宁波猫的窝

原标题：中国北斗卫星导航系统为何令美国恨之入骨？

9月17日，新华网报道，记者从首届卫星应用国际博览会上了解到，我国北斗三号全球定位系统正式启动建设，计划今年底将发射四颗全球组网卫星。

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有独特的短报文通信功能。

北斗卫星导航系统副总设计师冉承其表示：“我们正在建设的北斗三号系统，它除了全球覆盖以外，在性能上、系统的可靠性上，还会有大的提高。从定位精度来讲，会在现有系统性能提高一到两倍。”

中国为什么要耗时耗力的发展北斗卫星导航系统？期间是怎么与欧美日进行博弈的？中国的北斗卫星导航系统究竟发展的怎样？这篇文章讲清楚了。

本文转载自雷锋网，不代表瞭望智库观点。

国际上有一个高大上的俱乐部，它只有四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是GNSS（全球导航卫星系统），四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

中国北斗是个新会员，同时也是发展势头最猛的会员，北斗是咋回事？对我们的生活有什么影响？这是一个很有意思的话题。关于北斗，学术期刊上的文章有很多了，但专业文章的术语太多，普通人读不懂，而且也不会有兴趣去读。

媒体和网络上也有一些介绍性的文章，多数是彰显政府成就的宣传稿，内容比较零散，不便于读者全面了解，而且很多文章的说法并不准确，显然是非专业人士写的。科技报道不是由科技人士撰写，而是文科出身的记者捉笔，这种现象是国内科技报道的痼疾。

因为专业的原因，我一直关注着北斗，而且多年通信专业基础课的教学实践，培养了我将复杂的专业问题用通俗的语言描述出来的特长。我利用了两个月的业余时间，查阅了大量公开发行的资料，梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科普长文。

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从GPS说起

1957 年10月4日，苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星，开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注，有一位名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治.威芬巴赫的物理学家，他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象，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。

这两位科学家对此进行了实验研究，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这个卫星的具体位置，他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克.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一项研究，研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置，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，卫星就能发现你们在哪里，海军军舰定位的问题有思路了！

GPS系统就按这种思路启动了，方案中需要解决的第一个问题就是：卫星该采用低、中、高哪种轨道？如果采用低轨道的话，发射成本比较低，精度比较高，但若覆盖全球的话则需要200颗卫星，这样浩大工程实在是负担不起。

如果采用高轨道，理论上三颗卫星就能覆盖全球，但除了高轨道卫星的发射难度大之外，更主要的是定位精度会很低，原因有两个：一是轨道太高会导致测量误差大，二是静止轨道与地面物体的相对速度很小，不利于使用多普勒频移的解算方法。

中轨道是比较折衷的方案，覆盖全球只需要24-36颗卫星，由于轨道是运动的，即使地面的物体不动，但相对卫星的速度也很大，这就可以充分利用多普勒频移方法了。

基于以上综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，1978年发射了第一颗，全系统在1995年投入运行，现有卫星30颗，分为军用和民用两种定位模式，其中民用方式向全球开放。

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美国是不是活雷锋？

GPS是个好东西，对人们生活品质的提升相当大，例如汽车和手机导航就非常重要，人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了，关键时刻可以救命。这么好的东西，美国又投入了巨资，居然向全世界免费，难道美国政府是活雷锋？

其实即使GPS不免费那也收不上来钱，为啥这样说呢？因为GPS是单向通信体制，这跟广播电视塔类似。广播电视塔大家都知道，它只管发射信号，到底有1个收音机听还是1万个收音机听，广播电视塔是不知道的，GPS系统也是如此，30颗卫星只管不停地向地面发信号，具体是谁在接收并使用这些信号，它是根本不知情的，既然不知情，那还怎样收钱？

通过售卖高价解码芯片来收钱行不行？答案是不行，因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制，这对加密传输来说是先天的障碍，即使搞了加密，没几天就会被破解了，尤其是民码还要求简单易用，接收设备要求成本低廉，这对加密来说就更加困难了。

如果GPS免费，则一定会在全球形成巨大的市场，依托这套系统会产生新的国际性产业，同时会形成一股强大的国家软实力，所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

GPS 免费对全世界的民生来说是个福利，但在军事方面却是个挑战，美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装，美国人也禁止不了，这对美国是不是一个威胁呢？其实GPS开放的只是民码，精度比美国军方使用的军码差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，万一跟美国打起了仗，人家把GPS民码给你一停，你已经很依赖GPS了，甚至连指南针都丢了，这可就抓瞎了。如果美国不给你停GPS，而是发个欺骗码，瞄准美国的导弹就可能飞到自己的阵地上，这更加可怕。

所以说，他国的军备绝不能使用美国的GPS，一旦形成依赖就会像吸毒者一样无法自拔，必须要发展本国的定位导航系统。当然，发展本国的定位导航系统也只是少数大国的权利，至于泰国墨西哥等小国家其实是不必操这个心的，因为全球定位导航系统实在是太浩大，综合国力微弱的小国家们根本就造不起，还是老老实实地继续用GPS吧，这倒也省心。

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北斗一代的由来

中国是个有抱负的大国，在定位导航卫星这事上可不能图省心，实际上从上个世纪70年代就已经开始闹心了，七五规划中提出了“新四星”计划，随后提出过单星、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。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。

