伽利略掛了，再次肯定了“北斗人”當年的選擇-科工力量
【文/大包】
第二枚戰斧導彈，沿着第一枚炸開的缺口精準打擊——解放軍被震驚了。
那一年，GPS一戰成名。
1990年的海灣戰爭。美軍的導航衞星還只有15顆，每天只能提供15小時的服務。一切都還不成熟。
當時的美國國防部長理查德·切尼卻很有底氣：“伊拉克絕對不會想到，在沒有任何地形特徵的情況下，我軍能夠勝利地橫穿西部沙漠。”
一個新名詞誕生了：“外科手術式打擊”。戰爭的結果已經載入史冊，那是一場高科技之戰。想象一下，數十架轟炸機、投彈數百噸才能完成的水壩轟炸任務，變成只需要2枚導彈在數百公里外突襲發射，甚至第二枚可以通過第一枚炸開的大壩缺口鑽進去。
GPS為數百架美軍戰機提供精確導航，大大提高了美軍F-16和B-52戰機的攻擊精度，隱身戰機和巡航導彈幾乎也全部依靠GPS來選擇最佳的隱蔽進攻路線。海灣戰爭後，第一次世界大戰前後誕生的陸基無線電導航系統，被美國首先取代為GPS衞星定位導航系統。
當時，被新聞報道震撼的人們都想問，GPS怎麼來的？
擱置十年
1957年10月4日，蘇聯成功發射了人類歷史上第一顆人造衞星“斯普特一號”，兩個美國人密切關注着這件人類歷史上的大事。這是兩個物理學家，他們在實驗室中發現，這顆衞星的頻率出現了偏移，經研究原來是相對運動引起的多普勒頻移效應。他們又研究發現，在地面上架設多部接收機，就可以根據接收到的信號的不同頻差推算出這個衞星的具體位置。
那如果反過來呢？五角大樓想知道，如何在茫茫大海中找到軍艦的位置。好像有思路了。
1958年2月1日，美國成功發射了“探險者一號”衞星。1958年5月17日，毛澤東豪邁宣佈“我們也要搞人造衞星”。當時的毛澤東可能並不知道，GPS系統的前身，也就是美軍的子午儀衞星定位系統，已經在那一年開始研製。
1970年4月12日，“兩彈一星”工程中的“一星”終於迎來了成功發射，東方紅樂曲響徹太空。這時定位導航衞星已經進入了決策層的視野。因為1958-1964年間，美國海軍和美國空軍分別制定並實施了全球定位計劃Tinmation和621-B，此後又被美國國防部合二為一。
1978年美軍開始實施GPS計劃，中國科學家也沒有停止過對中國的定位導航衞星的論證。但按當時中國的經濟和技術條件，想搞一套GPS還是遙遠的夢想。
能不能儘量用較少的衞星資源建立中國自己的“GPS”？後來獲得“兩彈一星”功勳的陳芳允院士，提出了雙星定位方案，並在1989年演示成功，實現了地面目標利用兩顆衞星快速定位、通信和定時一體化。
但由於種種原因，陳芳允的計劃還是被擱置了。演示成功的那一年，美國的第一顆GPS工作衞星發射成功。也是在那一年，被5年前國慶閲兵式上“我國首台億次巨型機銀河-I”的彩車震撼，放棄北大選擇國防科大的王飛雪，步入了大學校園。
第二年，海灣戰爭爆發了，也把中國人打醒了，被擱置十年的雙星定位方案馬上啓動。
GPS這類系統方案中，第一個要解決的問題就是：衞星該採用低、中、高哪種軌道？如果採用低軌道，發射成本比較低，精度比較高，但若覆蓋全球的話則需要200顆衞星，這樣浩大的工程，連美國也負擔不起。
如果採用高軌道，理論上三顆衞星就能覆蓋全球，但定位精度會很低，而且高軌道衞星的發射難度大。
