北斗打破GPS壟斷只是無稽之談

　　問：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不是已經(jīng)很多年了嗎，怎么今年才開始試運(yùn)行？

　　答：這是一個(gè)在宣傳報(bào)道上造成的誤解。中國前后建設(shè)了兩代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，第一代是1994年啟動(dòng)、2004年投入使用的雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，最初被稱為“北斗一號(hào)雙星定位系統(tǒng)”。第二代是大約在2004年前后啟動(dòng)、目前仍在建設(shè)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，最初被稱為“北斗二號(hào)”。后來，北斗一號(hào)改稱為“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)”；而北斗二號(hào)稱為“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。

　　官方公布的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略是：

　　第一步，2000年建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

　　第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。

　　第三步，2020年左右，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。

　　完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由27顆MEO衛(wèi)星、5顆GEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成，總共37顆衛(wèi)星。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號(hào)）的原理有較大差別。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）采用雙星定位原理，整個(gè)系統(tǒng)由地面控制中心、兩顆地球同步衛(wèi)星和用戶終端組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)帶有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，雖然目前已經(jīng)在工業(yè)和軍事部門有較多應(yīng)用，但是其工作原理需要在地面終端和衛(wèi)星之間頻繁通信，在安全性上有缺陷，不能在高速平臺(tái)上使用，覆蓋區(qū)域僅局限于中國本土及周邊地區(qū)，實(shí)際上并不適合軍用。而且定位精度低，最高僅為20米，遠(yuǎn)不如美國的GPS系統(tǒng)。當(dāng)然，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)也有其獨(dú)特優(yōu)勢，就是為用戶提供短信服務(wù)，相當(dāng)于一部網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常寬廣的手機(jī)。這個(gè)功能在野外作業(yè)、或突發(fā)災(zāi)害時(shí)非常有用，08年汶川地震，災(zāi)區(qū)固定電話和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)全部中斷，汶川縣城的第一條災(zāi)情匯報(bào)就是由北斗用戶終端發(fā)出的。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號(hào)）是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，原理與GPS一致（GPS，就是GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)），為無源定位，用戶終端不需要發(fā)出信號(hào)，不需要地面控制中心介入。而更嚴(yán)格地說，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS-II系統(tǒng)一致，在原有中軌道（MEO）衛(wèi)星組網(wǎng)基礎(chǔ)上，再增加地球同步軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星，對(duì)中國及周邊地區(qū)的定位精度可以做到比GPS-I系統(tǒng)更高。而且，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還保留了短信服務(wù)，這項(xiàng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的獨(dú)有功能。

　　按計(jì)劃，完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由27顆MEO衛(wèi)星、5顆GEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成，總共37顆衛(wèi)星，比GPS-I足足多出13顆。作為階段性目標(biāo)、覆蓋中國及亞太大部分地區(qū)的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)”也需要由4顆MEO、5顆GEO和5顆IGSO衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)。

　　而目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)僅到位了1顆MEO、4顆GEO和5顆IGSO衛(wèi)星，所以只能稱為“試運(yùn)行”。等明年更多北斗衛(wèi)星發(fā)射后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)才會(huì)正式運(yùn)行，而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要具備完整的全球服務(wù)能力要等到2020年全部37顆衛(wèi)星發(fā)射之后。

　　因?yàn)镚PS系統(tǒng)的民碼早已遭到破解，目前國內(nèi)生產(chǎn)的GPS終端使用的芯片大部分是未經(jīng)授權(quán)的，所以現(xiàn)在國內(nèi)的GPS終端價(jià)格非常便宜。

　　問：這個(gè)系統(tǒng)怎么收費(fèi)啊？該不會(huì)跟移動(dòng)一樣雙向收費(fèi)吧。

　　答：從原理上說，使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時(shí)服務(wù)，北斗系統(tǒng)建設(shè)方是無法進(jìn)行雙向收費(fèi)的。因?yàn)楸倍废到y(tǒng)采用無源定位原理，用戶終端不需要發(fā)出信號(hào)。所以，北斗系統(tǒng)建設(shè)方不針對(duì)用戶直接收費(fèi)，而是采取對(duì)芯片制造商收取權(quán)利金的方式收費(fèi)，用戶購買北斗終端的時(shí)候就算作繳交了使用費(fèi)。這個(gè)收費(fèi)方式也是當(dāng)前廣播式無線電服務(wù)的主要收費(fèi)模式，如GPS系統(tǒng)、衛(wèi)星電視等。

