“北斗”與“格洛納斯”合作的背後-科工力量
【文/科工力量專欄作者 柳葉刀】
8月30日，中俄衞星導航重大戰略合作項目委員會第六次會議在俄羅斯喀山舉行，經雙方確定，《中華人民共和國政府和俄羅斯聯邦政府關於和平使用北斗和格洛納斯全球衞星導航系統的合作協定》即將生效。該協定作為中俄衞星導航合作的重要政府文件，將為兩國衞星導航領域合作提供法律和組織保障。
現場發佈了中俄衞星導航系統全球信號多模多頻射頻芯片，並就跨境運輸、檢測評估領域等後續合作進行深入探討，共同開展芯片聯合研發等應用合作項目商業前景分析。
會議現場中俄衞星導航系統全球信號多模多頻射頻芯片發佈 來源：中新網
據媒體報道，按照《合作協定》，中俄兩國將至少在對方境內部署3個衞星導航系統地面站，中國境內的“格洛納斯”站將部署在上海、烏魯木齊、長春。俄羅斯境內的“北斗站”將部署在奧布寧斯克、伊爾庫茨克、勘察加彼得羅巴普洛夫斯克。
中俄太空合作的歷史淵源
中俄兩國之所以能夠在太空領域深入合作，是有歷史根源的。蘇聯是中國航天的啓蒙老師，上世紀50年代，蘇聯就向中國提供了相關技術援助。冷戰結束後，繼承了蘇聯遺產的俄羅斯，雖然太空實力比蘇聯時期大為下降，但是畢竟擁有蘇聯時期積累的經驗與技術。出於共同應對美國和北約的壓力，1992年，中俄兩國簽署政府間太空合作協定。2000年，雙方成立中俄航太合作分委會，開展太空領域的合作與交流，並定期舉行會議。
近年來，中俄太空領域的交流，衞星導航合作成為了重點。2014年7月，中俄雙方正式簽署衞星導航合作諒解備忘錄，標誌着“北斗”和“格洛納斯”的系統兼容開始啓動。
2015年1月，成立中俄衞星導航重大戰略合作項目委員會，建立起政府間推動“北斗”與“格洛納斯”兩系統深度合作的平台和機制，建立兼容與互操作、增強系統與建站、監測評估、聯合應用4個工作組。
同年5月，兩國簽署了《中國北斗和俄羅斯格洛納斯系統兼容與互操作聯合聲明》，兼容與互操作正式的提出標誌着雙方導航系統的合作進入了實質化的發展階段。
廣泛深入的合作是需要建立相關法規提供製度上的保障，所以在2018年11月，中俄兩國又簽署了《中華人民共和國和俄羅斯聯邦政府關於和平使用北斗和格洛納斯全球衞星導航系統的合作協定》，該協定就是在制度層面提供依據。
眾所周知，全球導航系統，除了中國的“北斗”與俄羅斯的“格洛納斯”，還有美國的“GPS”和歐盟的“伽利略”，當然日本和印度也發展了自己的“準天頂”系統與印度區域導航衞星系統，這隻能算區域性質的。這些系統中，美國的GPS應用最為廣泛。
2019年9月2日06時 四大導航系統各自衞星分佈情況
美國的GPS極不安全 各國被迫發展自己的導航系統
本來全球的導航系統不用這麼複雜，直接使用美國的“GPS”就行，但是美國有自己的“小算盤”。
GPS建設和運行時間長，技術成熟，性能穩定，應用範圍廣，但是服務受制於美國。一方面GPS導航信號分軍碼和民碼，只有美國和其主要盟國可使用精度高、可靠性好的軍碼，其他國家只能使用低精度的民碼，而這種低精度卻是美國人故意加入選擇性誤差造成的。另一方面GPS的應用要受到美國軍方的制約，戰時它可實施“局部屏蔽”，關閉相關區域的GPS信號，或者在民碼上施加干擾，讓用户無法正常使用GPS。
美軍士兵利用GPS定位
一個現實的例子，2008年俄格戰爭期間，投入戰區的俄軍部分車輛發生GPS信號丟失現象，當時就被懷疑與美國做手腳有關。由此看來，定位導航特別是軍用系統的定位導航完全依靠美國的GPS系統是極不安全的。所以中俄都在發展自己的導航系統，哪怕是美國的盟友——歐盟，也寧願花巨資建設“伽利略”系統。
但自建衞星導航系統並不是一帆風順，無論是中國的“北斗”還是俄羅斯的“格洛納斯”都受到來自外界的限制，尤其是“格洛納斯”的發展，算是“歷經坎坷”。
