北斗三號組網在即，回顧7年前的舊文_風聞

今年7月以來，我國已發射了8顆北斗三號組網衞星，北斗衞星發射累積數量已經達到40顆。作為“北斗”導航的“完全態”，北斗三號系統將於年底前完成全球組網。此時翻出7年前的舊文，一方面是對導航系統的科普，另一方面也可以從中看到中國的快速進步。下為原文：

《大國導航——北斗二代系統的歷史意義》

2011年12月2日，第十顆北斗導航衞星發射入軌（不含此前4顆試驗導航衞星）。憑藉這一網絡，從12月27日開始，第二代北斗衞星導航系統向中國周邊地區提供連續導航服務。從規模和技術水平看，中國衞星導航能力達到了美蘇冷戰末期的發展水平，補上了超級大國不可缺少的一門“必修課”。從近年發展速度來看，北斗系統的發展速度世界第一，將在十年內完成全球組網，壓倒除美國之外的所有國家，成為和GPS系統平起平坐的世界性衞星導航系統。

第一代衞星導航

（1 ）美蘇爭霸　　

1957年，蘇聯發射了人造衞星，按照預定軌道環繞全球，同時向全球發射了供測控的無線電信號。衞星導航幾乎克服了以往導航技術的全部缺點。

衞星因為可以按照預定頻率、方向發射無線電波，而不僅是可見光，解決了惡劣天氣下導航難題，而通過多顆衞星組網，可以組成真正覆蓋全球的導航網。並且衞星導航的接收方可以從電波中推算自身位置等信息。也就是説衞星平台下，可以全球範圍內各種條件下接受導航。

所以，在第一顆衞星發射後不到1年，美國第一顆人造衞星發射的同時，美國就開始研製第一代衞星導航台——NNSS系統（美國海軍導航衞星系統）。1960年，人造衞星僅僅出現了3年，美國就發射了第一顆“子午儀”衞星（因沿子午線飛行而得名）。到1967年，美國海軍已經擁有了了6顆“子午儀”衞星，初步完成了全球組網。

冷戰的另一方蘇聯從1965年開始連續發射導航衞星，組成了12顆衞星的導航體系(CICADA系統)。為世界提供了另一套第一代衞星導航系統。

1967年，美國開放了衞星導航數據，全世界的船隻都立刻接受了新的技術。衞星導航用户迅速增長到10萬左右，包括大部分世界遠洋貨輪。衞星技術在出現後不到10年內就對民用經濟產生了顯著的促進。（2）北斗一代　

中國發射第一顆人造衞星在1970年，比美蘇晚了10多年。所以，美蘇第一代衞星導航體系開始運行的時候，中國的航天發射能力和測控技術還遠不足以滿足衞星導航體系的需求，只能被動地使用別國的衞星導航。當時中蘇關係緊張，中美關係緩和，所以中國的船隻、探險隊大多使用西方技術，追蹤美國的衞星信號定位。

直到21世紀的第一年，中國在冷戰後的新局面下才開始建立本國的衞星導航系統——北斗導航。不過，由於資源相對有限，從2000年10月到2007年2月，中國一共只發射了4顆導航衞星，分佈在較高的同步軌道上，採取雙星定位方式導航。

定位一個點需要三個座標，三個方程，兩個衞星提供的瞬時數據顯然不夠用，所以北斗系統要在預先設定的電子地圖上讀出高程信息才能使用。這意味着衞星和用户之間不是單向的發送——接收關係，而是要進行雙向溝通。

因此，雖然北斗系統利用了幾十年來計算機技術的進步，要勝於美蘇第一代衞星導航系統，但這一系統存在如下問題：第一，限於衞星數量，只能對中國及周邊地區進行導航；第二，作為軍民兩用的系統，導航和軍事要求的靜默之間存在衝突；第三，雙向溝通效率較低，不適用於快速移動的目標。

不過,從建設之初起，北斗系統（一代）就被定位為一個驗證技術，積累經驗的試驗性工程。在北斗系統的最後一顆實驗性衞星上，中國安裝了用於精確定位的激光反射鏡，為下一代導航衞星網的部署做好了準備。

第二代衞星導航

（1）一代衞星導航的不足

第一代衞星導航網雖然是劃時代的進步，但也存在許多不足。第一個問題就是衞星數量不足。不管是美國還是蘇聯，實際上都只能連續覆蓋地球一部分交通繁忙的地區，衞星對高緯度地區的覆蓋率不夠。

衞星數量進一步限制了導航原理——導航對象同時只觀測一顆衞星，根據衞星和自身的相對運動軌跡來判斷自身的位置。結果，精確的定位往往要持續一段時間才能做出。在這期間，導航對象的運動就不得不被忽略，這給導航精度帶來了很大的誤差。高精度的定位必須在停止運動的情況下才能做出。