美國採用了24顆衞星中軌道的折中方案。而中國當時的國情是既沒錢也沒經驗，在起步階段選擇了只在高軌道發射兩顆星，靜止在中國上空為中國服務。空間中三個座標才能定位，北斗一代在雙星定位方案中有個高度儀，用户需要自測高程，並將結果作為第三個座標。真是夠節省的！
倉庫實驗
1995年，還在讀博士的王飛雪，聽到一個消息。正在前進中的北斗一代系統建設遇到了瓶頸問題——信號快速捕獲，國內十幾家單位、幾十位知名專家10年沒能攻破。
“為什麼不可以另闢蹊徑？”王飛雪和幾個同伴夜以繼日的奮戰了好多天，寫出一個新算法，紅着眼睛交給導師也是系主任莊釗文。莊釗文在計算驗證後眼前一亮，但他知道，事情不簡單。各種質疑聲不絕於耳。“這是事關國家安全和經濟發展戰略的重大科研項目，豈是兒戲？”“這個難題別人耗費10年功夫也沒有攻克，幾個年輕人能行？”不少專家甚至認為這是一個“根本不可能實現”的方案。
莊釗文帶着這幾個年輕人去找一位老先生。老先生跟這幾個年輕人説，你們還需要用實驗來證明你們在紙筆當中得出的這個結論。
這幾個年輕人拿着4萬嘗試經費和一台台式計算機，找了一個十平方米的倉庫改造成實驗室。整整3年，他們一無所獲，但沒有放棄。“因為很難，我很興奮，一心想搞清楚。”王飛雪説，“最初的電路板模型大如門板，光芯片就有192塊，後來芯片壓縮到63塊，改成了3塊小板。”
三年後的一天，他們像往常一樣打開設備，調試等待，突然間有人説你看你看上面有一個信號，所有人把頭都湊在這個小小的屏幕前，他們不相信自己的眼睛，於是重新做了一次實驗，信號如約而至，幾個小夥子抱在一起跳啊、笑啊、哭啊。
系主任莊釗文又帶着王飛雪和幾個同學去找那位老先生。老先生召集20多個專家開了一次論證會，當看到顯示器上脈衝閃耀，信號捕捉成功的一刻，在場的專家們一起起身鼓掌。
這位老先生正是陳芳允。作為中國衞星測量控制技術奠基人，陳芳允當時是中國北斗一代系統的總設計師。而王飛雪，現在是國防科大衞星導航定位技術工程研究中心主任。
用不到GPS系統1/3的時間和1/4的經費，中國在2004年建成了北斗一代，成為繼美、俄之後，世界上第三個擁有自主衞星導航系統的國家。這只是第一步。
北斗一代只是“北斗導航試驗系統”，雖然達到了設計指標，但其定位精度自然遠遠比不過GPS，前面説了，原因主要在於只有兩顆高軌道衞星的節省。在GPS的反襯下，中國北斗一代因性能不強而受到詬病。
初顯身手
汶川縣城的通信全部中斷了。
2008年5月12日下午14點28分，汶川發生了里氏8.0級地震，由於震中受災極其嚴重，通信、電力、交通全部都被破壞殆盡，抗震救災指揮部完全無法與震中取得聯繫。
13日12時，總站值班監控屏幕上，一個紅點跳入值班人員眼簾，“災區有人使用北斗了！”隨着一聲驚叫，大家的眼光聚焦到災區的電子地圖上，只見這個紅點沿着馬爾康、黑水的317國道急進汶川。“這是哪支部隊？”衞星導航定位指控中心工作人員欣喜之後發出疑問。
“北斗一號”衞星定位導航系統雖然具備雙向通信功能，但出於保密的原因，指控中心只能“看”到信號，不能解讀定位終端發射信息的內容。
最後查到，這確實是一支武警救援部隊奉命前往災區。隨即，一條條信息湧入指揮大廳的屏幕上：“我支隊已於11時以摩托化向成都方向機動”、“美英法等國遊客被困卧龍人員安全”、“卧龍特區請求空投帳篷和藥品”……
