東方修道遠，北斗定天恒（二）

三、加速向前的北斗二代

北斗一代其03星2003年底正式組網(wǎng)之后，2004年9月，北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設被批準實施,2007年發(fā)射第一顆測試星。

北斗二代星座，包括軌道高度36000公里的地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星5顆，和傾斜同步軌道(IGSO)衛(wèi)星3顆，還有軌道高度21500公里、平均分布在傾角55度的三個平面上的中圓軌道(MEO)衛(wèi)星27顆，一共35顆衛(wèi)星組成，均以國內可靠性最高的東方紅三號衛(wèi)星作為平臺，總投資預計600億元人民幣。

2011年12月27日上午10時，國務院新聞辦公室宣布北斗二代系統(tǒng)正式試運行，并發(fā)布了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件（ICD）測試版。

截止2012年底，北斗二代已經(jīng)發(fā)射了16顆星，除2009年的一顆因軌道漂移失效之外，其他的15顆星均處于正常工作狀態(tài)（G6在調試中），形成了5顆GEO+5顆IGSO+6顆MEO的部署狀態(tài)。

表1：北斗二代衛(wèi)星概況

可以看出，北斗二代的實施部署速度要明顯快于北斗一代，僅2012一年就發(fā)射了6顆，兩次是一箭雙星方式。其原因是多方面的：

1 根本上是國家財力的持續(xù)增長，為北斗二代提供了堅實的物質基礎。

2 北斗一代成功，起到了理論驗證、設計驗證和系統(tǒng)驗證的三大目的，技術可行性基本過關。

3 北斗一代實驗性系統(tǒng)的諸多劣勢，需要根本性改變，才能提高系統(tǒng)的商業(yè)可行性。

4北斗一代的壽命只有8年左右，01星和02星先后到期停止工作，2007年2月3日發(fā)射的最后一顆北斗-1D星意外失效，只有2003年5月25日發(fā)射的北斗1C一顆星還在軌工作。

5 與歐洲伽利略系統(tǒng)的競爭進入了關鍵階段。

中國的速度雖快，還是比不過美國，人家都快GPSIII了。要說咱們是小烏龜，那是因為美國是兔子；可要說咱們是兔子，那是因為歐洲是小烏龜啊，呵呵。

至此，北斗二代一期工程順利完成，從2013年開始，將為亞太地區(qū)提供免費高精度衛(wèi)星定位服務大體如下：

1導航定位服務。其精度為：到重點地區(qū)水平10米（一代是100米），高程10米（一代無）；其他大部分地區(qū)水平20米，高程20米；測速精度優(yōu)于0.2米/秒。

2012年4月，國家遙感中心副主任景貴飛介紹了武漢大學劉經(jīng)南院士團隊的成果，利用附加設備和專業(yè)技術，可以進一步將北斗二代的導航精度已從10米級提高到2米以內，并首次在專業(yè)領域達到GPS的厘米級——GPS附加專業(yè)級設備的定位儀，可以測試大壩厘米級別的壓力變形——那不是一般的牛啊。

2 授時服務：授時精度可達到單向優(yōu)于50納秒，雙向優(yōu)于10納秒。

時間標準，是一個國家的基準數(shù)據(jù)。金融、電力、廣播電視、航空、航天以及互聯(lián)網(wǎng)和電信等各種應用網(wǎng)絡設備的行業(yè)和部門，其服務器、交換機、路由器、終端等各種設備，需要通過時鐘校準方式進行嚴格的通信同步，否則就有可能造成數(shù)據(jù)傳輸故障甚至網(wǎng)絡癱瘓。因此授時服務的重要性，不言自明。

授時服務（timeservice）一般有四種模式，短波授時（電臺發(fā)播時間信號，簡稱時號），長波授時（精度高于短波授時）、網(wǎng)絡授時和衛(wèi)星授時。衛(wèi)星授時的范圍最廣、精度最高，是目前廣泛采用的授時模式。無論哪種授時模式，都依賴于高精度原子鐘。兵器迷再賣個關子，咱后邊詳述。

根據(jù)總參謀部命令，2010年4月29日16時00分00秒，解放軍標準時間通過北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)成功發(fā)播并正式啟用。2011年5月，總參測繪局基于北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行授時的第一款“軍用標準時間表”，順利通過了相關軍地專家的全面鑒定和評估.