而且，當時無線電信號處理能力較差，多顆衞星之間信號很可能相互干擾，因此不能簡單增加衞星數量。還有像原子鐘精度、軌道測定精度都會限制衞星導航的精度。簡而言之，第一代衞星導航還不能完全取代傳統導航，直到第二代衞星導航網出現。

（2）二代衞星導航的前提及優勢

第二代衞星導航網自70年代末開始組建，依然是美蘇各建一套。美蘇各自於1979年和1982年發射了自己的第一顆二代衞星。美國的就是我們熟知的GPS（Global Positioning System 全球導航系統）。蘇聯的簡稱為a，即俄語全球導航系統的縮寫。

第二代衞星導航網能夠出現，技術前提是美蘇強大的航天發射能力。基本的全球導航網至少需要18顆衞星來維持，再加上必要的候補衞星，同時要有近30顆衞星在軌，才能可靠地對全球99%以上的地區提供導航信號。而且衞星會老化，衞星軌道會因為頂層大氣的摩擦而變形，每年都要發射新的衞星來更新系統。美蘇光是為了技術驗證，就各自發射了十多顆作為消耗品的人造衞星。從技術定型到勉強組網，蘇聯（俄羅斯）足足發射了54顆衞星。如果做不到批量生產衞星和火箭，做不到高頻率的航天發射，那麼不要説建設全球衞星導航網，就連維護都做不到。90年代的俄羅斯就差點因此把格洛納斯系統報廢。

如此之多的導航衞星，可以在天空沒有遮擋的情況下，保證地球上的用户任何時候都能接收到來自四顆衞星的信號。每個信號源都可以測出從衞星到用户的時間，再乘以光速（無線電波的速度）就是到衞星的距離。根據簡單的數學原理，兩個球面交匯於弧線，三個球面交匯於點。所以同時取得三個衞星信號就能夠確定任何一點的座標。為了保證用户的時鐘和衞星時鐘一致，第四個衞星信號可以用來校正系統時間。於是4個衞星信號就可以保證高精度的定位。再通過對衞星信號變化率的測量，用户就能知道當下的運行方向和速度。

衞星的軌道數據隨時是預先設定好的，但也在緩慢變動。所以，任何一個時刻衞星的位置也是個變量。為了保證三個“球面”的球心位置準確，衞星發送的導航信號實際上是一段內容豐富的電文，向用户隨時通報衞星的位置。衞星本身本身不具備計算能力，所以分佈在全球的測控站必須隨時監測衞星的運行，根據各種環境的微小變化來計算軌道，再把軌道信心傳遞給衞星，由衞星傳送給用户。在計算中，地球各部分引力的微小變化、太陽活動對電離層的影響、甚至衞星高速運動帶來的相對論效應都必須納入考慮。如果沒有豐富的地球物理數據以及強大的計算、通訊能力，衞星導航的數據很快就會被誤差淹沒。所以，只有少數國家能夠開發導航衞星。其中能籌建到足夠的資金、組織足夠發射能力的國家就更少了。

冷戰的結果是蘇聯解體，美國全勝，所以真正能夠提供穩定服務的全球導航系統，幾十年來只有GPS一種。俄羅斯繼承了蘇聯的格洛納斯體系後，一直不能正常地建設維護，可用衞星一度不到10顆。直到近年石油價格高漲，普京才能調集足夠的資源來重建衞星導航體系。2007年，俄羅斯造出了合格的格洛納斯車載信號接收機。去年12月，格洛納斯衞星達到了設計中的24顆在軌數量，2012年1月，俄羅斯終於可以宣佈格洛納斯系統正式運營。和北斗系統開始導航服務的時間幾乎相同。

（3）諸強的導航開發　

另一套名聲在外，卻遲遲不能運營的第二代衞星導航網絡是歐洲的“伽利略”系統。1993年，冷戰剛剛結束，不甘心做美國附庸的歐洲就開始策劃自己的導航體系。2000年，歐盟提出了初步實施計劃。當時中國的軍工和航天工業正處於發展低潮期，因此中國曾和許多第三世界國家一起參與“伽利略”計劃，試圖通過“入股”的方式獲得美國之外的衞星導航服務，也從中分享歐盟的航天、通訊技術。

不過，和歐盟大部分決策一樣，宏大的計劃總是一拖再拖，造價一漲再漲。目前，伽利略系統的預算已經從70億歐元增加到200億歐元，預計中2002年即開始試運行的的衞星導航系統，到了2012年還是見不到影子。所以中國早早地放棄了和歐盟的合作，自行開發第二代“北斗”導航衞星。直到2011年10月21日，伽利略系統才迎來了第一次正式航天發射——兩顆由俄羅斯火箭搭載的導航衞星（此前曾有試驗飛行）。在歐洲各國普遍陷入債務危機的背景之下，伽利略系統能否在新的期限上——2020年完成組網，世界輿論普遍持不樂觀的預期。