“格洛納斯”從建設到全球組網 歷經坎坷
“格洛納斯”項目是前蘇聯在1976年啓動的，計劃使用24顆衞星實現全球定位服務。與GPS碼分多址體制（每顆衞星的信號頻率和調製方式相同，不同衞星的信號靠不同的偽碼區分）不同，格洛納斯在設計的時候就採用頻分址體制，衞星靠頻率不同來區分。所以，格洛納斯可以防止整個衞星導航系統同時被敵方干擾，具有很強的抗干擾能力。
“格洛納斯”軌道星座
但蘇聯的衞星和電子設計水平和美國有很大差距，蘇聯的這些衞星設計壽命只有一年，真實的平均在軌壽命也只有14個月。
蘇聯解體後，俄羅斯繼續發射衞星建造格洛納斯導航系統，因為比中國的“北斗”和歐洲的“伽利略”建設時間早，不到三年時間，俄羅斯就完成了組網工作。
由於蘇聯的火箭發射能力強大，一開始計劃就是用一箭三星的方式發射衞星。由於多次發射失敗和衞星工作壽命較短，所以一直髮射到70多顆衞星時，到1996年格洛納斯衞星星座才達到額定工作的24顆，宣佈正式投入完全服務。可惜好景不長，由於蘇聯的解體和俄羅斯的經濟困難，格洛納斯星座的衞星數量至2002年最低降到7顆衞星，維持正常工作的衞星為6顆。
本來對衞星導航失去興趣的俄羅斯，被2003年的伊拉克戰爭“打醒”，迫使俄羅斯領導層重新對衞星導航系統重視起來。
從2003年開始，格洛納斯系統又進入復甦階段。以每年差不多發射6個衞星的速度迴歸，加上衞星壽命有所增加，所以到2011年12月8日，格洛納斯星座又恢復到24顆衞星的完全工作狀態，完成全球組網。
缺錢缺元件 “格洛納斯”面臨停運的危險
現今的“格洛納斯”在軌衞星羣包括27顆衞星（25顆“格洛納斯-M”和2顆“格洛納斯-K”），但是，“格洛納斯-M”衞星羣中有16顆已經超出服役期。
實際上，“格洛納斯-M”屬於上一代產品，壽命有限。據報道，俄羅斯方面打算，將“格洛納斯-M”於2025年全部退役，全部更換新一代衞星“格洛納斯-K”和“格洛納斯-K2”。
面臨淘汰的“格洛納斯-M”衞星
“理想很豐滿，現實很骨感”，俄羅斯的“格洛納斯”目前面臨兩個尷尬的情況，一是沒錢更新系統，二是買不到衞星製造所需的零部件。
自烏克蘭事件以來，西方對俄羅斯的制裁讓其經濟購買能力大幅下降，缺錢是俄羅斯最大的問題。自2014年以後，“格洛納斯”的衞星發射基本處於停滯狀態，沒有足夠的經費對該系統更換衞星，進行維護。
一直以來“格洛納斯”主要用於軍事用途，民用市場的佔有率不高，在民用領域的性能還不如中國的“北斗”，再加上“格洛納斯”在民用方面缺少計劃，毫無收益可言，沒有形成民用市場補貼研發的良性循環，而俄羅斯民眾一直使用美國的GPS，所以新一代衞星能否及時補充，還是一個問號。
還有一個鮮為人知的事實是俄羅斯能造火箭、大飛機，但是對電子元件真是束手無策，大部分電子元件都要依靠進口，即使是如今他們仍引以為傲的聯盟系列載人飛船，也大量依賴進口電子元件。
俄羅斯現役最大運載火箭為“質子-M”運載火箭
航天技術發展實際也經歷了機械化與信息化兩個發展階段。半個世紀前將阿波羅飛船送上月球的土星五號火箭，其地月轉移軌道運力迄今為止無人超越，但是45噸的阿波羅飛船的計算能力還不如今天的一部智能手機。
俄羅斯方面也承認，由於制裁造成外國配件不足，用於全球導航系統的“格洛納斯-K”衞星的量產遭遇麻煩，而俄羅斯尚未建成自己的配件平台。
新一代“格洛納斯-K”衞星難以量產
“格洛納斯”衞星外國配件佔比高的問題由來已久，但是在西方國際對俄羅斯實行制裁的5年來，俄羅斯一直未能研發出相應的國產配件。
俄媒此前就評論稱，“格洛納斯”系統的情況再次激化俄羅斯國內電子行業的老問題，單靠資金注入無法解決這些問題。俄羅斯需要全新的方法，包括與電子業領先的亞洲國家開展國際合作。
近日，俄羅斯的衞星生產巨頭——列舍特涅夫信息衞星系統股份公司，派出代表團來到中國航天科技集團九院165廠考察，目的是採購中國生產的高等級電子元器件。