圖6

北斗二代軍用時間表

到2020年，中國將繼續(xù)完成后續(xù)星發(fā)射任務，導航系統(tǒng)服務范圍將達到全球范圍，導航定位精度將提高，全球區(qū)域達到水平5米，高程8米。

北斗二代將基本消除北斗一代的四個劣勢，同時短信通信優(yōu)勢依然存在，而且GEO衛(wèi)星數(shù)目增加到5個，短信用戶容量會大大增加。不過任何通信衛(wèi)星都始終存在信道限制，短信容量不可能無限制增加，通信優(yōu)先權勢在必行。

表2：全球定位系統(tǒng)概況說明

于此同時，北斗二代的終端，也開始向小型化趨勢發(fā)展。從磚頭到手機，這個意思…那還是很有意思滴，呵呵。

圖7

北斗小型化手持機

四、北斗二代的幾個問題

為什么其他國家的定位系統(tǒng)都是MEO（中圓軌道）星，而北斗二代要用GEO（地球同步軌道）和IGSO（傾斜同步軌道）星？

——前面談過，美、歐、俄的地面站都是全球部署，對于MEO星的軌道測控覆蓋率能達到80-100%，即基本上是全弧段測控。中國沒海外殖民地，其他國家又要聽美國的招呼，美國不點頭，就不接受中國海外布站——啥叫軟實力，這就叫軟實力。因此中國國內站點對MEO星只能跟蹤40%。

根據(jù)天文學理論，我們如果知道天體軌道上三個點的數(shù)據(jù)，就可以推測出其運行軌道，當然可測量的點越多，而且越是不同弧度上的點，軌道數(shù)據(jù)計算越準確。如果北斗二代全用MEO星，那么其他60%弧段的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)我們就只能根據(jù)理論去外推，再加上我們的星載原子鐘精確度低于歐美，衛(wèi)星軌道測量精度不足，定位精度會受影響。

北斗人琢磨，沒有足夠的海外站，沒有高精度原子鐘，又要設計全球高精度定位系統(tǒng)——Mission Impossible啊。

最終，這還是沒能難倒北斗人。

首先，北斗二代采用了GEO星，且5顆星全密布在東經(jīng)58.5度到東經(jīng)140度這一段中國領土上空，可以實現(xiàn)100%測控。而且還能當作短信數(shù)據(jù)的通信衛(wèi)星使用。

然后，又采用了3顆IGSO星（一期MEO不足，IGSO又多加了2顆為5顆），3顆IGSO衛(wèi)星，軌道最北到北緯55度，形成8字形的南北運行軌道，保證了接近80%的軌道測控率。

這兩類星座的高測控率，使得北斗二代整體的精度控制大大提升。GEO+IGSO+MEO星座，是中國定位系統(tǒng)的模式創(chuàng)新，它最大限度的降低了中國缺少全球布站和高精度原子鐘對高精度軌道測量的影響，是非常值得書寫的一筆。

GEO星座的好處說完了，其中的不足也要說清楚——兵器迷從來都是中庸派，過激的言論，或者明明知道不足，卻報喜不報憂，那不是咱的調調兒。

GEO地球同步軌道是一個非常寶貴的資源，幾乎所有廣播通訊衛(wèi)星和很多其他專業(yè)衛(wèi)星都擠在上面，很容易出現(xiàn)問題。因此國際電信聯(lián)盟ITU規(guī)定：GEO軌道衛(wèi)星一旦偏離0.1度，就必須進行軌道調整。但是軌道微調期后，為了獲得新軌道的精確定軌數(shù)據(jù)，需要觀測2-3天的數(shù)據(jù)，這期間這顆衛(wèi)星就不能用于定位了，即出現(xiàn)工作斷點。

