“北斗”与“格洛纳斯”合作的背后-科工力量
【文/科工力量专栏作者 柳叶刀】
8月30日，中俄卫星导航重大战略合作项目委员会第六次会议在俄罗斯喀山举行，经双方确定，《中华人民共和国政府和俄罗斯联邦政府关于和平使用北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统的合作协定》即将生效。该协定作为中俄卫星导航合作的重要政府文件，将为两国卫星导航领域合作提供法律和组织保障。
现场发布了中俄卫星导航系统全球信号多模多频射频芯片，并就跨境运输、检测评估领域等后续合作进行深入探讨，共同开展芯片联合研发等应用合作项目商业前景分析。
会议现场中俄卫星导航系统全球信号多模多频射频芯片发布 来源：中新网
据媒体报道，按照《合作协定》，中俄两国将至少在对方境内部署3个卫星导航系统地面站，中国境内的“格洛纳斯”站将部署在上海、乌鲁木齐、长春。俄罗斯境内的“北斗站”将部署在奥布宁斯克、伊尔库茨克、勘察加彼得罗巴普洛夫斯克。
中俄太空合作的历史渊源
中俄两国之所以能够在太空领域深入合作，是有历史根源的。苏联是中国航天的启蒙老师，上世纪50年代，苏联就向中国提供了相关技术援助。冷战结束后，继承了苏联遗产的俄罗斯，虽然太空实力比苏联时期大为下降，但是毕竟拥有苏联时期积累的经验与技术。出于共同应对美国和北约的压力，1992年，中俄两国签署政府间太空合作协定。2000年，双方成立中俄航太合作分委会，开展太空领域的合作与交流，并定期举行会议。
近年来，中俄太空领域的交流，卫星导航合作成为了重点。2014年7月，中俄双方正式签署卫星导航合作谅解备忘录，标志着“北斗”和“格洛纳斯”的系统兼容开始启动。
2015年1月，成立中俄卫星导航重大战略合作项目委员会，建立起政府间推动“北斗”与“格洛纳斯”两系统深度合作的平台和机制，建立兼容与互操作、增强系统与建站、监测评估、联合应用4个工作组。
同年5月，两国签署了《中国北斗和俄罗斯格洛纳斯系统兼容与互操作联合声明》，兼容与互操作正式的提出标志着双方导航系统的合作进入了实质化的发展阶段。
广泛深入的合作是需要建立相关法规提供制度上的保障，所以在2018年11月，中俄两国又签署了《中华人民共和国和俄罗斯联邦政府关于和平使用北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统的合作协定》，该协定就是在制度层面提供依据。
众所周知，全球导航系统，除了中国的“北斗”与俄罗斯的“格洛纳斯”，还有美国的“GPS”和欧盟的“伽利略”，当然日本和印度也发展了自己的“准天顶”系统与印度区域导航卫星系统，这只能算区域性质的。这些系统中，美国的GPS应用最为广泛。
2019年9月2日06时 四大导航系统各自卫星分布情况
美国的GPS极不安全 各国被迫发展自己的导航系统
本来全球的导航系统不用这么复杂，直接使用美国的“GPS”就行，但是美国有自己的“小算盘”。
GPS建设和运行时间长，技术成熟，性能稳定，应用范围广，但是服务受制于美国。一方面GPS导航信号分军码和民码，只有美国和其主要盟国可使用精度高、可靠性好的军码，其他国家只能使用低精度的民码，而这种低精度却是美国人故意加入选择性误差造成的。另一方面GPS的应用要受到美国军方的制约，战时它可实施“局部屏蔽”，关闭相关区域的GPS信号，或者在民码上施加干扰，让用户无法正常使用GPS。
美军士兵利用GPS定位
一个现实的例子，2008年俄格战争期间，投入战区的俄军部分车辆发生GPS信号丢失现象，当时就被怀疑与美国做手脚有关。由此看来，定位导航特别是军用系统的定位导航完全依靠美国的GPS系统是极不安全的。所以中俄都在发展自己的导航系统，哪怕是美国的盟友——欧盟，也宁愿花巨资建设“伽利略”系统。
但自建卫星导航系统并不是一帆风顺，无论是中国的“北斗”还是俄罗斯的“格洛纳斯”都受到来自外界的限制，尤其是“格洛纳斯”的发展，算是“历经坎坷”。
