中國的北鬥與美國的GPS

中國的北鬥與美國的GPS

2020年7月31日，中國自主研發的北鬥3號(BDS-3)完工，很多人熱血沸騰、奔走相告，認為由此可以證明中國的技術領先全世界，“甩了美國幾條街”，真乃是“厲害了我的國”。我與這些人交談時，發現他們其實並不知道北鬥係統的發展過程，更不知道北鬥2號與北鬥3號之間的差異，僅僅是一味地歡呼雀躍，沒有具體內容，讓人覺得有點盲目、空洞。於是我就打算寫這篇文章，簡單科普一下北鬥衛星的發展狀況及其現狀，用事實和數字給這些人以些許幫助，這便是本文的希望。

按時間順序，當然應該先介紹一下美國的GPS，以便有個作比較的基礎。飛機和輪船在航行中動態地知道自己在地球上的位置，其軍事意義是不言而喻的。英國人從1944年就開始了動態定位係統的早期研發，1960年代初，美國軍方開始了全球衛星定位係統(GPS)的研究，從1970年代開始建造，1980年代後期初步完善，到1993年，24顆低空衛星的最後一顆部署完畢，軍用係統的GPS第1期工程完工，它的空間誤差精確到了1厘米。1995年，在添加了可控製的特種噪聲信號後，將誤差精度擴大為100米，免費向民用開放，這已足夠民航客機使用了。後來隨著汽車導航係統的普及，這個誤差又被減小到10至15米。如果商業用戶想要讓誤差再小一些，那就不是免費的了，需要向美國國防部申請許可證，購買特種接收器，付費使用，並必須接受國防部的監控。誤差越小，費用越貴，受到的監控也越嚴格，商用GPS接收器的最小誤差為2厘米。我自己實際使用過的商用GPS接收器的誤差是10厘米。那時我的老板曾對我說，誤差為2厘米的許可證，價錢太貴，公司買不起。經過三十多年的商業運作，GPS已經深入到民間的每一個角落，全世界所有的手機和各種類型的導航器中，全都有GPS的身影，許多半導體芯片中都有一小塊麵積用於GPS的接收器。對於21世紀20年代的人來說，GPS導航幾乎成了人手一部的普通家用電器產品，不能算是“高科技”了。來自全世界的商業收入足以滿足GPS自身的維護與發展並綽綽有餘，這使得GPS能夠長期健康成長，並為美國增添了許多軍費。可以說，GPS是英美兩國科學家半個多世紀的科學技術與經驗的結晶，並且經曆過多次實戰檢驗，日臻成熟、可靠，是1980年代的最先進的科學技術之一。

中國不是美國的軍事盟國，不能使用軍事水平的GPS。中國政府認為，重要的軍事技術應該獨立自主，不能受製於他人。從1994年開始，中國決定研發自己專用的衛星導航係統，取名為“北鬥”。中國自己的北鬥應該向哪個方向建設和發展呢？當時出現了兩種不同的意見。第一種意見是：應該向美國學習，建設出一套與GPS一樣的導航係統，借用美國成熟的技術和經驗，可以少走彎路。第二種意見是：跟在別人的屁股後麵走，永遠都是二流水平，因此，應該彎道超車，後來者居上，建設出不同於美國、並且強於美國的衛星導航係統。一番爭論之後，後者獲勝，這就是後來人們見到的北鬥1號和北鬥2號。2000年北鬥1號完工，這僅僅是一個實驗性質的係統，一共隻有兩顆同步靜止衛星，位於赤道上空35,786公裏處，用來測試一下衛星之間的通訊和衛星與地麵之間的通訊。在北鬥1號成功的基礎上，2004年北鬥2號開工，並於2012年完工，達到了設計要求，再次獲得成功。北鬥2號是中國自己研發的第一個有實用意義的衛星導航係統，共有14顆衛星，9顆高空同步衛星，5顆中低空輔助衛星。

北鬥2號與GPS相比，各有哪些優缺點呢？GPS有24至31顆低空衛星，北鬥2號隻有14顆，衛星少，建設成本低。GPS的定位精度是1厘米，北鬥2號的定位精度是10米。GPS的定位屬於“被動定位”，是一種單向通訊，客戶的接受器隻接受來自GPS的衛星信號，自己不發射信號，隻要能同時收到4顆衛星的信號，就可以定位，功耗小，結構簡單。北鬥2號的定位則屬於“主動定位”，客戶的接受器必須首先向高空的同步衛星發射信號，請求告知自己的位置，同步衛星很高，鳥瞰半個地球，可以清楚地看到申請者之所在，然後告知其具體位置。除此之外，還可以把申請者的位置通知其上級和其他相關戰友，具有一些衛星電話、短信的功能。當然，從地麵向高空衛星發送信號，功耗大，體積大，設備複雜。北鬥2號的設計者認為，這種主動定位功能是雙向通訊，要遠強於GPS的單向通訊，技術上比美國的GPS強出許多，這是最為引以為自豪的設計和成就，是碾壓美國GPS的最大技術特征。因此，綜合比較，北鬥2號甩出美國的GPS好幾條街。

2012年北鬥2號完工後，交付給唯一的用戶，即中國軍隊投入試用。經過一係列軍事演習等實戰檢驗後，中國軍方指出了北鬥2號的一個致命的缺陷：當客戶的接受器發出請求信號後，不僅高空的同步衛星可以接收到這些信號，附近的電子偵察機和位於低空的眾多的間諜衛星也全都能收到，並立刻就能判斷出發出信號者的位置。當高空靜止衛星發出的位置信息返回地麵時，敵方的導彈可能已經快要到達自己的頭頂了。也就是說，北鬥2號的這個最為重要的基本設計，傷害了軍隊的保密性，在獲得定位的同時，暴露了自己的位置，因此不具有任何軍事意義，無法在戰場上使用。在這種嚴峻而又無情的事實麵前，花費了20年的時間才開發出來的北鬥2號被迫報廢棄置。中國的衛星導航係統繞了個大圓圈，又返回到出發點。無奈之下，從零開始，重新設計自己的新的衛星導航係統。這次不再搞什麽彎道超車了，而是完全模仿美國的GPS，采用被動定位，單向通訊，這就是後來人們見到的北鬥3號。北鬥3號於2020年7月31日完工，類似於GPS，最終由30顆低空衛星組成，這才是中國的第一個具有軍事意義的衛星導航係統。

目前，北鬥3號的定位精度是2.5至5米，強於北鬥2號的10米，這個誤差對於汽車、飛機、輪船的導航來說，足夠用了，但對於導彈製導來說，還是不夠的。1990年代初期，GPS的定位精度就已經達到了1厘米(0.01米)，從那時開始，美軍就開始了GPS製導導彈的研究。美軍曾做過一個試驗，發射一枚GPS製導導彈，準確地命中了一棟廢棄樓房的煙囪口，然後，導彈順著煙囪落入地下室，然後再爆炸。如果誤差高達2.5米，導彈就隻能落在周邊某處爆炸，效果就會大不相同。目前，北鬥3號仍然在不斷地改進提高中，隨著科學技術的進步和工藝加工的改進，它的誤差一定會不斷縮小，其定位精度有望能夠達到1厘米的水平。不過到了那個時候，奉勸本文開首提到的那些人們，還是要稍安勿躁，保持冷靜，腳踏實地，穩步前行才好，因為，美國的衛星定位係統研究也還在快速發展之中，並沒有停步。
(張又普初稿於2024年7月25日)

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