中國北斗衛星導航系統為何令美國恨之入骨

近日，北斗「中國精度」背負著滿滿的驕傲、自豪和強國夢挑戰GPS，此文作者從自身專業出發，梳理出了更加清晰全面的科普長文，讀完此文，或許你會更加了解——中國北斗衛星導航系統為何會令美國恨之入骨？

中國北斗是個新會員，同時也是發展勢頭最猛的會員，北斗是咋回事？對我們的生活有什麼影響？這是一個很有意思的話題。關於北斗，學術期刊上的文章有很多了，但專業文章的術語太多，普通人讀不懂，而且也不會有興趣去讀。

媒體和網路上也有一些介紹性的文章，多數是彰顯政府成就的宣傳稿，內容比較零散，不便於讀者全面了解，而且很多文章的說法並不準確，顯然是非專業人士寫的。科技報道不是由科技人士撰寫，而是文科出身的記者捉筆，這種現象是國內科技報道的痼疾。

因為專業的原因，我一直關注著北斗，而且多年通信專業基礎課的教學實踐，培養了我將複雜的專業問題用通俗的語言描述出來的特長。我利用了兩個月的業餘時間，查閱了大量公開發行的資料，梳理出了這篇全面介紹北斗衛星的科普長文。

1、從GPS說起

1957 年10月4日，蘇聯發射了全世界第一顆人造地球衛星，開創了人類的空間世紀。美國對此密切關注，有一位名叫比爾.蓋伊和數學家和一位叫喬治.威芬巴赫的物理學家，他們在霍普斯金的應用物理實驗室里發現了一個現象，那就是這顆衛星的頻率出現了偏移，經研究發現是相對運動引起的多普勒頻移效應。

這兩位科學家對此進行了實驗研究，發現如果在地面上架設多部接收機，就可以根據接收到的信號的不同頻差推算出這個衛星的具體位置，他們很高興地把這個研究成果告訴了實驗室主任弗蘭克.麥克盧爾，說他們已經實現了對蘇聯衛星的多普勒定位跟蹤。

弗蘭克主任當時在做海軍的一項研究，研究內容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學家的彙報後他眼前一亮，既然你們能夠發現衛星在哪裡，如果把問題反過來，衛星就能發現你們在哪裡，海軍軍艦定位的問題有思路了！

GPS系統就按這種思路啟動了，方案中需要解決的第一個問題就是：衛星該採用低、中、高哪種軌道？如果採用低軌道的話，發射成本比較低，精度比較高，但若覆蓋全球的話則需要200顆衛星，這樣浩大工程實在是負擔不起。

如果採用高軌道，理論上三顆衛星就能覆蓋全球，但除了高軌道衛星的發射難度大之外，更主要的是定位精度會很低，原因有兩個：一是軌道太高會導致測量誤差大，二是靜止軌道與地面物體的相對速度很小，不利於使用多普勒頻移的解算方法。

基於以上綜合考慮，美國選擇了24顆衛星的中軌道星座，1978年發射了第一顆，全系統在1995年投入運行，現有衛星30顆，分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用方式向全球開放。

2、美國是不是活雷鋒？

GPS是個好東西，對人們生活品質的提升相當大，例如汽車和手機導航就非常重要，人們告別了在紙制地圖上找路的歷史。GPS對於探險航海就更重要了，關鍵時刻可以救命。這麼好的東西，美國又投入了巨資，居然向全世界免費，難道美國政府是活雷鋒？

其實即使GPS不免費那也收不上來錢，為啥這樣說呢？因為GPS是單向通信體制，這跟廣播電視塔類似。廣播電視塔大家都知道，它只管發射信號，到底有1個收音機聽還是1萬個收音機聽，廣播電視塔是不知道的，GPS系統也是如此，30顆衛星只管不停地向地面發信號，具體是誰在接收並使用這些信號，它是根本不知情的，既然不知情，那還怎樣收錢？

通過售賣高價解碼晶元來收錢行不行？答案是不行，因為GPS採用的是只發不收的單向通信機制，這對加密傳輸來說是先天的障礙，即使搞了加密，沒幾天就會被破解了，尤其是民碼還要求簡單易用，接收設備要求成本低廉，這對加密來說就更加困難了。

如果GPS免費，則一定會在全球形成巨大的市場，依託這套系統會產生新的國際性產業，同時會形成一股強大的國家軟實力，所以說GPS免費是符合美國國家利益的。

GPS 免費對全世界的民生來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰，美國敵對國家的軍機戰艦上當然也可以安裝，美國人也禁止不了，這對美國是不是一個威脅呢？其實 GPS開放的只是民碼，精度比美國軍方使用的軍碼差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，萬一跟美國打起了仗，人家把GPS民碼給你一停，你已經很依賴 GPS了，甚至連指南針都丟了，這可就抓瞎了。如果美國不給你停GPS，而是發個欺騙碼，瞄準美國的導彈就可能飛到自己的陣地上，這更加可怕。