14日，總站受命派出北斗導航應急分隊，攜帶近千台用户機緊急奔赴災區，迅速架起軍隊抗震救災指揮部與災區一線各級指揮機構的溝通橋樑，實現了抗震救災的順暢指揮。之後，安裝在唐家山堰塞湖的北斗水文監測系統，不斷傳回最新水情數據，為排險提供可靠決策依據；加裝在抗震救災直升機上的北斗裝備，有效解決了山區複雜環境下航跡監視、通信聯絡等問題，提高了飛行安全係數。
這就是北斗的首次成功應用的故事。北斗一代，因為比不過GPS和海事衞星被罵得最多的一代，在地震時卻發揮出了不受地面影響的優勢。
由於美國的做法是定位和通信衞星各司其職，所以GPS不具備北斗這樣的通信功能。北斗一代的大部分信道資源必須讓給定位數據的傳送，所以通信上不能語音，只能短信，可沒想到，真派上了大用場。
就是這個在罵聲中成長起來的北斗一代，成為了救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地保證了“72小時黃金搶救時間”的有效利用，彰顯了北斗服務民生的技術優勢。
“伽利略”姻緣
1983年，韓國客機因導航故障誤入蘇聯領空被擊落，美國政府開始重視衞星導航的民用性，時任總統里根決定開放GPS給民眾使用，GPS由軍方專用變為軍民共用。
1996年，時任美國總統克林頓發佈《國家GPS政策》，承諾免費持續對民用開放GPS標準定位服務；鼓勵各國引入使用GPS，激勵GPS民用設備製造商、應用開發商和增值服務商進入民用市場。隨着2000年GPS被寫入《美國法典》，GPS軍民兩用性得到了法律形式的確認。
早期，GPS系統在所有的民用信號上放了干擾。後來為應對俄羅斯/蘇聯的格洛納斯系統挑戰，取消了這個干擾，定位精度就得到極大提高。但是，GPS開放的只是民碼，定位精度仍然比美國軍方使用的軍碼差了十倍。
天下沒有免費的午餐，美國為什麼要免費提供GPS服務？一個很重要的原因是，要收費，在技術上做不到。GPS是單向通信體制，只管發信號，是誰在接收並使用這些信號卻不知情，也就無法收費。
美國索性“免費”提供服務，再通過收費的產品，衍生出一個龐大的國際性產業，既能使美國自身相關的高科技公司受益，又輸出了強大的國家軟實力。雖然美國政府在GPS不同發展階段頒佈了一系列國家政策，但是其核心思想有不變的特性：維護GPS全球領先地位，獲取軍事和經濟效益。
但是美國隨時可以停止GPS民碼服務、增加干擾、乃至提供虛假位置服務信息。如果別的國家的軍事系統上安裝美國GPS，就受制於人，在關鍵時刻可能會導致災難性的後果。
這事情還真發生過。1999年印巴Kaigil戰爭期間，美國直接關停了印巴戰區的所有GPS服務，導致雙方依賴GPS的設備無法使用，給雙方造成巨大損失。
所以不僅是中國，美國的盟友也想搞一套自己的系統。法國前總統希拉剋曾感慨地説：“沒有自己的衞星導航系統，歐洲將不可避免地成美國的附庸。”
儘管美國反覆勸阻，歐洲還是鐵了心要搞自己的伽利略系統。
一天，科技部國家遙感中心副主任張國成回家時，兒子問他伽利略計劃是怎麼回事。張國成趁機做了次“科普”，兒子這下才知道，原來代表中方在中歐伽利略計劃技術合作協議上簽字的人就是他的父親。
4年前，歐盟委員會副主席德帕拉西奧在和時任國家總理朱鎔基會晤時表示，歡迎中國參與伽利略計劃。中國和歐盟都希望合作研發自己的衞星導航定位系統，而相對獨立於美國的GPS技術。在後來的談判中雙方一拍即合，中國拿出2億歐元“入會”。
