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今天中国北斗成了!

  1993 年,中国的海运货船银河号在公海航行期间,美国关闭了它附近海域的 GPS 导航服务,致使船只停止航行,并上演了震惊世界的银河号事件。

  银河号事件是中国 90 年代的三大耻辱之一(另外两件是和使馆被炸),也再次惊醒了中国人——美国的 GPS 是靠不住的。

  原计划在 6 月 16 日 10 时择机发射的 北斗三号 最后一颗全球组网卫星,在推迟一周之后,终于在今天(6 月 23 日)上午 9 时 43 分在西昌成功发射。

  此次发射的收官之星,是 北斗三号 组网卫星中最重、最大的一颗。 大块头有大智慧 的它,具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、短报文通信、星间通信与测量六大功能。

  北斗的建成与收官,既是扬眉吐气的时刻,又是历经屈辱的过程。它再次证明,靠山山倒,靠水水干,中国的繁荣、昌盛、强大只能靠自己。

  上世纪 70 年代, 七五 规划提出了 新四星 计划,随后又提出过单星、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。

  80 年代初期,以 两弹一星 元勋成芳允院士为首的专家团体,又提出了 双星定位 方案,被公认为当时最优的解决方案。

  伊拉克如同无头苍蝇一般,军队、武器全都失去了目标和方向,而美国的 GPS 却仿佛 上帝之眼 :侦察机、战斗机随时精确掌握自身位置、记录敌方位置,快速绘制战场态势图,确定敌方军事部署、防空火力,随即展开精确打击。

  这场世纪之战,让国家领导人深刻认识到卫星导航系统在战争中的重要作用。当导航系统渗透到战场上的每个作战细胞,意味着没有导航系统,将丧失现代战争的主动权,所有军事行动,不但会被敌军监控窥视,甚至彻底瓦解。

  而北斗卫星导航系统的首要任务,就是彻底打破解放军对 GPS 的依赖,将主动权牢牢掌控在自己手里。

  1993 年,中国海运货船银河号行至公海,忽然接受不到 GPS 信号。原来,美国关闭了银河号附近海域的 GPS 导航服务,致使船只失去方向感,迫使其自然停止航行。

  这被视为中国 90 年代三大耻辱之一(另两件是和使馆被炸),也再次惊醒了中国人——美国人的 GPS 是靠不住的。

  2012 年,完成 14 颗卫星(5 颗地球静止轨道卫星、5 颗倾斜地球同步轨道卫星和 4 颗中圆地球轨道卫星)发射组网;

  2009 年,启动北斗三号系统建设。收官之星在 6 月 23 日发射后,今年将全面建成北斗三号系统。

  1957 年 10 月 4 日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星 斯普特尼克 1 号 ,迅速激起美国人的危机感。

  这场被美国人称为 斯普特尼克时刻 的危机,直接刺激了 GPS 的诞生。甚至在 2007 年俄罗斯纪念 斯普特尼克 1 号 上天 50 周年之际,美国人同样举行了缅怀仪式,感谢前苏联带来的刺激。

  苏联第一颗人造卫星上天之后,美国也在对这颗人造卫星进行检测,美国霍普金斯大学应用物理实验室科学家比尔 · 盖伊和乔治 · 威芬巴赫发现了一个现象,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。他们发现,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卫星的具体位置。

  他们将这个研究成果上报给实验室主任弗兰克 · 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 子午卫星系统 ,即研究如何给军舰定位。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,通过多颗已知位置(实际需要 4 颗,3 颗用于三维定位,另一颗用于校正误差)的卫星,同样可以确定地面信号接收器的位置。

  目前,世界四大全球系统包括:已经建成并且投入全球完全服务的美国的 GPS 和俄罗斯的 GLONASS,即将完成全球组网实现全球完全服务的中国北斗系统和欧洲的伽利略系统。

  全球四大导航系统中,GPS 的前身 NNSS 实际上 1957 年就开始研发,GPS 于 1973 年开始立项,综合实力最强。

  俄罗斯 GLONASS 系统是 1976 年苏联时代开始建设,1996 年 1 月 18 日正式建成,但 GLONASS 在 20 世纪 90 年代后期经历俄罗斯经济动荡,直到 2003 年才开始全面升级和发展,并于 2011 年年底实现全球覆盖。