　　但筆者估計(jì)這個(gè)權(quán)利金在民用終端零售市場也是非常難以收取的。因?yàn)镚PS系統(tǒng)的民碼早已遭到破解，目前國內(nèi)生產(chǎn)的GPS終端使用的芯片大部分是未經(jīng)授權(quán)的，所以現(xiàn)在國內(nèi)的GPS終端價(jià)格非常便宜。如車載GPS終端，其GPS解碼芯片所占的成本是很小，成本大部分是購買數(shù)字地圖產(chǎn)生的費(fèi)用。北斗終端在技術(shù)上與GPS終端是一樣的，所以生產(chǎn)成本也一致，加上權(quán)利金的話，北斗終端的價(jià)格肯定會(huì)比現(xiàn)有的GPS終端要高，在零售市場上沒有競爭力。所以，估計(jì)北斗的定位、授權(quán)服務(wù)收費(fèi)會(huì)集中在高端企業(yè)用戶。

　　當(dāng)然，個(gè)人用戶如果也要使用北斗特有的短信服務(wù)，那應(yīng)該就需要交納相應(yīng)的費(fèi)用了。

　　在衛(wèi)星工作初期，需要針對(duì)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論帶來的原子鐘誤差進(jìn)行調(diào)校。這些狹義、廣義相對(duì)論相關(guān)問題需要擁有不同大腦結(jié)構(gòu)的那些理論物理學(xué)家才能解析清楚。圖為美劇《生活大爆炸》劇照，劇中理論物理專業(yè)博士謝爾頓是一個(gè)“怪人”形象。

　　問：試運(yùn)行期間25米精度怎么這么低啊？

　　答：在衛(wèi)星工作初期，需要針對(duì)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論帶來的原子鐘誤差進(jìn)行調(diào)校，從而取得最后的穩(wěn)定準(zhǔn)確時(shí)間，這是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展中繼續(xù)經(jīng)過的步驟。以GPS為例，根據(jù)廣義相對(duì)論，由于物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致時(shí)空扭曲，地面時(shí)間比GPS運(yùn)行高度的固定平臺(tái)上的時(shí)間慢45微秒/每天，但是根據(jù)狹義相對(duì)論，物體速度越快則時(shí)間越慢，高速運(yùn)行的衛(wèi)星平臺(tái)會(huì)比地面時(shí)間慢7微秒/每天，一前一后就是38微秒左右的差距，而GPS定位本身需要的時(shí)間精度都是納秒級(jí)別的，影響非常巨大。

　　在地面進(jìn)行調(diào)校的原子鐘只能盡可能的調(diào)校到匹配在軌運(yùn)行的需求，必須經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行確定相對(duì)論對(duì)星上原子鐘的影響，取得合理的修正才能達(dá)到高精度。GPS在試運(yùn)行期間民碼的誤差達(dá)到了100米左右，但是調(diào)校完成后很快達(dá)到了10米級(jí)。

　　問：正式運(yùn)行以后的10米誤差看起來也很差啊，美國的GPS不是到1米了嗎？

　　答：GPS的1米精度是軍用碼，民用碼也在10米左右。北斗現(xiàn)在宣布的10米誤差也是針對(duì)民碼提出的，軍用將采用另外的編碼系統(tǒng)。

　　北斗作為后來者，從現(xiàn)在宣布的設(shè)計(jì)指標(biāo)來看，定位、授時(shí)精度都不遜于美國現(xiàn)在的GPS-II。但設(shè)計(jì)指標(biāo)還只是指標(biāo)，實(shí)際精度還要看系統(tǒng)調(diào)試的成效，影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度包括前面提到的原子鐘調(diào)校，還有衛(wèi)星測軌精度、衛(wèi)星運(yùn)行穩(wěn)定性等因素。

