北斗三号组网在即，回顾7年前的旧文_风闻

今年7月以来，我国已发射了8颗北斗三号组网卫星，北斗卫星发射累积数量已经达到40颗。作为“北斗”导航的“完全态”，北斗三号系统将于年底前完成全球组网。此时翻出7年前的旧文，一方面是对导航系统的科普，另一方面也可以从中看到中国的快速进步。下为原文：

《大国导航——北斗二代系统的历史意义》

2011年12月2日，第十颗北斗导航卫星发射入轨（不含此前4颗试验导航卫星）。凭借这一网络，从12月27日开始，第二代北斗卫星导航系统向中国周边地区提供连续导航服务。从规模和技术水平看，中国卫星导航能力达到了美苏冷战末期的发展水平，补上了超级大国不可缺少的一门“必修课”。从近年发展速度来看，北斗系统的发展速度世界第一，将在十年内完成全球组网，压倒除美国之外的所有国家，成为和GPS系统平起平坐的世界性卫星导航系统。

第一代卫星导航

（1 ）美苏争霸　　

1957年，苏联发射了人造卫星，按照预定轨道环绕全球，同时向全球发射了供测控的无线电信号。卫星导航几乎克服了以往导航技术的全部缺点。

卫星因为可以按照预定频率、方向发射无线电波，而不仅是可见光，解决了恶劣天气下导航难题，而通过多颗卫星组网，可以组成真正覆盖全球的导航网。并且卫星导航的接收方可以从电波中推算自身位置等信息。也就是说卫星平台下，可以全球范围内各种条件下接受导航。

所以，在第一颗卫星发射后不到1年，美国第一颗人造卫星发射的同时，美国就开始研制第一代卫星导航台——NNSS系统（美国海军导航卫星系统）。1960年，人造卫星仅仅出现了3年，美国就发射了第一颗“子午仪”卫星（因沿子午线飞行而得名）。到1967年，美国海军已经拥有了了6颗“子午仪”卫星，初步完成了全球组网。

冷战的另一方苏联从1965年开始连续发射导航卫星，组成了12颗卫星的导航体系(CICADA系统)。为世界提供了另一套第一代卫星导航系统。

1967年，美国开放了卫星导航数据，全世界的船只都立刻接受了新的技术。卫星导航用户迅速增长到10万左右，包括大部分世界远洋货轮。卫星技术在出现后不到10年内就对民用经济产生了显著的促进。（2）北斗一代　

中国发射第一颗人造卫星在1970年，比美苏晚了10多年。所以，美苏第一代卫星导航体系开始运行的时候，中国的航天发射能力和测控技术还远不足以满足卫星导航体系的需求，只能被动地使用别国的卫星导航。当时中苏关系紧张，中美关系缓和，所以中国的船只、探险队大多使用西方技术，追踪美国的卫星信号定位。

直到21世纪的第一年，中国在冷战后的新局面下才开始建立本国的卫星导航系统——北斗导航。不过，由于资源相对有限，从2000年10月到2007年2月，中国一共只发射了4颗导航卫星，分布在较高的同步轨道上，采取双星定位方式导航。

定位一个点需要三个坐标，三个方程，两个卫星提供的瞬时数据显然不够用，所以北斗系统要在预先设定的电子地图上读出高程信息才能使用。这意味着卫星和用户之间不是单向的发送——接收关系，而是要进行双向沟通。

因此，虽然北斗系统利用了几十年来计算机技术的进步，要胜于美苏第一代卫星导航系统，但这一系统存在如下问题：第一，限于卫星数量，只能对中国及周边地区进行导航；第二，作为军民两用的系统，导航和军事要求的静默之间存在冲突；第三，双向沟通效率较低，不适用于快速移动的目标。

不过,从建设之初起，北斗系统（一代）就被定位为一个验证技术，积累经验的试验性工程。在北斗系统的最后一颗实验性卫星上，中国安装了用于精确定位的激光反射镜，为下一代导航卫星网的部署做好了准备。

第二代卫星导航

（1）一代卫星导航的不足

第一代卫星导航网虽然是划时代的进步，但也存在许多不足。第一个问题就是卫星数量不足。不管是美国还是苏联，实际上都只能连续覆盖地球一部分交通繁忙的地区，卫星对高纬度地区的覆盖率不够。

卫星数量进一步限制了导航原理——导航对象同时只观测一颗卫星，根据卫星和自身的相对运动轨迹来判断自身的位置。结果，精确的定位往往要持续一段时间才能做出。在这期间，导航对象的运动就不得不被忽略，这给导航精度带来了很大的误差。高精度的定位必须在停止运动的情况下才能做出。

