北斗打破GPS壟斷只是無稽之談

　　問：北斗衛星導航系統不是已經很多年了嗎，怎么今年才開始試運行？

　　答：這是一個在宣傳報道上造成的誤解。中國前后建設了兩代衛星導航系統，第一代是1994年啟動、2004年投入使用的雙星定位導航系統，最初被稱為“北斗一號雙星定位系統”。第二代是大約在2004年前后啟動、目前仍在建設中的全球衛星導航系統，最初被稱為“北斗二號”。后來，北斗一號改稱為“北斗衛星導航試驗系統”；而北斗二號稱為“北斗衛星導航系統”。

　　官方公布的北斗衛星導航系統“三步走”發展戰略是：

　　第一步，2000年建成了北斗衛星導航試驗系統，使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

　　第二步，建設北斗衛星導航系統，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區的服務能力。

　　第三步，2020年左右，北斗衛星導航系統形成全球覆蓋能力。

　　完整的北斗衛星導航系統由27顆MEO衛星、5顆GEO衛星和5顆IGSO衛星組成，總共37顆衛星。

　　北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）與北斗衛星導航系統（北斗二號）的原理有較大差別。北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）采用雙星定位原理，整個系統由地面控制中心、兩顆地球同步衛星和用戶終端組成。北斗衛星導航試驗系統帶有實驗性質，雖然目前已經在工業和軍事部門有較多應用，但是其工作原理需要在地面終端和衛星之間頻繁通信，在安全性上有缺陷，不能在高速平臺上使用，覆蓋區域僅局限于中國本土及周邊地區，實際上并不適合軍用。而且定位精度低，最高僅為20米，遠不如美國的GPS系統。當然，北斗衛星導航試驗系統也有其獨特優勢，就是為用戶提供短信服務，相當于一部網絡覆蓋非常寬廣的手機。這個功能在野外作業、或突發災害時非常有用，08年汶川地震，災區固定電話和手機網絡全部中斷，汶川縣城的第一條災情匯報就是由北斗用戶終端發出的。

　　北斗衛星導航系統（北斗二號）是全球衛星導航系統，原理與GPS一致（GPS，就是GlobalPositioningSystem，全球定位系統），為無源定位，用戶終端不需要發出信號，不需要地面控制中心介入。而更嚴格地說，北斗衛星導航系統與GPS-II系統一致，在原有中軌道（MEO）衛星組網基礎上，再增加地球同步軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星，對中國及周邊地區的定位精度可以做到比GPS-I系統更高。而且，北斗衛星導航系統還保留了短信服務，這項北斗衛星導航試驗系統的獨有功能。

　　按計劃，完整的北斗衛星導航系統由27顆MEO衛星、5顆GEO衛星和5顆IGSO衛星組成，總共37顆衛星，比GPS-I足足多出13顆。作為階段性目標、覆蓋中國及亞太大部分地區的“北斗衛星導航（區域）系統”也需要由4顆MEO、5顆GEO和5顆IGSO衛星進行組網。

　　而目前，北斗衛星導航系統僅到位了1顆MEO、4顆GEO和5顆IGSO衛星，所以只能稱為“試運行”。等明年更多北斗衛星發射后，北斗衛星導航（區域）系統才會正式運行，而北斗衛星導航系統要具備完整的全球服務能力要等到2020年全部37顆衛星發射之后。

　　因為GPS系統的民碼早已遭到破解，目前國內生產的GPS終端使用的芯片大部分是未經授權的，所以現在國內的GPS終端價格非常便宜。

　　問：這個系統怎么收費啊？該不會跟移動一樣雙向收費吧。

　　答：從原理上說，使用北斗衛星導航系統的定位、授時服務，北斗系統建設方是無法進行雙向收費的。因為北斗系統采用無源定位原理，用戶終端不需要發出信號。所以，北斗系統建設方不針對用戶直接收費，而是采取對芯片制造商收取權利金的方式收費，用戶購買北斗終端的時候就算作繳交了使用費。這個收費方式也是當前廣播式無線電服務的主要收費模式，如GPS系統、衛星電視等。

　　但筆者估計這個權利金在民用終端零售市場也是非常難以收取的。因為GPS系統的民碼早已遭到破解，目前國內生產的GPS終端使用的芯片大部分是未經授權的，所以現在國內的GPS終端價格非常便宜。如車載GPS終端，其GPS解碼芯片所占的成本是很小，成本大部分是購買數字地圖產生的費用。北斗終端在技術上與GPS終端是一樣的，所以生產成本也一致，加上權利金的話，北斗終端的價格肯定會比現有的GPS終端要高，在零售市場上沒有競爭力。所以，估計北斗的定位、授權服務收費會集中在高端企業用戶。