所以說，他國的軍備絕不能使用美國的GPS，一旦形成依賴就會像吸毒者一樣無法自拔，必須要發展本國的定位導航系統。當然，發展本國的定位導航系統也只是少數大國的權利，至於泰國墨西哥等小國家其實是不必操這個心的，因為全球定位導航系統實在是太浩大，綜合國力微弱的小國家們根本就造不起，還是老老實實地繼續用GPS吧，這倒也省心。

3、北斗一代的由來

中國是個有抱負的大國，在定位導航衛星這事上可不能圖省心，實際上從上個世紀70年代就已經開始鬧心了，七五規劃中提出了「新四星」計劃，隨後提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區域性系統方案，以及多星的全球系統設想。研究、論證、再研究、再論證……從來就沒有停止過。

80年代初期，以「兩彈一星」元勛成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個重大轉折點，海灣戰爭把中國人打醒了，美國的GPS在作戰中的應用非常成功，決策層深刻意識到以後打仗沒這東西是真的不行，被擱置十年的雙星定位方案於是馬上啟動。

為啥不像美國那樣搞30顆衛星的系統呢？當時的國情是又沒經驗又沒錢，剛起步可得悠著點，從小打小鬧開始吧，上來就玩大的容易搞砸鍋。一定會有網友問，在空間中三個坐標才能定位，兩顆衛星不夠用啊？這是個好問題，雙星定位方案中有個高度儀，用戶需要自測高程，並將結果作為第三個坐標，這就好比是在地球中心裝了一個虛擬的衛星，這就實現了三星定位。那為什麼不幹脆發射三顆衛星呢？原因很簡單，高度儀很便宜，這個方案更省錢。

只有兩顆星，當然不能像美國GPS那樣搞中軌道的，軌道低了覆蓋面就小，兩顆中軌道衛星多數時間會在中國上空以外的地方飛行，那中國大陸還咋用呢？因此只能搞高軌道的，而且還得是靜止的，這樣才能妥妥地停在中國大陸的上空。

靜止高軌道是雙星定位的必須選擇，從技術上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強的隱患，這就是要談的下一個問題，北斗一代被詬病。

4、北斗一代被詬病

MH370 失聯後出現了很多科普，令公眾熟悉了多普勒效應這個名詞，那多普勒效應對衛星來說到底是好事還是壞事呢？這要看是哪一種衛星，多普勒效應對導航定位衛星來說是好事，因為衛星相對地面物體被測物體的相對速度越大，多普勒效應越明顯，定位就會更加準確，這甚至是定位導航衛星的核心原理基礎。

但是，多普勒效應對通信衛星來說就是壞事了，因為頻率偏移會導致通信失敗，必須得做修正。例如位於印度洋上空的亞太國際通信衛星就是相對地面固定的，失聯的 MH370在最後階段發出的7次探尋信號被這顆衛星測出了頻率偏移，這本來是要被修正掉的數據，沒想到這卻成了推測飛機航跡的唯一證據。用一句話總結就是：用通信衛星幹了定位衛星的活，把本來是壞事的多普勒效應變成了好事。

既然中國的這兩顆衛星是靜止軌道的，自然可以與國際通信衛星一樣完成通信任務，於是既能定位又能通信就被設計成為了北斗一代的技術特點，而GPS等其它定位導航系統都是不支持通信功能的。

美國GPS不具備北斗這樣的通信功能，這真不能說人家技術落後，因為人家的衛星系統是各司其職的，定位衛星和通信衛星兩套系統的性能都很優異。而中國北斗一代是身兼兩職，聽起來功能更加全面，其實是中國把定位衛星打到了通信衛星的軌道上，自然能收穫了通信這個副業。

畢竟定位才是北斗一代的主業，大部分的信道資源都必須讓給定位數據的傳送，所以留給通信的信道資源就很少，它無法完成實時的話音通信，只能完成簡訊功能。

由於這兩顆星的軌道很高，導致了地面被測物體與衛星的相對速度很低，於是多普勒效應就不明顯，其定位精度自然遠遠比不過GPS。因此雖然官方宣傳的北斗一代既能通信又能定位是獨特優勢，其實是通信功能比國際海事衛星差得多，定位功能比GPS衛星差得多，通信和定位雖說啥都能幹，但啥性能都不行。

平心而論，北斗一代已經達到了設計指標，工程是非常成功的，畢竟就只有兩顆星嘛，咋能跟幾十顆的海事通信衛星和GPS衛星相比呢，好比是你花了800塊買了部雙卡雙待的山寨機，罵它不如蘋果手機好，這其實並不公平。

不妨做個假設，假如沒有國際海事衛星和GPS衛星的話，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但問題是北斗一代問世時，這兩種衛星系統已經相當成熟了，在它們的對比之下，北斗一代簡直就是一坨翔，而且是國家花了大價錢造出的一坨翔，當然是各種被罵，研發人員們灰頭土臉不敢吭氣。

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