　　問：北斗系統(tǒng)上最重要的分系統(tǒng)是什么？是國產(chǎn)的嗎？

　　答：每個(gè)系統(tǒng)都很重要，但是最重要的話，筆者選原子鐘。原子鐘是工程物理和理論物理的高端結(jié)合，也是國家精密儀器工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，這種產(chǎn)品想不國產(chǎn)化都沒辦法，對(duì)導(dǎo)航級(jí)的原子鐘，西方是不會(huì)對(duì)中國出口的。北斗二代的銣原子鐘，精度為2×10的負(fù)14次方秒/每天，等于運(yùn)行五十萬億天才會(huì)有一秒的誤差，不亞于伽利略系統(tǒng)和GPS第二代系統(tǒng)的精度。

　　目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仍未能覆蓋新疆、西藏部分地區(qū)，倒是覆蓋了印度尼西亞、澳大利亞等多國的全部，這是由衛(wèi)星運(yùn)行軌道決定的，難以調(diào)整。

　　問：為什么當(dāng)前只能在我國、及周邊服務(wù)？

　　答：前面提到完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由27顆MEO衛(wèi)星、5顆GEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成。作為階段性目標(biāo)、覆蓋中國及亞太大部分地區(qū)的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)”也需要由4顆MEO、5顆GEO和5顆IGSO衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)。

　　當(dāng)前北斗僅到位了1顆MEO、4顆GEO和5顆IGSO衛(wèi)星，官方宣布北斗目前的主要性能服務(wù)區(qū)為東經(jīng)84度到160度，南緯55度到北緯55度之間的大部分區(qū)域。根據(jù)這組經(jīng)緯度進(jìn)行4點(diǎn)連線來看，新疆、西藏仍有部分地區(qū)未能覆蓋，倒是覆蓋了印度尼西亞、澳大利亞等多國的全部，這是由衛(wèi)星運(yùn)行軌道決定的。

　　我國明年還會(huì)發(fā)射6顆北斗衛(wèi)星，屆時(shí)將能完全覆蓋我國全部領(lǐng)土，全球覆蓋則要到2020年全部37顆衛(wèi)星發(fā)射之后。

　　問：有新聞報(bào)道說，北斗可以讓解放軍作戰(zhàn)效能提高100倍至1000倍，有那么神奇嗎？

　　答：這種說法源于現(xiàn)代軍事學(xué)說里的“兵力倍增器”概念，通過數(shù)學(xué)模型來計(jì)算某種支援系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)能力的提升程度。例如，空中加油機(jī)可以大幅延長戰(zhàn)機(jī)的制空巡邏時(shí)間，原來需要8架戰(zhàn)斗機(jī)完成的巡邏任務(wù)，現(xiàn)在只需要4架戰(zhàn)斗機(jī)去完成，簡單地說，在這個(gè)典型事例里，空中加油機(jī)使原有兵力的效能提高了2倍。

　　在最近3屆珠海航展，國產(chǎn)GPS制導(dǎo)炸彈簡直可以用“雨后春筍”、“琳瑯滿目”等詞來形容，但GPS是美國的系統(tǒng)，所以中國空軍至今沒有裝備GPS制導(dǎo)武器。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)軍隊(duì)準(zhǔn)確調(diào)度、部署的作用非常巨大，以往的慣性導(dǎo)航、地圖判讀方式，在精度和便捷性上與衛(wèi)星導(dǎo)航是無法比擬的。而且，現(xiàn)在很多武器彈藥都采用了衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)（GPS制導(dǎo)），例如只需1萬元左右的成本就可以將一顆最佳投擲精度只有3、40米的航空炸彈改裝成精度達(dá)到5米左右的GPS制導(dǎo)炸彈。一顆GPS制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)效能相當(dāng)于4、50顆普通航空炸彈，再考慮對(duì)飛機(jī)出動(dòng)架次的影響，可以說GPS制導(dǎo)炸彈讓空軍執(zhí)行對(duì)地面點(diǎn)狀堅(jiān)固目標(biāo)打擊時(shí)的效能提高了不止1000倍。但這種簡單的計(jì)算不是在任何情況下都成立的，因?yàn)槌薌PS制導(dǎo)炸彈，現(xiàn)在還有激光制導(dǎo)、電視制導(dǎo)炸彈等可供選擇。