　　當然，個人用戶如果也要使用北斗特有的短信服務，那應該就需要交納相應的費用了。

　　在衛星工作初期，需要針對狹義相對論和廣義相對論帶來的原子鐘誤差進行調校。這些狹義、廣義相對論相關問題需要擁有不同大腦結構的那些理論物理學家才能解析清楚。圖為美劇《生活大爆炸》劇照，劇中理論物理專業博士謝爾頓是一個“怪人”形象。

　　問：試運行期間25米精度怎么這么低啊？

　　答：在衛星工作初期，需要針對狹義相對論和廣義相對論帶來的原子鐘誤差進行調校，從而取得最后的穩定準確時間，這是衛星導航系統發展中繼續經過的步驟。以GPS為例，根據廣義相對論，由于物質的質量會導致時空扭曲，地面時間比GPS運行高度的固定平臺上的時間慢45微秒/每天，但是根據狹義相對論，物體速度越快則時間越慢，高速運行的衛星平臺會比地面時間慢7微秒/每天，一前一后就是38微秒左右的差距，而GPS定位本身需要的時間精度都是納秒級別的，影響非常巨大。

　　在地面進行調校的原子鐘只能盡可能的調校到匹配在軌運行的需求，必須經過一段時間運行確定相對論對星上原子鐘的影響，取得合理的修正才能達到高精度。GPS在試運行期間民碼的誤差達到了100米左右，但是調校完成后很快達到了10米級。

　　問：正式運行以后的10米誤差看起來也很差啊，美國的GPS不是到1米了嗎？

　　答：GPS的1米精度是軍用碼，民用碼也在10米左右。北斗現在宣布的10米誤差也是針對民碼提出的，軍用將采用另外的編碼系統。

　　北斗作為后來者，從現在宣布的設計指標來看，定位、授時精度都不遜于美國現在的GPS-II。但設計指標還只是指標，實際精度還要看系統調試的成效，影響衛星導航系統定位精度包括前面提到的原子鐘調校，還有衛星測軌精度、衛星運行穩定性等因素。

　　問：北斗系統上最重要的分系統是什么？是國產的嗎？

　　答：每個系統都很重要，但是最重要的話，筆者選原子鐘。原子鐘是工程物理和理論物理的高端結合，也是國家精密儀器工業發展水平的重要指標，這種產品想不國產化都沒辦法，對導航級的原子鐘，西方是不會對中國出口的。北斗二代的銣原子鐘，精度為2×10的負14次方秒/每天，等于運行五十萬億天才會有一秒的誤差，不亞于伽利略系統和GPS第二代系統的精度。

　　目前，北斗衛星導航系統仍未能覆蓋新疆、西藏部分地區，倒是覆蓋了印度尼西亞、澳大利亞等多國的全部，這是由衛星運行軌道決定的，難以調整。

　　問：為什么當前只能在我國、及周邊服務？

　　答：前面提到完整的北斗衛星導航系統由27顆MEO衛星、5顆GEO衛星和5顆IGSO衛星組成。作為階段性目標、覆蓋中國及亞太大部分地區的“北斗衛星導航（區域）系統”也需要由4顆MEO、5顆GEO和5顆IGSO衛星進行組網。

　　當前北斗僅到位了1顆MEO、4顆GEO和5顆IGSO衛星，官方宣布北斗目前的主要性能服務區為東經84度到160度，南緯55度到北緯55度之間的大部分區域。根據這組經緯度進行4點連線來看，新疆、西藏仍有部分地區未能覆蓋，倒是覆蓋了印度尼西亞、澳大利亞等多國的全部，這是由衛星運行軌道決定的。

　　我國明年還會發射6顆北斗衛星，屆時將能完全覆蓋我國全部領土，全球覆蓋則要到2020年全部37顆衛星發射之后。

　　問：有新聞報道說，北斗可以讓解放軍作戰效能提高100倍至1000倍，有那么神奇嗎？

　　答：這種說法源于現代軍事學說里的“兵力倍增器”概念，通過數學模型來計算某種支援系統對作戰能力的提升程度。例如，空中加油機可以大幅延長戰機的制空巡邏時間，原來需要8架戰斗機完成的巡邏任務，現在只需要4架戰斗機去完成，簡單地說，在這個典型事例里，空中加油機使原有兵力的效能提高了2倍。