80年代初期，以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案，这是当时公认的最优方案，但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点，海湾战争把中国人打醒了，美国的GPS在作战中的应用非常成功，决策层深刻意识到以后打仗没这东西是真的不行，被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

为啥不像美国那样搞30颗卫星的系统呢？当时的国情是又没经验又没钱，刚起步可得悠着点，从小打小闹开始吧，上来就玩大的容易搞砸锅。一定会有网友问，在空间中三个坐标才能定位，两颗卫星不够用啊？这是个好问题，双星定位方案中有个高度仪，用户需要自测高程，并将结果作为第三个坐标，这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星，这就实现了三星定位。那为什么不干脆发射三颗卫星呢？原因很简单，高度仪很便宜，这个方案更省钱。

只有两颗星，当然不能像美国GPS那样搞中轨道的，轨道低了覆盖面就小，两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行，那中国大陆还咋用呢？因此只能搞高轨道的，而且还得是静止的，这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。

静止高轨道是双星定位的必须选择，从技术上讲这毫无疑问是正确的，但却埋下了性能不强的隐患，这就是要谈的下一个问题，北斗一代被诟病。

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北斗一代被诟病

MH370 失联后出现了很多科普，令公众熟悉了多普勒效应这个名词，那多普勒效应对卫星来说到底是好事还是坏事呢？这要看是哪一种卫星，多普勒效应对导航定位卫星来说是好事，因为卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大，多普勒效应越明显，定位就会更加准确，这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

但是，多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了，因为频率偏移会导致通信失败，必须得做修正。例如位于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的，失联的MH370在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移，这本来是要被修正掉的数据，没想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据。用一句话总结就是：用通信卫星干了定位卫星的活，把本来是坏事的多普勒效应变成了好事。

既然中国的这两颗卫星是静止轨道的，自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务，于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点，而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。

美国GPS不具备北斗这样的通信功能，这真不能说人家技术落后，因为人家的卫星系统是各司其职的，定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。而中国北斗一代是身兼两职，听起来功能更加全面，其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上，自然能收获了通信这个副业。

毕竟定位才是北斗一代的主业，大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送，所以留给通信的信道资源就很少，它无法完成实时的话音通信，只能完成短信功能。

由于这两颗星的轨道很高，导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低，于是多普勒效应就不明显，其定位精度自然远远比不过GPS。因此虽然官方宣传的北斗一代既能通信又能定位是独特优势，其实是通信功能比国际海事卫星差得多，定位功能比GPS卫星差得多，通信和定位虽说啥都能干，但啥性能都不行。

平心而论，北斗一代已经达到了设计指标，工程是非常成功的，毕竟就只有两颗星嘛，咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢，好比是你花了800块买了部双卡双待的山寨机，骂它不如苹果手机好，这其实并不公平。

不妨做个假设，假如没有国际海事卫星和GPS卫星的话，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但问题是北斗一代问世时，这两种卫星系统已经相当成熟了，在它们的对比之下，北斗一代简直就是一坨翔，而且是国家花了大价钱造出的一坨翔，当然是各种被骂，研发人员们灰头土脸不敢吭气。

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与伽利略计划的姻缘

北斗一代的使用体验比较差，那该咋往下走呢？这时中国看上了欧洲的伽利略计划，这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划，因为这个项目实在是太烧钱，欧洲单个国家谁都搞不起，但又不能不搞，虽然欧洲国家跟美国关系很好，但也不能把国家安全都系在美国政府身上。

欧洲有技术但缺钱，于是他们瞄上了土豪中国，中国正因为北斗一代不给力而发愁呢，自然是一拍即合，据报道称中国加入了伽利略技术，并且很大方的拍了两个亿的入伙费。但中国越来越觉得不对劲，欧洲居然把日本和印度也拉入伙了，他们出的钱少但权利不少，这不是把中国当作冤大头了吗？多出点钱倒不是问题，关键在于这两个国家本来是我们在军事上要防备的，难道要跟他们在国防方面使用相同的系统？中国发现苗头不对，下定决心后就咔嚓地退出了，退出后自己单干，开始发展北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球性的定位导航系统，比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星，主要是完成短信任务的，其它30颗跟美国GPS的30颗一样，都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当，申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致，这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源，那该如何分配呢？国际规则是既不按国家来分，也不按人口来分，而是谁先占了算谁的。

先占先得的原则是西方发达国家制定的，他们认为这是各国都有同样机会的公平原则，理由是：你有本事你也打卫星啊，我又没拦着你，你不打是你自己的事，如果你永远不打，难道说轨道和频率还要永远给你留着？这听起来也有道理，更关键的是，即使你觉得没道理，你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了，但并没有开通，只是占了轨道但没占频率，为啥没开通呢？原因是没钱，开通需要花钱的，欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了，而且上去就开通了，这下就把轨道和频率都占上了，这为啥呢？这是因为中国政府不差钱。

欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓，而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星，后来还搞起了一箭双星，而伽利略计划和北斗二代有些频率是重合的，双方都在国际电信联盟组织备案了，谁先占上就算谁的，中国的快节奏把欧洲搞急眼了，通过美国给中国施压，要求中国放慢脚步等等欧洲人民。

以前欧美国家凭借技术和经济优势抢占资源，中国技术和经济不给力只能吃哑巴亏，你们从来就没谦让过，现在凭什么要我谦让？中国不理会欧美的抗议，按既定的节奏继续打卫星。( 下一页继续）

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