　　所以，在總體軍力評(píng)估方面，100倍、1000倍這些準(zhǔn)確的數(shù)字并無太大意義，數(shù)學(xué)模型始終無法模擬過于復(fù)雜的情況。但必須明確的是，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)中國軍隊(duì)的意義非常重大，是戰(zhàn)略級(jí)的。可以看到的是，在最近3屆珠海航展，中國軍工企業(yè)都展出來種類繁多的GPS制導(dǎo)炸彈，但8年過去了，中國空軍始終未有裝備，主要原因是GPS是美國的系統(tǒng)，中國軍隊(duì)不可能使用其軍碼。現(xiàn)在有了自己的北斗，解放軍終于可以在武器上推廣衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)，打擊效能將得到極大提升。

　　針對(duì)無線電偽隨機(jī)碼的破解技術(shù)確有一定的前瞻性軍事價(jià)值。但高杏欣破解北斗的民用編碼，并會(huì)對(duì)北斗軍事用途有所影響，因?yàn)檐娪镁幋a算法是不斷改變的。

　　問：聽說北斗的編碼不是被一個(gè)在美國留學(xué)的女生破解了嗎？會(huì)有影響嗎？

　　答：清華大學(xué)精儀系的本科畢業(yè)生高杏欣，在斯坦佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間破解了北斗的民用編碼規(guī)則。其實(shí)GPS的民用編碼很早就被破解了，上市了很多沒有支付權(quán)利金的GPS終端，不然現(xiàn)在市面上的GPS終端也不會(huì)那么便宜了。伽利略系統(tǒng)剛發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星就被高杏欣破解了，比北斗系統(tǒng)更早，現(xiàn)在也還在推進(jìn)計(jì)劃中。破解主要針對(duì)固定不變的民碼，通過破解偽隨機(jī)碼可以免費(fèi)使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)。

　　但是軍用編碼是難以破解的，例如GPS軍用編碼的算法是變化的，重復(fù)一次需要267天，按目前的數(shù)學(xué)研究水平是無法破解的。所以民碼遭到破解，對(duì)北斗的軍事用途并沒有影響。

　　問：北斗要怎么面對(duì)與美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯的競爭？

　　答：筆者不認(rèn)為北斗與GPS、伽利略、格洛納斯等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在太大的競爭關(guān)系。

　　前面已多次提到，GPS系統(tǒng)的民碼已經(jīng)遭到破解，未交付權(quán)利金的GPS解碼芯片在全世界民用終端零售市場里廣泛存在。GPS是美國軍方的戰(zhàn)略資產(chǎn)，費(fèi)用是由美國納稅人承擔(dān)的，其設(shè)計(jì)之初并沒有考慮在民用市場的盈利。GPS系統(tǒng)至今已發(fā)射了50多顆衛(wèi)星，每次發(fā)射費(fèi)用以數(shù)億美元計(jì)，以后還要繼續(xù)發(fā)射新的衛(wèi)星以替代壽命到期的衛(wèi)星，這個(gè)成本靠收取權(quán)利金是收不回來的。

　　有了GPS這份免費(fèi)午餐的存在，作為后來者的北斗、伽利略和格洛納斯自然不用過多考慮市場競爭的問題。所謂的“GPS產(chǎn)業(yè)鏈”更多是在數(shù)字地圖、高性能信號(hào)接收機(jī)等應(yīng)用方面的豐富和提高，這些其實(shí)跟GPS系統(tǒng)本身、GPS系統(tǒng)建設(shè)方——美國軍方都是沒有關(guān)系的。而軍用方面更不存在什么競爭了，你用你的，我用我的，井水不犯河水，比拼的只有誰的定位精度更高。

　　中國建設(shè)自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要著眼于軍事、金融等關(guān)鍵領(lǐng)域不受制于人的戰(zhàn)略考慮。無論軍用或民用，北斗與GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間都不存在那種“你死我活”的直接競爭關(guān)系，“北斗打破GPS壟斷”、“北斗趕超GPS”之類言論只是無稽之談，國人不必對(duì)任何事物都持攀比心態(tài)。

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