但中國真正的“入會費”其實沒那麼多。根據協議，中國第一階段投入7000萬歐元，其中只有500萬歐元是支付外匯，相當於“入會費”，另外6500萬歐元將以實物形式支付。也就是説，科技部將撥出經費，由國內的科研生產單位來承擔項目，進行設備研製等。這為中國的機構和企業爭取到了相當大的利益，在艱難的談判之後，歐盟也作了讓步。
誠心加入伽利略計劃的中國，將自己的“北斗”定位為區域導航系統。但事情卻起了變化。
進入2005年，歐洲政治開始轉向，之前“親華”的德國總理施羅德黯然退隱，由來自親美政治家默克爾擔任德國新總理，而法國也進入了領導人交替的時代，希拉剋的影響力逐漸下降，親美的薩科齊於2007年開始擔任法國總統。
在伽利略計劃的財政和利益分配上，歐盟也開始排擠中國，將中國關在了“伽利略”核心決策的大門之外。中國對“伽利略”的影響，甚至比不上沒有為信號擴增系統支付一分錢的日本和印度。加上中國不可能接受國防上與日本、印度使用相同的系統，於是中國開始把注意力轉移到沉寂數年的“北斗”系統上。
頻率之爭
法國前總統希拉剋説過，伽利略是為了避免歐洲淪為美國“技術附庸”的系統。他後來又説，可事情怎麼發展成了這樣，再這樣下去，歐盟將陷入受中國製約的境地。
這戲劇性的變化，要從頻率資源説起。
在衞星導航系統建設初始階段，頻率資源相對比較充沛，建設時間較早的GPS系統和GLONASS系統不存在頻率資源的衝突問題。到了北斗系統和“伽利略”系統建設的時候，頻率爭奪戰就非常明顯了。
根據國際電信聯盟“先佔先得”的規定，哪一個國家能夠先把這顆衞星發射上去，並且衞星向下發射這個頻率的信號，以後這個頻率資源就是他的了。這就不可避免地遇到了衞星軌道和頻率爭奪的問題。
先佔先得的原則，顯然是發達國家為自己的利益設計的，貌似公平，其實就不給發展中國家機會。但人算不如天算，歐洲出現了經濟危機，“伽利略”系統資金鍊斷了。當時“伽利略”系統提前申請了頻率資源，併發射衞星佔領了軌位。但是衞星並沒有開通，只是佔了軌道但沒佔頻率。
“頻率是國家戰略資源，要像捍衞國土一樣捍衞頻率資源。”北斗頻率設計與國際協調首席專家譚述森説。
經過複雜的頻率設計與周密的干擾仿真計算，創造性地提出了衞星導航頻譜共用與兼容性評估準則。經過與幾十個國家 300 多次艱苦的談判， “北斗”終於爭取到了系統發展所必需的寶貴頻率資源。
2007年4月17日，是北斗系統申報的頻率資源的最後期限，要求北斗試驗星必須提前發射。
衞星發射通常只有延遲，沒有提前。為了爭奪這個戰略資源，經過各個部門的通力協作，截至4月14日長征三號甲火箭完成所有準備工作，在西昌衞星發射中心豎起等待發射。然而4月14日凌晨4點07分，現場又發現新的問題，火箭有一個連接器沒有按照規定脱落，如果三分鐘內不能解決這個問題的話，對火箭、衞星甚至發射場都會是滅頂之災。
當時的發射指揮員在一分鐘內下了7道指令，4點11分的時候，火箭帶着北斗試驗星成功升空。
4月14日發射北斗試驗星，4月15日衞星實現變軌，4月16日始向下發送信號，在距離4月17日北斗申請的頻率資源失效前24個小時內，中國正式啓用了北斗申報的頻率資源。
但這顆衞星進入軌道不久，遭遇大功率複雜電磁干擾，信號接收成功率不足50%。要是不解決，即將組網的10多顆衞星發射計劃將無限期推遲。
要在小小的衞星上增加抗干擾設備，打造電磁盾牌，“好比把一頭大象裝進一個小冰箱。”這個問題，後來又是王飛雪團隊解決的，他立了軍令狀，在3個月內，拿出了具有超強抗干擾能力的衞星載荷，將我國北斗衞星抗干擾能力整整提高了1000倍。時任我國衞星導航工程總設計師孫家棟院士感慨：“你們是李雲龍式的科研團隊，關鍵時刻敢於亮劍，亮劍必勝！”