解決的辦法，一個是增加備份星，你調軌的時候我頂上去。另一個就是研究快速定軌方法，減少斷點時長。中國人正在這個方法上卯足了勁研發(fā)，希望能夠早日聽到好消息。

北斗二代原子鐘的進展如何？

——前面說過，衛(wèi)星定位系統(tǒng)兩大核心功能，即可定位服務和授時服務，都基于高精度星載（和地面）原子鐘。

原子鐘主要有銣鐘、氫鐘和銫鐘三種，其中最精確的是氫鐘。世界上最準確的氫鐘，設在美國科羅拉多州博爾德國家標準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內，1999年建成，誤差為2000萬年不到一秒——最好的東東咋都在美國呢，真是不服不行。目標有了，中國人加緊趕吧。

歐美用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的星載原子鐘，精度一般能達到10的13次方，大約就是百萬年差一秒。

根據(jù)1991年1月11日的《人民日報》報道，中國計量科學研究院研制的銫原子基準鐘，其精確度相當在十萬年誤差1秒。與國外相比，中國產(chǎn)品在可靠性、長壽命、重量等指標上還有差距，而且高精度氫鐘還是空白。改革開放后，中國曾經(jīng)從美歐洲進口高精度原子鐘，價格上百萬美元一臺。而且北斗一號系統(tǒng)開始研制后，國外也就立刻宣布對中國禁運了。

看見了嗎？天價賣給你，這叫對華友好；出多少錢也不賣，這叫防范中國威脅。

什么是遏制？這，就是遏制。

2012年10月17日，航天二院203所研制的兩臺高精度星載銣鐘電性件，通過有效載荷總體的驗收，將用于北斗二代二期導航衛(wèi)星。精度也達到百萬年差一秒。國產(chǎn)銣鐘的長期頻率穩(wěn)定度指標提高了5倍以上，重量降低達30%以上，減輕了衛(wèi)星的負荷；產(chǎn)品壽命從8年提高到12年以上。

看見了嗎？你給我免費用，我要發(fā)展北斗；你卡我的脖子，我也要發(fā)展北斗，而且還要做成。

什么是志氣？這，就是志氣。

北斗衛(wèi)星的抗干擾情況如何？

——干擾與反干擾，是衛(wèi)星通信的基本課題，在現(xiàn)實中也不乏實例。比如，2002午大陸“鑫諾”一號通信衛(wèi)星曾被法輪功成員從臺灣發(fā)射電波予以干擾蓋臺。GPS定位信號的干擾與反干擾之爭，更是道高一尺，魔高一丈。

首先，美國GPS在發(fā)布定位信號時，對民用信號就加了人為干擾。一開始，GPS軍用P碼定位精度是16米（目前是6米），民用C/A碼是25-100米（目前是12米）。所以，為了獲得高精度信號，就要進行干擾誤差矯正，即差分GPS（DifferencialGPS）。原理也很簡單，就是在一個已經(jīng)精確測量過經(jīng)緯度（設位置數(shù)據(jù)為A1）的固定地點，以1個C／A碼用戶接收器接收GPS定位信號（設位置數(shù)據(jù)A2），將A1與A2進行比較，其中的誤差就是“GPS定位誤差差分量”。將這個差分量傳播出去，供該地區(qū)GPS用戶進行定位修正。如此，定位精度提高約10倍之多。中國在差分GPS上下過很大的功夫，國內有20多個差分站，可以將精度提高20多倍，比如100多米精度的定位信息，差分后最多誤差不超過5米，還是很有水準的，呵呵。

再有，就是GPS干擾設備。一般來講，GPS干擾機的干擾距離，與制導武器的定位階段有密切關系。比如，在導彈剛開始獲取GPS信號的時候，100瓦GPS干擾機的影響距離可以達到960公里以上。如果在運行時途跟蹤GPS信號的過程中，100瓦干擾機的干擾距離就下降到45公里。

有看官問了：那么，干擾GPS信號之后，對精確制導武器的影響究竟有多大呢？

據(jù)外電報道：1996年臺海危機的時候，二炮曾向臺灣近海發(fā)射彈道導彈。二炮部隊的訓練，在所有部隊中，也是極其嚴格的，發(fā)射的導彈又是性能穩(wěn)定的高精度導彈。第一枚就打出了精度較好的成績。但是，第二枚居然差了2.6公里，令人驚詫不已。后來才發(fā)現(xiàn)，美國就在那個時刻對中國東部沿海的GPS信號進行了干擾，目的是對比測試中國導彈部隊對GPS的依賴性。兵器迷分析，雖然中國導彈當時未必直接采用GPS進行制導定位，但是部分進口裝備的時鐘校準仍有可能采用的是GPS授時信號，因此誤差急劇上升。

