北斗往事:我们为什么需要北斗?

财经无忌 2020-07-09 08:51

编者按:本文来源创业邦专栏财经无忌,作者月落乌堤。

6月23日9时43分,西昌卫星发射中心,由中国自主研制的长征三号乙运载火箭,成功发射第55颗北斗导航卫星,这也是北斗三号组网部署的最后一颗卫星,卫星发射成功后,北斗全球定位系统组网卫星部署圆满收官。

“北斗”在中国传统文化中,占据了太重要的位置,道家、儒家都有专门的经典和命名以及典故,而且还与“天命”相应,那些个“脚踏七星”的王侯将相们更是对此笃信不已。在民间,北斗七星也是十二生肖的重要参考,《春秋运斗枢》曰:“枢星散为龙、马,旋星散为虎,机星散为狗,摧星散为蛇,玉衡散为鸡、兔、鼠,阖阳散为羊、牛,摇光散为猴猿。

种种典故,都是中国人对于北斗的一种情怀,寄托于传统,更寄托于精神世界。

而北斗七星,最重要的“确定方位”这一功能,便是来自于最初的“经验定位”,能够直观但不精确的获得方位。

沧海桑田,如今“北斗”卫星部署成功,让古人寄托于心的“北斗”终于名实相副,尤为难得的是今天的“北斗”全球定位系统终于改变了中国在卫星定位方面多年以来受制于人的局面,真正让国人有勇气喊出“我们的征途是星辰大海”了。

一次偶然的发现

1957年10月4日,人类历史上第一颗人造地球卫星,在苏联发射成功,这颗取名为“卫星-1”的发射,标志着人类走出地球,迈向太空,展开了进入太空探索的第一步。

苏联卫星成功发射,引起了美国的极大震撼。在美国的计划中,应该是美国的卫星率先升空。在美国马里兰州的霍普金斯大学,由美国国防部、美国海军、国家导弹防御局、国家安全局及国家情报局等联合组建的物理实验室中,两个科学家对卫星-1展开了连续的跟踪和监控,在对卫星-1的无线电发报机信号的追踪过程中,他们发现了一个苏联人忽略掉的物理现象——多普勒频移,苏联人不相信外太空和地球一样,无线电传输同样适用于多普勒效应。

人造地球卫星围绕地球运转存在一定的规律,这就影响到卫星发射的无线电频率,卫星离地球越近,无线电信号就越强,传递的内容就会越清晰;卫星离地球越远,则无线电信号越弱,传递的内容就会越断断续续。

根据“多普勒频移”,可以计算出人造卫星的运行轨道,也就可以计算出卫星的方位、速度以及高度等在轨运行的实时参数,简而言之,他们可以通过多普勒频移,确定卫星的实时位置。

不久之后,美国向外界公布了苏联卫星的运行轨道,这一数据,作为卫星设计及发射的国家,苏联也未能精确计算出来。

11月3日,苏联第二颗卫星——卫星-2号进入太空,这颗体积更大、重量更大、空间更大、携带无线电发报机功率更大的卫星,还搭载了一条狗一同进入太空。通过对卫星-2号的跟踪与监控,苏联人自己也验证了外太空中多普勒频移的存在。

1958年2月1日,美国在匆忙中将自己的第一颗人造卫星探险者1号(Explorer-1)发射升空,他们在知道利用多普勒频移可以计算出卫星轨道、速度及方位之后,在探险者1号卫星上,增加了一个无线电信号功能:导航——卫星通过无线电将携带的各种实验设备所获得的科学数据下传到地面站,并对地面站提供定位信标的功能。

美国人通过对苏联的两颗卫星、自己的一颗卫星持续的跟踪、监控,并在自己的探索者1号卫星上试验后,再一次证实了外太空多普勒频移的存在,更为重要的是,地球—卫星之间存在的多普勒频移,可以更大范围的应用在定位信标上,而不仅仅是对固定的地面监测站。

1958年3月,一项“公交导航系统”的实验性项目,在物理实验室开展起来。原理就是既然通过地球上固定的点,可以计算出卫星的轨道、速度及方位,那么通过卫星,也可以计算出地球上某一个信标的轨道、速度及方位。

没有人能想到,全球定位系统的起源,竟是美国人监控苏联卫星而发轫的。

1968年,美国军方的第一代卫星导航系统正式运行投入使用,这个名为国防导航卫星系统(Defense Navigation Satellite System,DNSS)的项目,成为了美国乃至全球卫星导航方面第一次最为伟大的尝试,这一尝试,拉开了卫星定位及导航的序幕。

