中国北斗是咋回事？从GPS说起

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。

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·盖伊的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。

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。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。

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 失联后出现了很多科普，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在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移，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，它无法完成实时的话音通信，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，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，按既定的节奏继续打卫星。

6、亚太地区组网

虽然现在还没有把35颗卫星打全，但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建起来了，并已投入了使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗，它们各在太空上织就了一张网，GPS网眼最密处是在美国上空，北斗二代网眼最密处在中国上空，为本土提供服务是第一要务，这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS，而对于亚太国家来说，北斗却比GPS更有优势。

亚太国家认识到了北斗的覆盖优势，中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用，于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家，于2014年7月来到中国考察北斗二代，研究讨论合作的事项。

第一站去的是武汉光谷北斗集团，参观了中国最大的遥感卫星地面接收站，第二站去的是黄石，参观了建设中的中国-东盟北斗示范城，第三站参观了北斗地球空间产业国际学院，第四站是参加“2014北斗技术与应用国际培训班”，在两院院士李德仁领衔的武汉大学测绘遥感国家生点实验室里连续学习了半个月。

行程安排是很讲究的，先带他们参观，行程非常密集不容你思想懈怠，一处更比一处高端大气上档次的北斗产业园区，令他们的眼睛瞪得越来越大，在内心受到了震撼后，再由国际知名科学家李德仁院士亲自授课，解答你国使用北斗的所有疑问，顺便收获了这些东盟专家的膝盖。

泰国专家表示，有些GPS卫星的信号泰国收不到，而北斗所有的卫星信号都能接收到，当然要参加北斗的“天眼”计划，而且泰国现在已建成了首批CORS（连续运行卫星定位服务综合系统）。马来西亚紧随其后，将成为北斗“天眼”的下一个落户的国家。