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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。% Y* _8 z1 P2 M' H. @
文| 毛新愿 瞭望智库特约科技观察员" w5 H- S0 Q; O% f" {8 L2 q
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。- p+ {/ _3 N+ a0 T& N* j
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。
; x" f4 Z% c" O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。2 n$ t; F% o7 c4 z* H' M2 W
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7 X$ p8 }: H5 R } w; l: D# C' o% O有了GPS,为啥还要搞“北斗”?) w/ d* S; H* f% T
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。: ~* [- N% s) z
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。
. V) E2 h3 C q4 M# D5 |$ z: vGPS有多强大?( A1 y& C9 E; Q/ d
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。" ]1 v4 S8 l9 o8 ~
在战场上,精确制导的重要性毋庸置疑。* X* v/ M9 S; N; s
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。8 S: B1 o6 y8 M$ v; i" t& W
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。7 b4 V8 \" z+ B. `+ R, R0 I
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。
/ r* y2 u* M+ l! ^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......
( a% i$ E3 C& ]! v离开了GPS,国家的电网都会没那么稳定。
7 c: @) c+ U: ?1 R; t( R' [% \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?
0 Q: b$ k: X! b X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。0 y$ X1 `. M2 F7 x( ]9 `
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。, ^ v5 L% A1 ~1 h3 }) F
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。
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然而,这么重要的GPS,极易被控制。& {) r: r9 b& }! W7 w4 @9 s+ W3 Q
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)?
& J3 C( R4 F+ V" m& y7 J3 U$ Z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。 $ @% p. b6 ~6 `# ^' g
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。
& u y. e' `8 }2 R. Z曾经高度依赖美国GPS系统的印度也吃过大亏。" X9 m. Z- N9 H3 }; `
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。
9 _ w1 P7 w/ A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。$ @/ @3 P: P( O2 _& ?# @/ G+ Z
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% Q8 w; w4 l; i) Y5 E. Q大国重器,必须靠自己!
# A6 ]) x ^, _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。
A' w' ~" O) I1 n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。% N% m/ U7 s; @- j+ v) G
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。# N7 X$ D2 T+ R
“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!% P$ h4 g5 j7 Y& O' W% E+ ~
1994年,我国开始进行北斗一号的研制工作;
; ]/ x* ?/ g/ B" e- O( Z+ i2000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;7 w( l a! W& X# O/ b+ q
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。
$ Z( A- S1 R7 S9 w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。1 x. ^; @9 Y" q7 y0 [
2000年,伽利略系统立项;* q' r! w, O# B d, \0 R' N
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。5 s: G6 ^ m4 i
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。
- l, C" [1 y) h) E$ `4 l* Q中国果断决定:自己干!
3 D4 ? j( p5 Z' `% s) ^8 \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。! A) A1 T4 z5 E2 q7 a3 d( I
到了2012年,我们已经发射了16颗卫星,完全覆盖了亚太地区。0 @5 D9 |8 w& h4 P W
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。
. [) t; E" }' c$ {' e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。
9 B7 J' U8 }1 T, e% R5 N- z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。
% n. `* M. e+ y. J$ I x& Z F' G2017年9月28日北斗可见卫星图 3$ I. J% U3 a: n4 H- w
中国北斗有两大“绝活”1 E- s, O7 @) E( a1 s
评价导航系统的主要指标主要有四项:% n8 ~+ @! C3 P/ ]
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)。0 D% J) E! j; D4 d9 M8 ^
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。5 o; Y! `+ o1 k a K2 Q* y
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。
+ v1 n- z5 A, x# g# m7 r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。' Y: I$ W. i' I3 S" |6 x
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。" _( l" R) U: S0 }. G+ Q5 Q$ R
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。
/ Z# h8 N! v6 B* P我国的北斗卫星导航系统紧随其后。
; [9 a2 g! D( ?5 V我国北斗星座 8 P: U& {/ m( d5 K3 f! ? }
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