　　在最近3屆珠海航展，國產GPS制導炸彈簡直可以用“雨后春筍”、“琳瑯滿目”等詞來形容，但GPS是美國的系統，所以中國空軍至今沒有裝備GPS制導武器。

　　衛星導航對軍隊準確調度、部署的作用非常巨大，以往的慣性導航、地圖判讀方式，在精度和便捷性上與衛星導航是無法比擬的。而且，現在很多武器彈藥都采用了衛星導航制導（GPS制導），例如只需1萬元左右的成本就可以將一顆最佳投擲精度只有3、40米的航空炸彈改裝成精度達到5米左右的GPS制導炸彈。一顆GPS制導炸彈的作戰效能相當于4、50顆普通航空炸彈，再考慮對飛機出動架次的影響，可以說GPS制導炸彈讓空軍執行對地面點狀堅固目標打擊時的效能提高了不止1000倍。但這種簡單的計算不是在任何情況下都成立的，因為除了GPS制導炸彈，現在還有激光制導、電視制導炸彈等可供選擇。

　　所以，在總體軍力評估方面，100倍、1000倍這些準確的數字并無太大意義，數學模型始終無法模擬過于復雜的情況。但必須明確的是，北斗衛星導航系統對中國軍隊的意義非常重大，是戰略級的。可以看到的是，在最近3屆珠海航展，中國軍工企業都展出來種類繁多的GPS制導炸彈，但8年過去了，中國空軍始終未有裝備，主要原因是GPS是美國的系統，中國軍隊不可能使用其軍碼。現在有了自己的北斗，解放軍終于可以在武器上推廣衛星導航制導，打擊效能將得到極大提升。

　　針對無線電偽隨機碼的破解技術確有一定的前瞻性軍事價值。但高杏欣破解北斗的民用編碼，并會對北斗軍事用途有所影響，因為軍用編碼算法是不斷改變的。

　　問：聽說北斗的編碼不是被一個在美國留學的女生破解了嗎？會有影響嗎？

　　答：清華大學精儀系的本科畢業生高杏欣，在斯坦佛大學攻讀博士學位期間破解了北斗的民用編碼規則。其實GPS的民用編碼很早就被破解了，上市了很多沒有支付權利金的GPS終端，不然現在市面上的GPS終端也不會那么便宜了。伽利略系統剛發射試驗衛星就被高杏欣破解了，比北斗系統更早，現在也還在推進計劃中。破解主要針對固定不變的民碼，通過破解偽隨機碼可以免費使用衛星導航系統的服務。

　　但是軍用編碼是難以破解的，例如GPS軍用編碼的算法是變化的，重復一次需要267天，按目前的數學研究水平是無法破解的。所以民碼遭到破解，對北斗的軍事用途并沒有影響。

　　問：北斗要怎么面對與美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯的競爭？

　　答：筆者不認為北斗與GPS、伽利略、格洛納斯等衛星導航系統存在太大的競爭關系。

　　前面已多次提到，GPS系統的民碼已經遭到破解，未交付權利金的GPS解碼芯片在全世界民用終端零售市場里廣泛存在。GPS是美國軍方的戰略資產，費用是由美國納稅人承擔的，其設計之初并沒有考慮在民用市場的盈利。GPS系統至今已發射了50多顆衛星，每次發射費用以數億美元計，以后還要繼續發射新的衛星以替代壽命到期的衛星，這個成本靠收取權利金是收不回來的。

　　有了GPS這份免費午餐的存在，作為后來者的北斗、伽利略和格洛納斯自然不用過多考慮市場競爭的問題。所謂的“GPS產業鏈”更多是在數字地圖、高性能信號接收機等應用方面的豐富和提高，這些其實跟GPS系統本身、GPS系統建設方——美國軍方都是沒有關系的。而軍用方面更不存在什么競爭了，你用你的，我用我的，井水不犯河水，比拼的只有誰的定位精度更高。

　　中國建設自己的北斗衛星導航系統，主要著眼于軍事、金融等關鍵領域不受制于人的戰略考慮。無論軍用或民用，北斗與GPS等衛星導航系統之間都不存在那種“你死我活”的直接競爭關系，“北斗打破GPS壟斷”、“北斗趕超GPS”之類言論只是無稽之談，國人不必對任何事物都持攀比心態。

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