中俄衞星導航系統合作 互為補充
相較於美國的GPS，北斗的覆蓋範圍還是受到制約，因為美國一直想盡辦法阻止中國在其他國家設置地面站，這也就限制了“北斗”在全球的高精度覆蓋面積。
北斗工程分為三期 覆蓋範圍逐漸增大
專家認為，對於中俄而言，合作的第一步當屬互建地面控制站，這些站點可以用來校準衞星信號——地面站的大地座標會被精確測得，然後與接收到的衞星信號座標對比，測出信號誤差，進而反饋給衞星系統校正。
至於“北斗”，它在中國大部分地區的定位精度已小於10米，未來若建成全球化衞星星座，那就必須在國外建地面站，而俄羅斯國土面積廣大，非常適合建立校準站。
“北斗”與“格洛納斯”的合作可以相互補填“盲區”。“格洛納斯”導航系統建立時間早，在覆蓋範圍上有優勢，定位服務範圍側重於極地和高緯度地區，地面基站數量較多，而北斗導航定位系統的服務範圍偏南緯度地區，只是在中低緯度精度水平較高。兩者合作可以互相“補盲”
在技術方面也可形成優勢搭配，“北斗”技術比較創新，例如獨有的短報文功能，“格洛納斯”技術較為成熟，具有相當強悍的抗干擾功能，兩者可以組合成理想的導航體系。中俄兩國作為“一帶一路”上的重要國家，雙方導航系統的合作也是起到示範效應。
中俄花費巨資建立獨立的衞星定位導航系統，很大程度上還是處於國防安全的考量，如今兩國探討衞星導航系統的合作，更是不能忽視國家安全的需求。
擁有自己的衞星導航系統，並不代表沒有後顧之憂，大國的“反衞星試驗”就為此埋下伏筆。2008年，美國海軍從其位於太平洋北部海域的“伊利湖”號巡洋艦上發射導彈，成功擊中一顆所謂“失控”的衞星，這也給各國敲響警鐘。
美國東部時間2008年2月20日22時26分 反衞星試驗
中俄兩國的衞星導航系統的合作在戰時可以起到相互備份的作用，中俄衞星定位導航系統通過相互兼容對方信號，將能提高可靠性。如果俄羅斯的“格洛納斯”衞星信號被幹擾或衞星被擊毀，用户可以接收中國的“北斗”衞星信號，反之亦然，這意味着兩國的定位導航安全得到“再保險”
中俄兩國共同生產導航芯片也是重要內容之一。在芯片領域的合作實際上是俄羅斯缺少相應的芯片製造能力，想通過與中國合作補齊短板。時任“格洛納斯”非商業集團總裁亞歷山大·古爾科就曾向媒體透露，俄羅斯和中國將建立合資企業，開發、生產、銷售支持世界三大導航系統——中國北斗、俄羅斯洛格納斯和美國GPS的新型導航接收機。
不過，共同開發的芯片不是用於智能手機，同時也不是用於高精度定位系統，它是用於遠程信息處理終端，在各類交通管理上使用。
俄羅斯方面希望將芯片的研製工作放在俄羅斯進行，生產和銷售由中國負責。因為俄羅斯目前沒有現代化手段生產含有40納米的接受機，中國在這方面的經驗是俄羅斯需要的。
中國實際上已具備導航芯片的製造能力，在中國衞星導航系統管理辦公室官網上，已經發布北斗全球信號射頻基帶一體化集成芯片第二輪測評公告，有五家企業將做為北斗全球用户終端製造的重要提供商。而華為海思從麒麟930開始，集成的Hi1101四合一芯片可以同時接收GPS、北斗和格洛納斯信號。
北斗全球信號射頻基帶一體化集成芯片第二輪測評公告中五家企業 來源：中國衞星導航系統管理辦公室官網
結束語
各大國發展自己的導航定位系統，軍事安全是主要考量。但是，除了美國的GPS，目前發展前景最好的還是中國的北斗。俄羅斯的格洛納斯雖然發展較早，但是由於經濟問題和元件問題，導致格洛納斯導航系統的正常運營都面臨困難。中俄衞星導航系統的合作，互為補充，兩個系統的合作可以互補“盲區”，在緊急的時候互為備份，保障通信安全。而且，中國在電子領域的產品與技術，也是俄羅斯目前的迫切需求。
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