这项仅仅局限于军方导航定位的系统,使用面太过于狭隘,民用部门强烈要求扩大使用范围,毕竟,精确定位和导航,大家都需要的嘛。而处于冷战高峰时期的美苏,都不会吝啬在这方面的投资,军备竞赛、太空争霸的大背景下,美国从上至下都觉得美国十分需要导航卫星系统的存在。

为了达到阻吓、威慑及通达顺畅的目的,美国决心投资更大的资金来打造全球性的卫星导航系统。

1973年,这一年的劳工节,被确定在9月7日。美国国防部召开了一次由12名(军方)各部门人员构成的内部会议,在五角大楼正式提出组建一个全球性的卫星导航系统——Navstar,即授时和测距导航卫星(Navigation Signal Timing and Ranging),为方便引用及推广,又将之称为全球定位系统(Global Positioning System,GPS)。

这是美国航空航天史上,继阿波罗计划、航天飞机计划之后,第三大空间探测及应用计划,在GPS的徽章上,刻着“Master of Space”——太空主人。今天,阿波罗计划已经停下来60余年,随着2011年3月9日,发现者号航天飞机执行最后一次飞行计划之后,美国便宣布永久停止航天飞机的飞行,三大计划中,只剩下GPS还在持续的、深刻的影响着世界。

一个伟大的发明

GPS的厉害之处在于,它可以根据运行在特定轨道上的卫星之间相互数据的组合,精确地测定地球上任何一个能接收到卫星信号的点的位置和时间。首先GPS是一个定位系统,测定这个点位置的时候,可以精确地确定事物点的经度、纬度以及高度。其次,它还是一个精确的“授时系统”,可以精确的确定该事物点即时的时间,而且这个时间误差在民用终端上,可以达到1s以内,而GPS本身的授时精度,误差在30ns以内。

(某一GPS民用终端的数据)

基于准确的经度、纬度及高度,再加上精准的授时,任一可接受到GPS卫星信号的事物点,都被准确的记录下来,而且几乎是即时完成,固定点几乎就很容易被定位及找到,移动点几乎在其移动轨迹上被找到,而且还能实时的生成3维地图。

这是一个伟大的发明,真正地让地球上每一个事物点之间有了准确的联系信息,让每一个静止的或者移动的物体,有了可以被捕获的方式及手段,而且还能与其他信号源产生联系,甚至共享实时数据。

但是,GPS在设计之初只是为军方服务的,直到1973年9月才由美国国会通过,改为“军民两用”性质。

民用信号为SPS(Standard Positioning Service,标准定位服务),这一信号可由公众自由的使用。由于GPS诞生的特殊背景,美国担心GPS被国外敌对势力利用,甚至被恐怖组织利用,进行非法的报复等行为,美国保留限制GPS信号强度、甚至关闭GPS信号的权利。GPS在提供给非军事用户的信号精度,进行了一定的限制,在这一公开信号中,美国加入了SA码(Selective Availability)的干扰源,以降低GPS功能的精度。

(GPS关闭SA干扰前后的精度示意图)

2000年4月28日,克林顿政府签署命令,解除对SPS的SA码干扰,使SPS的精度,从之前的100米-300米,直接提升到1米-20米,人们才能真正的享受到GPS带来的便利。

军用信号为PPS (Precise Positioning System,精确定位系统),这一信号,只有授权的使用者具备有解码设备、密码及特殊信号接收机才能使用,一般情况下,获得授权的只有美国政府、军方及其盟友的特殊机构,才能获得使用PPS的授权。PPS信号是整个GPS系统中最优质的部分,它能达到GPS对外宣称的厘米级定位。

为了保障PPS信号不被干扰,美国对GPS系统加入了AS(Anti-Spoofing,反电子欺骗技术)技术,通过对PPS信号进行加密处理,防止对PPS信号进行电子干扰和非特许用户对精码进行解码。

GPS有着高精度(精确锁定)、全天候(任何时候)、高效率(快速响应)这些无可比拟的特点,在位置定位上达到10米以下的精度,时间误差不大于0.1s,授时精度小于30ns,可以在几秒到十几秒的时间里确定事物准确的位置及时间。

1989年2月14日,第一颗GPS工作卫星发射成功,标志着GPS系统第二代卫星开始投入组网并运营,这一阶段的卫星称为BLOCK II和BLOCK IIA,之后,美国在1989年发射了9颗这一型号的卫星,也就是这个时候,由伊拉克入侵科威特引发的第一次海湾战争爆发。