2012年官方報道稱：雖然正在大力推廣北斗定位系統(tǒng)，但由于部分進口裝備預裝GPS模塊，中國軍方仍未強制禁止在軍中使用GPS信號——革命尚未成功，北斗仍需努力??！

目前，俄羅斯的GPS干擾機貨物美價廉，網(wǎng)上都采購到。一個3-10公斤（不含電池）的100瓦干擾機不到5萬美元，能對美國現(xiàn)有GPS系統(tǒng)的四個頻段實施有效干擾。2003年3月24日美伊戰(zhàn)爭期間，美國國務院就曾抗議莫斯科航空轉換公司出售GPS干擾設備，導致美方精確制導武器失靈。老毛子的買賣認錢不認人，中國人要留點神啊。

由于美軍的精確制導武器對GPS的依賴性很大，因此非常重視GPS信號的反干擾。大力開發(fā)了具有90分貝抗干擾性能的GPS接收機。同樣對于100瓦的干擾機，其干擾距離減小到定位初期4800米，定位跟蹤期480米。美國2005年入役的第二代JDAM導彈，已經(jīng)裝備了這樣的抗干擾GPS接收機。不過，美國現(xiàn)役和庫存的大多數(shù)導彈，抗干擾信噪比僅在54分貝左右——要不咋打那些小國，制導武器可勁鬧呢，消耗庫存啊，呵呵。

現(xiàn)在回來說咱的北斗，北斗在設計上，也考慮了很多抗干擾的手段：

技術體制：是抗干擾能力較強的CDMA擴頻技術，也有備用頻率。北斗一代的上行頻率1610—1626.5MHz，下行頻率2483.5-2 500MHz,北斗二代的頻率有所調整，但仍然是上行L頻段，下行S頻段。因此，干擾方依然仍可使用全頻帶干擾機，針對L和S頻段進行全面掃描干擾。這并非難事，目前臺灣陸軍電子戰(zhàn)連級單位即有此干擾能力。

信號增強：采用技術手段，可以進行特定地區(qū)定位信號的功率增強，不過，根據(jù)解放軍信息工程學院對北斗二號一期定位信號的測量，總體上信號強度優(yōu)于GPSII, 但仍有部分地區(qū)的信號增強能力不足，比如天津地區(qū)，只有15分貝左右，不如GPS的30分貝。期待二期工程的改進吧。

頻率選擇：北斗二代衛(wèi)星的上行和下行頻率，與美國GPS和歐洲伽利略系統(tǒng)靠的都比較近，如果干擾方用全頻段阻塞干擾北斗信號，勢必對后者也有一定的影響。這種你中有我，我中有你的頻率設置方式，另對手有投鼠忌器之感。

圖8

GPS/伽利略/北斗衛(wèi)星頻率譜（維基百科）

為什么說北斗二代的商用化工作仍有困難？

前面說過，北斗一代的設計用戶規(guī)模為54萬戶，最大用戶為80萬。實際上用戶最多的時候，只有7萬。北斗二代和GPS一樣，不限制用戶數(shù)，但現(xiàn)在也只有11萬用戶。這些用戶，主要集中在國防、漁政、水文、交通和森林防火等部門。在這些部門里，北斗系統(tǒng)的使用占到30%左右。

大家可以看到，其實主要用戶都是官方用戶。

即便有一些私人用戶，也大多是官方補貼的結果，因為終端非常貴。比如2011年，海南省有關部門拿出6000萬元，為該省的3000多艘漁船裝上了北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，除去系統(tǒng)設備，船用終端1萬元，漁民出1200元，剩余的8800元和以后所有的運行費用，全部由政府負責——今年黃巖島爭端，上午8點出的事，下午5點“海監(jiān)75號”和“海監(jiān)84號”就到了，漁民發(fā)送北斗短信報文“發(fā)現(xiàn)菲律賓2艘軍艦向我駛來”這幾個字，功不可沒。