在美、歐、俄之外，值得一提的衞星導航計劃還有日本和印度的導航計劃。日本儘管在軍事上是美國的附庸，但基於雄厚的經濟實力，還是提出了一個由7顆衞星組成的區域導航計劃。只是日本實際上缺乏可靠的航天技術，製造導航衞星的技術也不足，只能抄襲美國的GPS技術。從效果來看，日本這一計劃的唯一優點只是增加了日本上空的GPS衞星密度，避免高樓林立的城市地形遮擋信號。爭奪國外導航市場的能力很差。迄今為止，日本只發射了一顆實驗性導航衞星。

印度一向自詡為世界大國，也不甘心把導航這個軍事-經濟命脈交到別國手中。2006年，印度就做了一個2009年開始實施的區域衞星導航計劃，只是直到今天，印度還沒有一顆哪怕是實驗性的導航衞星上天。估計這一計劃會像印度開發了40年的“阿瓊”坦克一樣成為永恆的傳奇。

北斗的價值

中國的全球導航計劃起步晚，底子差，一度還託庇於歐洲的“伽利略”計劃下尋求分享技術。但中國畢竟是美蘇之外唯一擁有獨立航天工業體系的國家，近年來，隨着中國工業規模的擴張，經濟實力指數化的快速增長。中國在衞星導航領域逐漸進入領跑世界的第一集團。已經實施到一半的二代北斗導航計劃，無論在規模還是導航精度上，都和美俄的導航體系相當，甚至有所超越。

按照規劃，北斗二代系統包括5顆同步衞星，3顆傾斜同步衞星和27顆中軌道衞星。採取和GPS類似的原理，即4顆衞星同時定位、授時。免費信號的誤差可達到10米以內，測速誤差小於0.2米，授時精度小於50納秒。

不用説，這樣龐大的工程，再加上遍佈全球的測控網，投資必然是一個天文數字。美歐類似的工程都需要上百億美元（歐元）才能完成。但不論是美國的GPS、歐洲的“伽利略”、俄國的“格洛納斯”還是中國的“北斗二代”，都在建成後，或是宣稱建成後要向全球開放信號，免費提供導航服務。從整個世界的角度來説，這顯然是耗資巨大的重複建設，是對資源的巨大浪費。過去的30年，在美國壟斷最精確衞星導航體系的情況下，中國先是使用美國的“子午儀”衞星導航信號，繼而免費享用GPS信號，都沒有受到任何干預，為何中國還要花費巨資來建設維護二代“北斗”系統？

首要的理由顯然是軍事安全。

迄今為止的衞星導航系統，雖然都能發揮民用效益。但追根溯源，初始動機都在於軍事用途。美蘇（俄）的兩代衞星導航體系都是冷戰產物不必贅述，歐洲的伽利略系統，本身就是“歐洲獨立防務計劃”的一部分。印度的衞星導航計劃是由空軍推動的，日本的衞星導航計劃，既可以看做日本軍事“復興”計劃的一部分，也可以視為美國戰略重心東移的一個輔助性計劃。

各國爭相發展衞星導航體系的原因是軍事技術的進步。第二次世界大戰以來，武器的射程、航程、火力、機動性都有了巨大的提高。原本被地理空間割裂的不同戰區被連通為一個全球戰場。如果沒有統一、可靠的導航體系，再多的軍隊，也無法發揮數量優勢協同作戰，必然會被各個擊破。

就是從發揚火力的角度説，火力=射程×破壞力×準確率。在導航系統的精確制導下，武器所能發揮的威力顯然也更大。

對小國來説，反正開發不起，而大國基於軍事安全，顯然不能一廂情願地依靠他國技術支持。事實上，現有的民用GPS導航信號正是2000年美國放寬GPS導航標準，允許民用用户分享一部分美軍的精度的結果。美國能夠放出高精度信號，也可以在必要時有選擇地屏蔽信號，癱瘓對方的軍事調動。中國如果沒有自己的全球導航系統，就不可能對抗美國的軍事霸權。

從純粹的經濟角度來説，衞星導航系統也同樣和巨大的利益相關。美國區分軍民信號的模式意味着在免費的普通精度信號之外，還可以有償出售高精度信號，這當然就能產生巨大的利潤。甚至在將來，不排除除了航空、測量需要有償購買高精度信號，就是一般的生產生活也都因為智能化而有償使用更高精度導航信號的可能，如果都使用他國導航系統，其中的利潤也將拱手送人。