  GLONASS 的抗干扰能力较强,但卫星工作寿命较短。目前,GLONASS 的全球定位精度约为 5m,俄罗斯境内在增强系统的辅助下精度可达 0.5m,随着 GLONASS 现代化的进程,预计未来几年,其定位精度可与 GPS 相当。

  伽利略系统是欧空局与欧盟在 1999 年合作启动,2005 年首颗试验卫星成功发射,2008 年开通定位服务。伽利略系统是纯民用系统,其他三大全球导航系统都是军民两用,都拥有精度更高、抗干扰能力更强的军用信号。

  此外,伽利略系统不具备星间链路技术,而北斗、GPS、GLONASS 都有。有了星间链路,哪怕没有全球建站,也可以跟所有卫星相连。但没有星间链路,卫星就只好各自为战,一旦地面站出问题,整个星链会因为缺乏自主运行能力而陷入瘫痪。

  本来,北斗系统今年 6 月中旬就会完成全球组网。但 2020 年 6 月 16 日晨,原定于上午 10 时发射的 北斗三号 最后一颗组网卫星因技术原因,发射推迟。

  作为收官之星,它的发射牵动了全国人民的心。但科学不容一丝疏忽,果断暂停也是另一种争分夺秒。而且另据消息,最后一颗卫星的延迟发射,与海外某国的干扰有关。

  2007 年 4 月, 北斗二号 首发星即将发射,但就在第三次总检查时,卫星的应答机出现异常。早在 2000 年,中国已向国际电联申请了北斗导航卫星的信号频率。根据规则,必须 7 年内将卫星发射入轨,并成功向地面发送信号,才算真正占住这个频率。

  面对进退维谷的困境,中国航天人突破常规,打开整流罩,打开卫星舱板,将工作不正常的应答机取出。所有参试人员进驻发射场后,搬设备、扛机柜、布电缆。大干 3 天没有片刻喘息,接着就是 200 小时不间断地加电测试。

  2007 年 4 月 14 日,卫星顺利升空。4 月 17 日晚 8 时,在频率截至时间 4 小时前,卫星准确无误地向地面发送了第一组信号,任务圆满成功。

  相比于 13 年前 北斗二号 首发星的紧迫,本次收官之星的延迟发射,虽然仍然牵动万千人心,但和 13 年前的争分夺秒相比,仍然是相对从容,最终也只是延迟了一周时间。

  与今天华为被美国四面围堵激起国人推崇独立自主的热情相比,上世纪八九十年代,国内 造不如买 的观点正大行其道。

  人们不能站在未来去苛责前人,正如很多人痛惜 运十 大飞机项目下马,主张 造不如买 的人也确实有时代的原因:当时中国基础工业能力薄弱,造一架飞机,成本远高于进口,从性价比的角度,确实 造不如买 。

  当时,美国 GPS、俄罗斯 GLONESS 基本完成全球组网。但以北斗一号李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人攻坚克难,于 2003 年建成了北斗一号系统,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

  当时欧洲的伽利略系统也正在研发,且初期进展快于北斗,在原子钟等技术上也领先中国。因此,2003 年,中国投入 2.3 亿欧元参与伽利略的研发,并 2004 年 10 月签署了正式合作协议,希望借助欧洲先进技术,助推北斗研发。

  2007 年, 北斗二号 首发星在延迟几天之后,仍然成功发射,占据了 E1、E2、E5B 和 E6 频段,并拥有这些频率范围的主要权利。而 E1、E2 频段,本来是分配给 伽利略计划 的公共监管服务的。

  原来,欧盟在将中国踢出 伽利略计划 之后,自身内部却陷入矛盾,卫星发射连连延迟。但国际电信联盟的(ITU)频率政策是:谁先使用,频段就归谁。

  但欧盟却反过来指责中国占用伽利略的卫星频率,并要求中国更换北斗导航卫星的频率。这样的无理要求,中国自然不可能答应。

  此后,伽利略系统屡出故障,甚至长期瘫痪。从世界标准时间 2019 年 7 月 11 日 1 时开始,伽利略卫星导航系统突然中断,直到 7 月 16 日 19 时才恢复,卫星服务中断长达 117 个小时。