而且，当时无线电信号处理能力较差，多颗卫星之间信号很可能相互干扰，因此不能简单增加卫星数量。还有像原子钟精度、轨道测定精度都会限制卫星导航的精度。简而言之，第一代卫星导航还不能完全取代传统导航，直到第二代卫星导航网出现。

（2）二代卫星导航的前提及优势

第二代卫星导航网自70年代末开始组建，依然是美苏各建一套。美苏各自于1979年和1982年发射了自己的第一颗二代卫星。美国的就是我们熟知的GPS（Global Positioning System 全球导航系统）。苏联的简称为a，即俄语全球导航系统的缩写。

第二代卫星导航网能够出现，技术前提是美苏强大的航天发射能力。基本的全球导航网至少需要18颗卫星来维持，再加上必要的候补卫星，同时要有近30颗卫星在轨，才能可靠地对全球99%以上的地区提供导航信号。而且卫星会老化，卫星轨道会因为顶层大气的摩擦而变形，每年都要发射新的卫星来更新系统。美苏光是为了技术验证，就各自发射了十多颗作为消耗品的人造卫星。从技术定型到勉强组网，苏联（俄罗斯）足足发射了54颗卫星。如果做不到批量生产卫星和火箭，做不到高频率的航天发射，那么不要说建设全球卫星导航网，就连维护都做不到。90年代的俄罗斯就差点因此把格洛纳斯系统报废。

如此之多的导航卫星，可以在天空没有遮挡的情况下，保证地球上的用户任何时候都能接收到来自四颗卫星的信号。每个信号源都可以测出从卫星到用户的时间，再乘以光速（无线电波的速度）就是到卫星的距离。根据简单的数学原理，两个球面交汇于弧线，三个球面交汇于点。所以同时取得三个卫星信号就能够确定任何一点的坐标。为了保证用户的时钟和卫星时钟一致，第四个卫星信号可以用来校正系统时间。于是4个卫星信号就可以保证高精度的定位。再通过对卫星信号变化率的测量，用户就能知道当下的运行方向和速度。

卫星的轨道数据随时是预先设定好的，但也在缓慢变动。所以，任何一个时刻卫星的位置也是个变量。为了保证三个“球面”的球心位置准确，卫星发送的导航信号实际上是一段内容丰富的电文，向用户随时通报卫星的位置。卫星本身本身不具备计算能力，所以分布在全球的测控站必须随时监测卫星的运行，根据各种环境的微小变化来计算轨道，再把轨道信心传递给卫星，由卫星传送给用户。在计算中，地球各部分引力的微小变化、太阳活动对电离层的影响、甚至卫星高速运动带来的相对论效应都必须纳入考虑。如果没有丰富的地球物理数据以及强大的计算、通讯能力，卫星导航的数据很快就会被误差淹没。所以，只有少数国家能够开发导航卫星。其中能筹建到足够的资金、组织足够发射能力的国家就更少了。

冷战的结果是苏联解体，美国全胜，所以真正能够提供稳定服务的全球导航系统，几十年来只有GPS一种。俄罗斯继承了苏联的格洛纳斯体系后，一直不能正常地建设维护，可用卫星一度不到10颗。直到近年石油价格高涨，普京才能调集足够的资源来重建卫星导航体系。2007年，俄罗斯造出了合格的格洛纳斯车载信号接收机。去年12月，格洛纳斯卫星达到了设计中的24颗在轨数量，2012年1月，俄罗斯终于可以宣布格洛纳斯系统正式运营。和北斗系统开始导航服务的时间几乎相同。

（3）诸强的导航开发　

另一套名声在外，却迟迟不能运营的第二代卫星导航网络是欧洲的“伽利略”系统。1993年，冷战刚刚结束，不甘心做美国附庸的欧洲就开始策划自己的导航体系。2000年，欧盟提出了初步实施计划。当时中国的军工和航天工业正处于发展低潮期，因此中国曾和许多第三世界国家一起参与“伽利略”计划，试图通过“入股”的方式获得美国之外的卫星导航服务，也从中分享欧盟的航天、通讯技术。

不过，和欧盟大部分决策一样，宏大的计划总是一拖再拖，造价一涨再涨。目前，伽利略系统的预算已经从70亿欧元增加到200亿欧元，预计中2002年即开始试运行的的卫星导航系统，到了2012年还是见不到影子。所以中国早早地放弃了和欧盟的合作，自行开发第二代“北斗”导航卫星。直到2011年10月21日，伽利略系统才迎来了第一次正式航天发射——两颗由俄罗斯火箭搭载的导航卫星（此前曾有试验飞行）。在欧洲各国普遍陷入债务危机的背景之下，伽利略系统能否在新的期限上——2020年完成组网，世界舆论普遍持不乐观的预期。

