时，其信号会长期覆盖指定区域，且卫星之间形成的数据通信链路也能校正误差、进一步提高精度。
我国重点覆盖的区域是亚太地区及“一带一路”地区，系统建成后，这些地区均将获得优于GPS系统的精准定位。
二是短报文系统。
其他所有定位系统只接收太空信号，不与通信卫星进行任何交流。而北斗的接收机可以和卫星进行交流，最典型的应用是可以发布140个字的短报文，就像现在人们平时用的“短信”，既能够定位，又能显示发布者的位置。
在海洋、沙漠和野外等没有网络的地方，安装北斗系统终端的用可以定位自己的位置，并能够向外界发布文字信息。该技术将被用于紧急救援、野外作业、海上作业系统。
更重要的是，北斗的短报文功能可以实现双向通信，提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利，在国防、民生和应急救援等领域具有很强的应用价值。
特别是在灾区，在通讯、电力中断或移动通信无法覆盖北斗终端的情况下，可以使用短报文进行通信。
2008年汶川地震时，进入重灾区的救援部队利用120字的短报文突破通信盲点、与外界取得联系，及时向指挥部汇报了灾情。
而且，这个功能不但实用，而且成本很低，目前我国民用短报文大概几毛钱一条。
由上可知，无论是军用还是民用，北斗对我国意义重大，称其为“国之重器”丝毫不为过。在技术上，它完全可以与新一代GPS媲美，之前有媒体报道过某博士破解了北斗信息，完全是谣言，因为“破解”的是民码，而民码本来就是要公开的（全世界各个系统都是如此）。
只是相比GPS，在商业化方面，北斗暂时很难从每年千亿美元级别的GPS市场那里“分一杯羹”。而且，北斗系统尚未完全建成，竞争力较为有限。
不过，2020年前后，北斗三期完全建成，巨大的国内市场和“一带一路”国家的需求足以支撑北斗成长为世界第二大系统。在未来，北斗还有很大上升空间。
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俄欧印日的导航系统怎么样？
目前，世界上有四大全球导航系统、两个区域性导航系统。除中美外，俄罗斯、欧盟、日本也在搞导航系统，它们水平怎么样呢？
俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）系统
该系统自苏联时期开始建设，是唯一一个频分多址的系统（不同于其他系统的码分多址）。
这两个的区别可以用一个例子形容：在一条狭窄的道路上（国际上频段资源非常有限），在运货（导航信息）的过程中，你可以选择用很多小车（多个频率，俄罗斯方案），也可以选择用2辆（老版本GPS两个频率）大车，或3辆大车（伽利略、新GPS、北斗三个频率）运输，各有利弊。

格洛纳斯GLONASS系统目前的星座

因为小车运输，格洛纳斯安全系数高，在抗干扰和欺骗等方面很强，同时兼容性较差、维护成本很高。
独特的轨道设计使其在高纬度地区拥有很高的应用价值（毕竟考虑俄罗斯地理位置），但是，高纬度地区人口太少，再加上俄罗斯一直以来跟欧美矛盾重重，格洛纳斯很难扩大用户，几乎不具备商业化潜力。
苏联解体后，格洛纳斯陷入绝境。普京的强力支持让这个系统起死回生，但也仅让其维持在理论上最少的24颗卫星。目前，格洛纳斯系统是俄罗斯政府最大花费的单个项目，随着俄罗斯经济衰落，前景很不乐观。
欧洲的伽利略（Galileo）系统
它曾经是北斗的“老师”，起步就三频信号，只是被拖延了10年后才重新开始发射卫星，错失了许多良机。现在，该系统有了18颗卫星，要陆续补到30颗才能覆盖全球。
一直以来，欧洲在军事上依赖于美国，而且苏联解体后，欧洲没有了大规模正规军入侵的威胁。所以伽利略系统在起步阶段就定位为“民用”系统。欧洲真正看重的，是以定位导航为核心的巨大市场——在当时，全球的卫星导航所涉及、产生的经济利润，基本上全都被美国赚取了。
但是，它的商业化道路走得并不轻松。
“伽利略”计划的推出，刺激了美国和俄罗斯加快技术更新，新一代GPS和新一代“格洛纳斯”的定位精度等技术指标很快反超“伽利略”，“伽利略”逐渐丧失了技术相对领先的优势。
而中国北斗二号的横空出世，不仅使欧洲“伽利略”系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣，也冲淡了“伽利略”未来的市场前景。这已经跟它当初的目标相差太多。

伽利略系统星座

印度区域导航系统IRNSS

印度的区域导航系统仅能覆盖印度及其附近

以前，印度有一个依赖于GPS的区域增强系统，上文提过，在印巴冲突期间，美国关掉了交战双方的GPS服务。印度后来自力更生，建成了一个独立的区域增强系统IRNSS。覆盖范围仅限印度这一片，而且，最近几颗卫星上的原子钟接连出现故障，如果不快速发射卫星进行补充，很可能会导致任务失效。
日本的准天顶系统QZSS

日本的准天顶系统，是目前世界上最小的导航系统

这是一个依赖于GPS服务、加强GPS系统在日本地区应用的系统，发的信号都和GPS一样。如果美国GPS关掉信号不让它用，它就真不能用了。现在仅有3颗卫星为它服务。
从全球六大卫星导航系统来看，我国的北斗在技术方面不亚于美国GPS。虽然GPS很早便进入了市场、实现了垄断，北斗的商业化推广极难进行（没有民用的盈利，光靠国家投资不是长久之计），但我们还是要一步一步地走下去。

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