  事后调查指出,系统瘫痪的罪魁祸首,竟然是人为失误加管理混乱:因为地面工作人员在进行系统维护时犯下错误,使得伽利略系统所有在轨的 22 颗卫星在近一周时间内连续发送错误坐标。

  总部位于捷克首都布拉格的欧洲导航卫星系统管理局,与总部位于法国首都巴黎的欧空局,都在负责伽利略系统的部分工作。这种二元组织形式,导致管理存在矛盾,协调沟通不畅, 伽利略 故障频频。

  伽利略 瘫痪的同时,中国的北斗卫星却在不断发射,覆盖区域从中国到亚太再到全球组网,民用信号定位精度也从 10 米进步到 5 米。

  造不如买 的言论,终于被 买不如造 的现实所逆转。如今,自主可控成了共识,国货之光成了新潮,北斗全球组网更让国人的信心大增。

  1、北斗系统采用高、中、低三种轨道卫星组成混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区服务优势更明显;

  3、北斗系统创新融合了导航与通信能力,具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力。

  MH370 搜救为什么如此困难,主要因为没有飞机的定位信息,飞机坠落的位置只能靠推断。MH370 只能单向接受 GPS 卫星信号,并经过计算得出飞机所在位置,但飞机位置并不能直接反馈给卫星,而是每过一段时间发送给附近的地面监测站,再由监测站转发出去。

  这套复杂的系统,一般情况下没问题。但当飞行员故意切断通信系统时,就会彻底失灵。MH370 就这样消失在了人类世界。

  如果北斗导航应用到民航系统,那么,客机上具有全球短报文功能的北斗终端,可以不停把定位信息上传给卫星,一旦飞机发生意外,就能第一时间报警。而且北斗短报文直接通过卫星转发,不会因为地面检测站等基础设施缺乏而无法报告位置信息。

  北斗的应用场景非常广泛,不仅可以应用在机车运行控制系统、机车定位、机车监测、航海航空航天等导航、自动驾驶相关,还可以检测管道、房屋变形,检测电子边防界碑。

  而在全球四大导航系统中,北斗实际上已经超过了欧洲故障不断的 伽利略 ,和缺乏资金维护的俄罗斯 GLONESS 系统,成为新晋王者。

  北斗在卫星数量、通信功能等方面超过 GPS,定位精度(北斗的水平和高程定位精度实测均优于 5 米,通过遍布全国 2600 个地基增强站组成的地基增强系统,还可以提供米级、分米级、厘米级等增强定位精度服务)和 GPS 相比虽然略有落后;但在民用级别上,5 米的精度并不影响使用;而在军用级别上,各自都能为军队提供远超民用级别的精度。

  据统计,GPS 自 20 世纪 80 年代以来,已累计创造商用价值 1.4 万亿美元(GPS 的研发费用大约是 300 亿美元,回报非常可观),且 90% 均是在 2010 年之后创造的。其中,51% 是由电信领域创造,24% 是车辆信息系统。信息技术的进步、设备的小型化和商品化、智能手机的出现和车辆保有量的快速增长,都是 GPS 商用价值增长的强劲推动力。

  中国卫星导航产业从 2006 年以来保持快速增长,根据中国卫星导航定位协会发布的《2020 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示:2019 年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达 3450 亿元,较 2018 年增长 14.4%。卫星导航产业核心芯片、器件、算法、终端设备等增速开始下降,衍生关联产值继续保持较高增长。2019 年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量累计已突破 1 亿片,国内卫星导航定位终端产品总销量突破 4.6 亿台,其中具有卫星导航定位功能的智能手机销售量达到 3.72 亿台,含智能手机在内采用北斗兼容芯片的终端产品社会总保有量已超过 7 亿台(套)。

  目前在中国大陆销售的手机,除了苹果,几乎所有安卓手机都支持基于北斗的定位服务,运营商的 5G 基站也全部采用北斗授时服务,北斗应用正在诸多领域迈向标配化发展的新阶段,北斗每年的商业价值,也是超千亿元级别的规模。

  如今在全球四大导航系统中,欧洲 伽利略 实力最弱,俄罗斯 GLONESS 系统缺乏资金维护,竞争中呈现颓势。

  8 万多名工作人员,300 多家研发单位,跨越四分之一个世纪的持续努力,让我们终于可以——如若再有银河号的事件发生,大声地说出那一句:别了,GPS!

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