2020年7月31日,中国自主研发的北斗3号(BDS-3)完工,很多人热血沸腾、奔走相告,认为由此可以证明中国的技术领先全世界,“甩了美国几条街”,真乃是“厉害了我的国”。
我与这些人交谈时,发现他们其实并不知道北斗系统的发展过程,更不知道北斗2号与北斗3号之间的差异,仅仅是一味地欢呼雀跃,没有具体内容,让人觉得有点盲目、空洞。于是我就打算写这篇文章,简单科普一下北斗卫星的发展状况及其现状,用事实和数字给这些人以些许帮助,这便是本文的希望。
按时间顺序,当然应该先介绍一下美国的GPS,以便有个作比较的基础。飞机和轮船在航行中动态地知道自己在地球上的位置,其军事意义是不言而喻的。英国人从1944年就开始了动态定位系统的早期研发,1960年代初,美国军方开始了全球卫星定位系统(GPS)的研究,从1970年代开始建造,1980年代后期初步完善,到1993年,24颗低空卫星的最后一颗部署完毕,军用系统的GPS第1期工程完工,它的空间误差精确到了1厘米。
1995年,在添加了可控制的特种噪声信号后,将误差精度扩大为100米,免费向民用开放,这已足够民航客机使用了。后来随着汽车导航系统的普及,这个误差又被减小到10至15米。如果商业用户想要让误差再小一些,那就不是免费的了,需要向美国国防部申请许可证,购买特种接收器,付费使用,并必须接受国防部的监控。误差越小,费用越贵,受到的监控也越严格,商用GPS接收器的最小误差为2厘米。我自己实际使用过的商用GPS接收器的误差是10厘米。那时我的老板曾对我说,误差为2厘米的许可证,价钱太贵,公司买不起。
经过三十多年的商业运作,GPS已经深入到民间的每一个角落,全世界所有的手机和各种类型的导航器中,全都有GPS的身影,许多半导体芯片中都有一小块面积用于GPS的接收器。对于21世纪20年代的人来说,GPS导航几乎成了人手一部的普通家用电器产品,不能算是“高科技”了。来自全世界的商业收入足以满足GPS自身的维护与发展并绰绰有余,这使得GPS能够长期健康成长,并为美国增添了许多军费。可以说,GPS是英美两国科学家半个多世纪的科学技术与经验的结晶,并且经历过多次实战检验,日臻成熟、可靠,是1980年代的最先进的科学技术之一。
中国不是美国的军事盟国,不能使用军事水平的GPS。中国政府认为,重要的军事技术应该独立自主,不能受制于他人。从1994年开始,中国决定研发自己专用的卫星导航系统,取名为“北斗”。
中国自己的北斗应该向哪个方向建设和发展呢?当时出现了两种不同的意见。第一种意见是:应该向美国学习,建设出一套与GPS一样的导航系统,借用美国成熟的技术和经验,可以少走弯路。第二种意见是:跟在别人的屁股后面走,永远都是二流水平,因此,应该弯道超车,后来者居上,建设出不同于美国、并且强于美国的卫星导航系统。
![“甩了美国几条街”的中国北斗 VS 美国的GPS “甩了美国几条街”的中国北斗 VS 美国的GPS](https://pub.creaders.net/upload_files/image/202408/20240818_17239959567097.jpg)
一番争论之后,后者获胜,这就是后来人们见到的北斗1号和北斗2号。2000年北斗1号完工,这仅仅是一个实验性质的系统,一共只有两颗同步静止卫星,位于赤道上空35,786公里处,用来测试一下卫星之间的通讯和卫星与地面之间的通讯。在北斗1号成功的基础上,2004年北斗2号开工,并于2012年完工,达到了设计要求,再次获得成功。北斗2号是中国自己研发的第一个有实用意义的卫星导航系统,共有14颗卫星,9颗高空同步卫星,5颗中低空辅助卫星。
北斗2号与GPS相比,各有哪些优缺点呢?GPS有24至31颗低空卫星,北斗2号只有14颗,卫星少,建设成本低。GPS的定位精度是1厘米,北斗2号的定位精度是10米。GPS的定位属于“被动定位”,是一种单向通讯,客户的接受器只接受来自GPS的卫星信号,自己不发射信号,只要能同时收到4颗卫星的信号,就可以定位,功耗小,结构简单。北斗2号的定位则属于“主动定位”,客户的接受器必须首先向高空的同步卫星发射信号,请求告知自己的位置,同步卫星很高,鸟瞰半个地球,可以清楚地看到申请者之所在,然后告知其具体位置。
除此之外,还可以把申请者的位置通知其上级和其他相关战友,具有一些卫星电话、短信的功能。当然,从地面向高空卫星发送信号,功耗大,体积大,设备复杂。北斗2号的设计者认为,这种主动定位功能是双向通讯,要远强于GPS的单向通讯,技术上比美国的GPS强出许多,这是最为引以为自豪的设计和成就,是碾压美国GPS的最大技术特征。因此,综合比较,北斗2号甩出美国的GPS好几条街。
2012年北斗2号完工后,交付给唯一的用户,即中国军队投入试用。经过一系列军事演习等实战检验后,中国军方指出了北斗2号的一个致命的缺陷:当客户的接受器发出请求信号后,不仅高空的同步卫星可以接收到这些信号,附近的电子侦察机和位于低空的众多的间谍卫星也全都能收到,并立刻就能判断出发出信号者的位置。
当高空静止卫星发出的位置信息返回地面时,敌方的导弹可能已经快要到达自己的头顶了。也就是说,北斗2号的这个最为重要的基本设计,伤害了军队的保密性,在获得定位的同时,暴露了自己的位置,因此不具有任何军事意义,无法在战场上使用。在这种严峻而又无情的事实面前,花费了20年的时间才开发出来的北斗2号被迫报废弃置。中国的卫星导航系统绕了个大圆圈,又返回到出发点。
无奈之下,从零开始,重新设计自己的新的卫星导航系统。这次不再搞什么弯道超车了,而是完全模仿美国的GPS,采用被动定位,单向通讯,这就是后来人们见到的北斗3号。北斗3号于2020年7月31日完工,类似于GPS,最终由30颗低空卫星组成,这才是中国的第一个具有军事意义的卫星导航系统。
目前,北斗3号的定位精度是2.5至5米,强于北斗2号的10米,这个误差对于汽车、飞机、轮船的导航来说,足够用了,但对于导弹制导来说,还是不够的。1990年代初期,GPS的定位精度就已经达到了1厘米(0.01米),从那时开始,美军就开始了GPS制导导弹的研究。美军曾做过一个试验,发射一枚GPS制导导弹,准确地命中了一栋废弃楼房的烟囱口,然后,导弹顺着烟囱落入地下室,然后再爆炸。如果误差高达2.5米,导弹就只能落在周边某处爆炸,效果就会大不相同。
目前,北斗3号仍然在不断地改进提高中,随着科学技术的进步和工艺加工的改进,它的误差一定会不断缩小,其定位精度有望能够达到1厘米的水平。不过到了那个时候,奉劝本文开首提到的那些人们,还是要稍安勿躁,保持冷静,脚踏实地,稳步前行才好,因为,美国的卫星定位系统研究也还在快速发展之中,并没有停步。(作者:张又普)