中國北斗二代把軌道和頻率都占上了，由於頻率覆蓋問題，除非中國事先同意，否則“伽利略”常規公共服務信號便無法用於軍事目的。這就是希拉剋那句話的緣由了。
而在談判桌的背後，可不只是爭取搶先發射那麼簡單，背後是中國攻克一個個核心技術，繞開歐美專利的實力。曾多次參加中美、中俄、中歐等國際談判的王飛雪説：“實力，你必須拿出自己的看家本領，讓世界看到你的實力。”
自主可控
肖恩·康納利的《偷天陷阱》裏，兩個大盜利用兩地時間不統一來竊取鉅款。時間就是金錢。
授時，是北斗衞星導航系統除了導航定位服務外，另一個重要功能。
跨海大橋、海底隧道，許多台起重機一起合作，動輒上千米的作業面，時間上差一點，就失之毫厘謬以千里。北斗授時的同步精度已經到了納秒級，比用電纜連起來搞“同步控制”的電信號傳輸延時還要小的多，真是做到了“心有靈犀”，分毫不差。
衞星要有高穩定的時間基準信號，需要星載原子鐘，這是導航衞星的“心臟”。在建設北斗之前，中國原子鐘技術非常薄弱，原子鐘產品全靠進口。進口鐘不僅價格昂貴，而且關鍵技術掌握在別人手裏，將使北斗系統潛伏巨大安全隱患。
“我們自己的導航衞星一定要用我們自己研製的原子鐘！”北斗系統總師、“兩彈一星”元勳孫家棟説。
原子鐘工作原理涉及量子力學、電學、熱學以及光學等學科，指標要求相當苛刻。中科院武漢物理與數學研究所、航天科技集團空間技術研究院、航天科工集團二院 203 所等單位對星載銣原子鐘一系列關鍵技術開展攻關。
這是一項非常“熬人”的工作，為了保證24小時不間斷地測試，科研人員經常是白天調試，晚上盯在測試儀器前，觀察數據，一測就是一整夜。在日夜兼程進行調試的階段，大家就像上了發條的“鍾”一樣連軸轉。
“三天三夜不合眼，那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應，有了第二回、第三回後大家都習以為常了。”大家做夢經常會夢到原子鐘聯調的情景：如何接線、如何搭電路、示波器上如何顯示，如同真實的工作場景一般。有時，技術人員一覺醒來，立馬翻身下了在辦公室裏的行軍牀，趕緊將夢中的情境記錄下來，驗證、調試，困擾多日的問題竟然解決了。
2005年，203所交付了我國首批兩台星載銣原子鐘工程化初樣鑑定機，標誌着我國原子鐘自主化邁出一大步。2007年，趕上了為爭奪頻率資源提前發射的北斗試驗星，我國自主研製的星載銣原子鐘上天服役。
如今，我國已在國產北斗芯片、模塊、天線等關鍵技術方面取得全面突破，已掌握衞星導航芯片核心技術自主知識產權，北斗芯片跨入40納米新時代。
特別值得一提的是，第16顆北斗衞星開始，首次使用中國製造的“龍芯”中央處理器（CPU）。國產化率達到95%。衞星上有3個被稱為“單機”的黑盒子，每個約有4本400頁的32開圖書摞起來那麼大。其中兩隻黑盒子裏，每隻裝了2片龍芯1E芯片和4片龍芯1F芯片。龍芯1E負責進行常規運算，龍芯1F完成數據採集、開關控制、通訊等處理功能。
北斗照耀
北斗有五個非常顯著的特點。
第一，是三種工作頻率。北斗使用的是三頻信號，GPS使用的是雙頻信號，這是北斗的後發優勢。三頻有利於提升抗電離層的干擾，提高定位可靠性。
雖然GPS從2010年5月28日發射了第一顆三頻衞星，但等到GPS衞星全部老化報廢更換為三頻衞星還要好幾年。