在美、欧、俄之外，值得一提的卫星导航计划还有日本和印度的导航计划。日本尽管在军事上是美国的附庸，但基于雄厚的经济实力，还是提出了一个由7颗卫星组成的区域导航计划。只是日本实际上缺乏可靠的航天技术，制造导航卫星的技术也不足，只能抄袭美国的GPS技术。从效果来看，日本这一计划的唯一优点只是增加了日本上空的GPS卫星密度，避免高楼林立的城市地形遮挡信号。争夺国外导航市场的能力很差。迄今为止，日本只发射了一颗实验性导航卫星。

印度一向自诩为世界大国，也不甘心把导航这个军事-经济命脉交到别国手中。2006年，印度就做了一个2009年开始实施的区域卫星导航计划，只是直到今天，印度还没有一颗哪怕是实验性的导航卫星上天。估计这一计划会像印度开发了40年的“阿琼”坦克一样成为永恒的传奇。

北斗的价值

中国的全球导航计划起步晚，底子差，一度还托庇于欧洲的“伽利略”计划下寻求分享技术。但中国毕竟是美苏之外唯一拥有独立航天工业体系的国家，近年来，随着中国工业规模的扩张，经济实力指数化的快速增长。中国在卫星导航领域逐渐进入领跑世界的第一集团。已经实施到一半的二代北斗导航计划，无论在规模还是导航精度上，都和美俄的导航体系相当，甚至有所超越。

按照规划，北斗二代系统包括5颗同步卫星，3颗倾斜同步卫星和27颗中轨道卫星。采取和GPS类似的原理，即4颗卫星同时定位、授时。免费信号的误差可达到10米以内，测速误差小于0.2米，授时精度小于50纳秒。

不用说，这样庞大的工程，再加上遍布全球的测控网，投资必然是一个天文数字。美欧类似的工程都需要上百亿美元（欧元）才能完成。但不论是美国的GPS、欧洲的“伽利略”、俄国的“格洛纳斯”还是中国的“北斗二代”，都在建成后，或是宣称建成后要向全球开放信号，免费提供导航服务。从整个世界的角度来说，这显然是耗资巨大的重复建设，是对资源的巨大浪费。过去的30年，在美国垄断最精确卫星导航体系的情况下，中国先是使用美国的“子午仪”卫星导航信号，继而免费享用GPS信号，都没有受到任何干预，为何中国还要花费巨资来建设维护二代“北斗”系统？

首要的理由显然是军事安全。

迄今为止的卫星导航系统，虽然都能发挥民用效益。但追根溯源，初始动机都在于军事用途。美苏（俄）的两代卫星导航体系都是冷战产物不必赘述，欧洲的伽利略系统，本身就是“欧洲独立防务计划”的一部分。印度的卫星导航计划是由空军推动的，日本的卫星导航计划，既可以看做日本军事“复兴”计划的一部分，也可以视为美国战略重心东移的一个辅助性计划。

各国争相发展卫星导航体系的原因是军事技术的进步。第二次世界大战以来，武器的射程、航程、火力、机动性都有了巨大的提高。原本被地理空间割裂的不同战区被连通为一个全球战场。如果没有统一、可靠的导航体系，再多的军队，也无法发挥数量优势协同作战，必然会被各个击破。

就是从发扬火力的角度说，火力=射程×破坏力×准确率。在导航系统的精确制导下，武器所能发挥的威力显然也更大。

对小国来说，反正开发不起，而大国基于军事安全，显然不能一厢情愿地依靠他国技术支持。事实上，现有的民用GPS导航信号正是2000年美国放宽GPS导航标准，允许民用用户分享一部分美军的精度的结果。美国能够放出高精度信号，也可以在必要时有选择地屏蔽信号，瘫痪对方的军事调动。中国如果没有自己的全球导航系统，就不可能对抗美国的军事霸权。

从纯粹的经济角度来说，卫星导航系统也同样和巨大的利益相关。美国区分军民信号的模式意味着在免费的普通精度信号之外，还可以有偿出售高精度信号，这当然就能产生巨大的利润。甚至在将来，不排除除了航空、测量需要有偿购买高精度信号，就是一般的生产生活也都因为智能化而有偿使用更高精度导航信号的可能，如果都使用他国导航系统，其中的利润也将拱手送人。