當然，眼下的智能化還沒有發展到那一步，但各國都在研究新一代技術。美國的新一代衞星定位系統Block III 目前已處於裝配調試階段，計劃於2014年發射。未來將有70-90顆美國衞星來取代現在30顆衞星的GPS系統。這意味着天空將越來越“擁擠”。在重要的同步軌道上，為了避免衞星相互干擾、撞擊，衞星必須有一定的安全間距。儘早發射導航衞星，不僅是技術積累的需要，也是“佔位”的需要。此外，為了便於製造衞星和地面溝通的通訊設備，佔有合適的通訊頻率也可以節約許多投資。按照聯合國國際電信聯盟的規則，衞星頻率的使用權屬於先發射的一方。中國北斗系統搶在歐洲伽利略系統之前發射導航衞星，實際上已經佔有了一部分本由歐洲申請的通訊頻段。所以，衞星導航系統的發展越快越好。

“天象”與國運

古人云：“一代興亡觀氣數”。所謂氣數，很大程度上要通過天象來反映出來。這當然是神秘主義的牽強附會。但在人類能夠發射衞星，改變“天象”的現代社會，衞星導航體系這種“天象”的確能否反映出大國的興衰。

正如前面談到的，衞星導航系統是一個龐大的系統工程，需要航天、材料、機械、精密儀器、通訊等多個行業天文數字的投入，財政緊張、技術落後的國家不可能負擔的起。反過來説，大國的經濟、政治必然會受到全球各種因素的影響，需要用可靠的全球導航體系來保證全球軍事、航運的需要。所以，國家興衰和衞星導航網絡的建設互為表裏，往往一榮俱榮，一損皆損。

比如説，前蘇聯組建衞星導航網的時候，國力正處於頂峯，每年可以進行100多次航天發射，間隔平均只有三天。馬島戰爭期間，為了從這場導彈時代的第一次海空大戰中吸取經驗，蘇聯在69天內連續發射了22顆衞星。所以蘇聯能在起步落後於美國的條件下，率先實現第二代衞星導航體系組網試運行。

1991年蘇聯解體，俄羅斯國力一落千丈，本來預定於93年完成的第二代衞星導航系統因此拖到2012年才完成。客觀的説，這一成就很大程度上是普京為恢復國民信心而進行的“面子工程”。因為俄羅斯已經丟掉了前蘇聯的大部分海外利益，可用的海軍艦艇數量從1500艘跌落到50艘左右，中國的衞星工業源於蘇聯的技術援助，直到1970年才發射衞星。從70年代到90年代，中國一直依附於美國的衞星導航網來進行遠程定位。這體現的是中國工業-軍事實力相對薄弱的事實。從硬件上説，當時的中國在超級大國主導的國際秩序中無法真正獨立，必須和至少一個超級大國合作，出讓一部分利益，才有機會和平發展。直到最近一兩年，中國的製造業產值、發電量都超過了美國，航天發射次數和美國持平，讓債務危機中的歐洲低頭求助。在這個背景下，中國的北斗系統出現了跨越性發展，超越了歐洲這個學習對象，也即將趕上曾經的老師俄國，和美國競爭冠軍的位置。可見，衞星導航系統既是大國爭霸的工具，也是國家實力的標誌。天空中閃耀的“北斗”星座，是21世紀中國最值得自豪的東西。

2012年剛一開始，美伊（朗）關係緊張，三艘美國航母集結到了波斯灣周圍。美國一面演練打通重要海峽運油的軍事行動，一面酸溜溜的抱怨：“美國保持全球海洋的和平，中國是最大受益者”。客觀來説，這句話也有幾分道理。冷戰後期，在蘇聯咄咄逼人的攻勢下，美國被迫把中國拉入自己的冷戰體系對抗蘇聯。中國和西歐北美出現了史上最密切的軍事合作，中國一度號稱“北約的編外成員國”。經濟方面，西方國家向中國開放市場，轉讓技術，在西方獲得廉價產品的同時，這一經濟模式客觀上也促進了中國的經濟發展。在中美歐合作的大環境中，中國免費利用GPS導航信號，能夠入股歐洲“伽利略”導航體系，也是冷戰帶來的發展“慣性”之一。

不過，大國之間的“善意”必然是基於利益考慮。美國把中國拉為盟友，前提是有蘇聯這個更強大的對手。中國在冷戰後繼續接受西方的產業轉移，前提是中國的實力還不夠強，無論在經濟上還是軍事上都不能威脅西方主導的世界體系。21世紀進入第二個10年後，俄羅斯的長期衰落已成定局，中國變成了世界最大工業國，獨立開發了第四代戰鬥機和反衞星武器，和非洲等資源產地發展了密切的合作。所以美國的戰略重心開始向東亞轉移，計劃在其他地區抽出實力，重點壓制中國的崛起。在新的局勢下，可以預料，已經被中國人習慣的GPS信號也不會再是可以安心使用的免費服務。中國開發北斗，既是國力的體現，也是下一步發展的必須。