“格洛纳斯”从建设到全球组网 历经坎坷
“格洛纳斯”项目是前苏联在1976年启动的，计划使用24颗卫星实现全球定位服务。与GPS码分多址体制（每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分）不同，格洛纳斯在设计的时候就采用频分址体制，卫星靠频率不同来区分。所以，格洛纳斯可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，具有很强的抗干扰能力。
“格洛纳斯”轨道星座
但苏联的卫星和电子设计水平和美国有很大差距，苏联的这些卫星设计寿命只有一年，真实的平均在轨寿命也只有14个月。
苏联解体后，俄罗斯继续发射卫星建造格洛纳斯导航系统，因为比中国的“北斗”和欧洲的“伽利略”建设时间早，不到三年时间，俄罗斯就完成了组网工作。
由于苏联的火箭发射能力强大，一开始计划就是用一箭三星的方式发射卫星。由于多次发射失败和卫星工作寿命较短，所以一直发射到70多颗卫星时，到1996年格洛纳斯卫星星座才达到额定工作的24颗，宣布正式投入完全服务。可惜好景不长，由于苏联的解体和俄罗斯的经济困难，格洛纳斯星座的卫星数量至2002年最低降到7颗卫星，维持正常工作的卫星为6颗。
本来对卫星导航失去兴趣的俄罗斯，被2003年的伊拉克战争“打醒”，迫使俄罗斯领导层重新对卫星导航系统重视起来。
从2003年开始，格洛纳斯系统又进入复苏阶段。以每年差不多发射6个卫星的速度回归，加上卫星寿命有所增加，所以到2011年12月8日，格洛纳斯星座又恢复到24颗卫星的完全工作状态，完成全球组网。
缺钱缺元件 “格洛纳斯”面临停运的危险
现今的“格洛纳斯”在轨卫星群包括27颗卫星（25颗“格洛纳斯-M”和2颗“格洛纳斯-K”），但是，“格洛纳斯-M”卫星群中有16颗已经超出服役期。
实际上，“格洛纳斯-M”属于上一代产品，寿命有限。据报道，俄罗斯方面打算，将“格洛纳斯-M”于2025年全部退役，全部更换新一代卫星“格洛纳斯-K”和“格洛纳斯-K2”。
面临淘汰的“格洛纳斯-M”卫星
“理想很丰满，现实很骨感”，俄罗斯的“格洛纳斯”目前面临两个尴尬的情况，一是没钱更新系统，二是买不到卫星制造所需的零部件。
自乌克兰事件以来，西方对俄罗斯的制裁让其经济购买能力大幅下降，缺钱是俄罗斯最大的问题。自2014年以后，“格洛纳斯”的卫星发射基本处于停滞状态，没有足够的经费对该系统更换卫星，进行维护。
一直以来“格洛纳斯”主要用于军事用途，民用市场的占有率不高，在民用领域的性能还不如中国的“北斗”，再加上“格洛纳斯”在民用方面缺少计划，毫无收益可言，没有形成民用市场补贴研发的良性循环，而俄罗斯民众一直使用美国的GPS，所以新一代卫星能否及时补充，还是一个问号。
还有一个鲜为人知的事实是俄罗斯能造火箭、大飞机，但是对电子元件真是束手无策，大部分电子元件都要依靠进口，即使是如今他们仍引以为傲的联盟系列载人飞船，也大量依赖进口电子元件。
俄罗斯现役最大运载火箭为“质子-M”运载火箭
航天技术发展实际也经历了机械化与信息化两个发展阶段。半个世纪前将阿波罗飞船送上月球的土星五号火箭，其地月转移轨道运力迄今为止无人超越，但是45吨的阿波罗飞船的计算能力还不如今天的一部智能手机。
俄罗斯方面也承认，由于制裁造成外国配件不足，用于全球导航系统的“格洛纳斯-K”卫星的量产遭遇麻烦，而俄罗斯尚未建成自己的配件平台。
新一代“格洛纳斯-K”卫星难以量产
“格洛纳斯”卫星外国配件占比高的问题由来已久，但是在西方国际对俄罗斯实行制裁的5年来，俄罗斯一直未能研发出相应的国产配件。
俄媒此前就评论称，“格洛纳斯”系统的情况再次激化俄罗斯国内电子行业的老问题，单靠资金注入无法解决这些问题。俄罗斯需要全新的方法，包括与电子业领先的亚洲国家开展国际合作。