当然，眼下的智能化还没有发展到那一步，但各国都在研究新一代技术。美国的新一代卫星定位系统Block III 目前已处于装配调试阶段，计划于2014年发射。未来将有70-90颗美国卫星来取代现在30颗卫星的GPS系统。这意味着天空将越来越“拥挤”。在重要的同步轨道上，为了避免卫星相互干扰、撞击，卫星必须有一定的安全间距。尽早发射导航卫星，不仅是技术积累的需要，也是“占位”的需要。此外，为了便于制造卫星和地面沟通的通讯设备，占有合适的通讯频率也可以节约许多投资。按照联合国国际电信联盟的规则，卫星频率的使用权属于先发射的一方。中国北斗系统抢在欧洲伽利略系统之前发射导航卫星，实际上已经占有了一部分本由欧洲申请的通讯频段。所以，卫星导航系统的发展越快越好。

“天象”与国运

古人云：“一代兴亡观气数”。所谓气数，很大程度上要通过天象来反映出来。这当然是神秘主义的牵强附会。但在人类能够发射卫星，改变“天象”的现代社会，卫星导航体系这种“天象”的确能否反映出大国的兴衰。

正如前面谈到的，卫星导航系统是一个庞大的系统工程，需要航天、材料、机械、精密仪器、通讯等多个行业天文数字的投入，财政紧张、技术落后的国家不可能负担的起。反过来说，大国的经济、政治必然会受到全球各种因素的影响，需要用可靠的全球导航体系来保证全球军事、航运的需要。所以，国家兴衰和卫星导航网络的建设互为表里，往往一荣俱荣，一损皆损。

比如说，前苏联组建卫星导航网的时候，国力正处于顶峰，每年可以进行100多次航天发射，间隔平均只有三天。马岛战争期间，为了从这场导弹时代的第一次海空大战中吸取经验，苏联在69天内连续发射了22颗卫星。所以苏联能在起步落后于美国的条件下，率先实现第二代卫星导航体系组网试运行。

1991年苏联解体，俄罗斯国力一落千丈，本来预定于93年完成的第二代卫星导航系统因此拖到2012年才完成。客观的说，这一成就很大程度上是普京为恢复国民信心而进行的“面子工程”。因为俄罗斯已经丢掉了前苏联的大部分海外利益，可用的海军舰艇数量从1500艘跌落到50艘左右，中国的卫星工业源于苏联的技术援助，直到1970年才发射卫星。从70年代到90年代，中国一直依附于美国的卫星导航网来进行远程定位。这体现的是中国工业-军事实力相对薄弱的事实。从硬件上说，当时的中国在超级大国主导的国际秩序中无法真正独立，必须和至少一个超级大国合作，出让一部分利益，才有机会和平发展。直到最近一两年，中国的制造业产值、发电量都超过了美国，航天发射次数和美国持平，让债务危机中的欧洲低头求助。在这个背景下，中国的北斗系统出现了跨越性发展，超越了欧洲这个学习对象，也即将赶上曾经的老师俄国，和美国竞争冠军的位置。可见，卫星导航系统既是大国争霸的工具，也是国家实力的标志。天空中闪耀的“北斗”星座，是21世纪中国最值得自豪的东西。

2012年刚一开始，美伊（朗）关系紧张，三艘美国航母集结到了波斯湾周围。美国一面演练打通重要海峡运油的军事行动，一面酸溜溜的抱怨：“美国保持全球海洋的和平，中国是最大受益者”。客观来说，这句话也有几分道理。冷战后期，在苏联咄咄逼人的攻势下，美国被迫把中国拉入自己的冷战体系对抗苏联。中国和西欧北美出现了史上最密切的军事合作，中国一度号称“北约的编外成员国”。经济方面，西方国家向中国开放市场，转让技术，在西方获得廉价产品的同时，这一经济模式客观上也促进了中国的经济发展。在中美欧合作的大环境中，中国免费利用GPS导航信号，能够入股欧洲“伽利略”导航体系，也是冷战带来的发展“惯性”之一。

不过，大国之间的“善意”必然是基于利益考虑。美国把中国拉为盟友，前提是有苏联这个更强大的对手。中国在冷战后继续接受西方的产业转移，前提是中国的实力还不够强，无论在经济上还是军事上都不能威胁西方主导的世界体系。21世纪进入第二个10年后，俄罗斯的长期衰落已成定局，中国变成了世界最大工业国，独立开发了第四代战斗机和反卫星武器，和非洲等资源产地发展了密切的合作。所以美国的战略重心开始向东亚转移，计划在其他地区抽出实力，重点压制中国的崛起。在新的局势下，可以预料，已经被中国人习惯的GPS信号也不会再是可以安心使用的免费服务。中国开发北斗，既是国力的体现，也是下一步发展的必须。