北斗的終端貴，所以用戶少?？煞催^來說，也是因為用戶太少，所以終端才貴啊。

其實，中國在北斗二代上的投入，預計是600億人民幣；美國GPS一期的投資，300億美元（1994年的價哦），北斗系統(tǒng)投資其實并不算貴。今天，你看GPS終端便宜，美國市場不到10美元就買一個。可是人家在這個領域拔的頭籌，現(xiàn)在有上億用戶啊，當然便宜。它剛出來的時候，比咱還貴哪：上世紀90年代中期，李嘉誠先生之子李澤楷專程從國外帶來GPS車載終端送給北斗研發(fā)部門。多少錢？——5萬元。

官方報道說：如果北斗二期能占到70%的國內市場，一年就有500億元的收入。

兵器迷認為，這樣的宣傳，不夠全面。因為：中國的衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速，但95%的應用都已經(jīng)建立在美國GPS之上——國內市場這個大餅，95%已經(jīng)在別人肚子里了，你到哪去爭那70%?況且北斗的芯片價格是GPS的數(shù)倍，終端價格更是貴十倍以上，搶占市場，談何容易？

GPS的優(yōu)勢，是明顯的：在全球，不但有上億的客戶和免費服務的模式，還有開放的民用碼接收技術，上千家GPS終端廠商，2000多項基帶芯片專利，低廉的終端價格。

這些北斗二代都沒有。

由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件（ICD）測試版已經(jīng)公開，國外廠家將攜強大的技術實力和資金實力研發(fā)北斗終端機芯片，對剛剛起步的國內北斗系統(tǒng)民用開發(fā)廠商形成壓頂之勢，試圖讓中國出現(xiàn)一個“有機無芯”、“國星外芯”的衛(wèi)星定位產(chǎn)業(yè)。

當然，我們還有機會：

2011年12月31日，科技日報報道，北斗多模導航基帶及射頻芯片國產(chǎn)化現(xiàn)已實現(xiàn)，尤其值得一提的是，中國人自己的應用處理器也在北斗多模導航芯片中得到規(guī)模應用，芯片目前已流片近十萬片。

2012年11月17日，中國新聞網(wǎng)報道，中科院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心主任葉甜春表示，目前中國已有數(shù)十家企業(yè)正在推出北斗芯片產(chǎn)品，預計一年左右時間內，北斗芯片價格就將降到和GPS芯片差不多的水平。

機會沒有死，進步在持續(xù)。

但為了最終拿下這個市場，我們仍然需要更多的資金投入和技術研發(fā)和政策支持，以及最重要的，我們仍然需要時間。

兵器迷費了這許多功夫，給大家擺龍門陣，目的是什么？

明年，北斗二代就會正式提供公眾定位服務了。兵器迷衷心的希望，大家作為中國軍迷，能伸伸手，幫我們的北斗一把。有車的能否買個北斗終端，手機能否裝個北斗客戶端軟件哪怕是付費的?；蛘?，最起碼的，能否向身邊可能購買定位產(chǎn)品的人，宣傳一下咱們的北斗二代？

它不夠好，它比較貴，它很年輕。歸根到底，政府應當擔負最大的推廣責任。

沒錯。

但是，這是我們的驕傲，這是我們的期望，這是我們的力量。歸根到底，這是我們的北斗。

對嗎？

回首昨天北斗二十多年的艱辛歷程，看看今天北斗二代一期的可喜成果，期盼著明天北斗二代二期的建成和繁榮，兵器迷的眼前，再一次浮現(xiàn)出那些為了中國衛(wèi)星定位事業(yè)，貢獻了和貢獻著自己智慧、勇氣和力量的北斗前輩們。思緒所及，欣然命筆，小題做結：

廿載司南夢，今朝業(yè)競成。

東方修道遠，北斗定天恒。

謹以此文向中國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的開拓者致敬

注：所有資料來自于互聯(lián)網(wǎng)公開報道

本文引用了龍出中華和中軍網(wǎng)上傳的圖片，在此一并致謝！

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