第二，是有源定位及無源定位的結合。有源定位就是接收機自己需要發射信息與衞星通信，無源定位不需要。有源定位的好處是當你觀測的衞星質量很差，仍然可以定位。壞處是在戰爭中會暴露你的位置信息。
孫家棟院士説：“有源與無源兩種體制的結合，是中國北斗的最大特色和亮點，也是中國北斗的優勢所在。”“北斗是八萬多人幹了20多年，我們走了一條絕無僅有的路，別人都沒走過的，我們走成了。”北斗二號總設計師助理郭樹人説。
第三，短報文系統。北斗的獨門絕活。基於這個功能，北斗不但能知道我在哪，還能讓別人知道你在哪。這個功能有利於求救。汶川大地震讓大家看到了北斗的優勢，震區唯一的通訊方式就是北斗一代。
第四，建設開通速度。對比伽利略系統，北斗的建設速度快。此外北斗採取分步開通，而GPS之類必須整個系統建成後才能使用。北斗在創新的空間星座支持下，僅僅發射了16顆衞星，就於2012年12月27日在亞太地區正式開通運行，這有利於加快北斗的商用進程。
第五，三種軌道。目前另外三個全球衞星定位系統都採用距離地面20000千米左右的中圓衞星軌道，而北斗是唯一採用三種軌道搭配的星座：27顆衞星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分佈在三個軌道面上，保持55度傾角；5顆衞星採取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衞星處在地球同步軌道（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。
北斗的地球靜止軌道和傾斜同步軌道是為中國乃至亞太地區特殊定製而來。亞太地區可以幾乎永久保持至少12顆衞星可見，大幅提高該區域定位精度。
尾聲
12月24日，馬斯克在推特上轉發了《科學美國人》雜誌的有關我國探月工程嫦娥四號探測器成功發射的文章，並評論道：“中國在太空方面的進步令人驚歎，今年他們完成的軌道發射數量首次超過了美國。”
今年是歷史性的一年。
12月23日，在幾次拖延之後，第三代GPS系統的首星在卡納維拉爾角發射升空，這是2016年最後一顆GPS-IIF衞星升空後，美國首次發射GPS系統的新衞星。
2018年，我國一口氣部署了17顆北斗第三代導航衞星，同樣在年底，中國宣佈“北斗三號”基本系統開始提供全球服務。
按照北斗35顆衞星的設計佈局，今年是北斗建設史上最核心的一年，10箭18星，也創下了全球衞星導航系統組網最快紀錄。世界四大系統中，美國GPS系統最快紀錄為一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯系統為一年9星，歐洲伽利略系統為一年6星。
當年，陳芳允院士提出“雙星定位”，僅僅兩顆衞星，計劃被擱置了十年。陳先生去世已經18年了，世界真的變了，中國也真的變了。
小學有一篇語文課文，叫《要是你在野外迷了路》，許多中國人都學過。“要是你在野外迷了路，可千萬別慌張，大自然有很多天然的指南針，會幫助你辨別方向。”
想給這篇課文加一句：天上還有些星星，是中國人建成。告訴你位置，還可以告訴最想念你的人。
想向開拓中國北斗事業的這些科研工作者致敬。
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