近日，俄罗斯的卫星生产巨头——列舍特涅夫信息卫星系统股份公司，派出代表团来到中国航天科技集团九院165厂考察，目的是采购中国生产的高等级电子元器件。
中俄卫星导航系统合作 互为补充
相较于美国的GPS，北斗的覆盖范围还是受到制约，因为美国一直想尽办法阻止中国在其他国家设置地面站，这也就限制了“北斗”在全球的高精度覆盖面积。
北斗工程分为三期 覆盖范围逐渐增大
专家认为，对于中俄而言，合作的第一步当属互建地面控制站，这些站点可以用来校准卫星信号——地面站的大地坐标会被精确测得，然后与接收到的卫星信号坐标对比，测出信号误差，进而反馈给卫星系统校正。
至于“北斗”，它在中国大部分地区的定位精度已小于10米，未来若建成全球化卫星星座，那就必须在国外建地面站，而俄罗斯国土面积广大，非常适合建立校准站。
“北斗”与“格洛纳斯”的合作可以相互补填“盲区”。“格洛纳斯”导航系统建立时间早，在覆盖范围上有优势，定位服务范围侧重于极地和高纬度地区，地面基站数量较多，而北斗导航定位系统的服务范围偏南纬度地区，只是在中低纬度精度水平较高。两者合作可以互相“补盲”
在技术方面也可形成优势搭配，“北斗”技术比较创新，例如独有的短报文功能，“格洛纳斯”技术较为成熟，具有相当强悍的抗干扰功能，两者可以组合成理想的导航体系。中俄两国作为“一带一路”上的重要国家，双方导航系统的合作也是起到示范效应。
中俄花费巨资建立独立的卫星定位导航系统，很大程度上还是处于国防安全的考量，如今两国探讨卫星导航系统的合作，更是不能忽视国家安全的需求。
拥有自己的卫星导航系统，并不代表没有后顾之忧，大国的“反卫星试验”就为此埋下伏笔。2008年，美国海军从其位于太平洋北部海域的“伊利湖”号巡洋舰上发射导弹，成功击中一颗所谓“失控”的卫星，这也给各国敲响警钟。
美国东部时间2008年2月20日22时26分 反卫星试验
中俄两国的卫星导航系统的合作在战时可以起到相互备份的作用，中俄卫星定位导航系统通过相互兼容对方信号，将能提高可靠性。如果俄罗斯的“格洛纳斯”卫星信号被干扰或卫星被击毁，用户可以接收中国的“北斗”卫星信号，反之亦然，这意味着两国的定位导航安全得到“再保险”
中俄两国共同生产导航芯片也是重要内容之一。在芯片领域的合作实际上是俄罗斯缺少相应的芯片制造能力，想通过与中国合作补齐短板。时任“格洛纳斯”非商业集团总裁亚历山大·古尔科就曾向媒体透露，俄罗斯和中国将建立合资企业，开发、生产、销售支持世界三大导航系统——中国北斗、俄罗斯洛格纳斯和美国GPS的新型导航接收机。
不过，共同开发的芯片不是用于智能手机，同时也不是用于高精度定位系统，它是用于远程信息处理终端，在各类交通管理上使用。
俄罗斯方面希望将芯片的研制工作放在俄罗斯进行，生产和销售由中国负责。因为俄罗斯目前没有现代化手段生产含有40纳米的接受机，中国在这方面的经验是俄罗斯需要的。
中国实际上已具备导航芯片的制造能力，在中国卫星导航系统管理办公室官网上，已经发布北斗全球信号射频基带一体化集成芯片第二轮测评公告，有五家企业将做为北斗全球用户终端制造的重要提供商。而华为海思从麒麟930开始，集成的Hi1101四合一芯片可以同时接收GPS、北斗和格洛纳斯信号。
北斗全球信号射频基带一体化集成芯片第二轮测评公告中五家企业 来源：中国卫星导航系统管理办公室官网
结束语
各大国发展自己的导航定位系统，军事安全是主要考量。但是，除了美国的GPS，目前发展前景最好的还是中国的北斗。俄罗斯的格洛纳斯虽然发展较早，但是由于经济问题和元件问题，导致格洛纳斯导航系统的正常运营都面临困难。中俄卫星导航系统的合作，互为补充，两个系统的合作可以互补“盲区”，在紧急的时候互为备份，保障通信安全。而且，中国在电子领域的产品与技术，也是俄罗斯目前的迫切需求。
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