海湾战争,打醒了苏联人,更打醒了中国人。

1989年11月,美国将在轨的GPS卫星停止工作,时间是两个星期,在这期间,美国对GPS系统进行进行高频抖动技术试验,之后恢复工作。1990年3月25日到8月29日,美国再次对GPS系统进行了高频抖动技术试验,同时对SPS信号进行SA干扰,进而将星历精度降低。

1991年8月,海湾战争爆发,这场前后仅38天的战争,成为世界战争史上的一个新的开端,基于这场战场,无论是参战的美国,还是深陷阿富汗泥潭的苏联,还是东亚的大国中国,都从二战思维中惊醒,开始思考新环境下的战争形态。

海湾战争是第二次世界大战结束后现代化程度最高的战争,广泛使用了20世纪80年代末90年代初最先进的高技术武器装备。战争节奏快、烈度高、立体性强。战争表明,掌握电磁空间的控制权,对取得战争胜利具有重大意义;战略空袭已成为战争的独立阶段,空中战役的时间占整个战争的十分之一,对战争进程影响很大;在地面战斗中,实施战役欺骗、加强海空协同、实施大纵深迂回包围、重点打击对方重兵集团,对迅速达成战役目的起了重要作用;传统的作战方式,如构筑坚固的地下掩体和人防工事,大量布设水雷、地雷和开展心理战等,在现代条件下仍未失去其意义;高技术武器装备虽然在战争中发挥了巨大威力,但如果没有可靠的技术保障和后勤保障,则难以充分发挥作用。

最最最让梦中人惊醒的,则是三位一体的作战方式。GPS在战争中的作用,进一步刺激了中国的科学家们。

因为没钱,差点泡汤的“北斗”

1983年9月1日,一架大韩民国编号为007的客机,搭乘乘客及机组人员工269人,从纽约起飞,在经过苏联边境时,出现了偏离航线的情况,误入了苏联萨哈林及莫涅龙岛的禁飞区,苏联在发出警告没有收到回应的情况下,在客机即将飞离苏联领空时,苏联发射导弹将其击落,269人无一生还。

之后,里根总统签署总统令,开放发展了十年的GPS系统供民用。此时,GPS系统第一期投入使用,在原有卫星的基础上,GPS系统发射了7颗BLOCK I的试验卫星,并通过研制各种用途的接收机用于GPS系统的功能。最终的实验数据表明,GPS系统的定位精度远远超过设计标准,SPS信号在不加入SA干扰的情况下,其精度就可达14米。

这对于地球上每一个有志于研究卫星定位导航的国家来说,即兴奋,又是挑战。

这一年,北京跟踪与通信技术研究所所长、国家“两弹一星”科学家陈芳允与合作者们提出了一个有别于GPS系统的定位理论——“双星定位通信系统”,即通过两颗地球静止轨道卫星实现区域性快速导航定位并兼有通信功能的定位方式。

1985年4月15日,GPS全球定位系统国际运用研讨会在华盛顿召开,中国受邀参加出席本次会议的是后来成为解放军少将的卜庆君。

会上,美国向所有与会者表明立场:

“在特殊情况下,为了保证国家安全,军方会采取三种措施应对紧急状况:第一,降低对方的导航精度;第二,随时变换编码;第三,进行区域性管理。”

也就是说,美国对GPS系统有绝对的控制力,美国可以决定必要时关闭特定区域、特定国家、特定用户的GPS信号,或者更改这些特定用户的编码,进行差别化、可选择性管理,不让他们利用GPS。同时,针对自用的GPS信号,加入更为复杂的密码保护,使特定人群难以对GPS进行干扰和攻击。

这些特殊情况的存在,意味着地球上的每一个静止的或运动的事物点,只要美国愿意,随时可以精准的定位到你在哪里,然后,找到你,进而,攻击你。

三天后,会议结束,卜庆君回到北京,写了一份报告,报告中,卜庆军阐述了两个重要观点:

一、要跟踪、研究、应用GPS;

二、要着手建立我国自己的卫星定位系统。

5个月后,全国动力法测地学术会议在南京召开,卜庆军出席,在和陈芳允的同事刘志奎研究员进行沟通后,卜庆军连夜拜访了陈芳允,就基于“双星定位通信理论”搭建中国自己的卫星定位系统进行了深入的交流。

这一年年底,北京跟踪与通信技术研究所成立了以刘志奎研究员为首的5人论证小组,目的是论证双星定位通信体制能否可行并发展成为卫星导航系统。

第二年2月,卜庆军再次递交了一份名为《建议研究用两颗星解决定位的问题》的报告,报告阐述了基于陈芳允提出的“双星定位通信理论”构建中国无线导航系统的观点。

1986年3月,是中国现代科学发展史上最为重要的一个年份,其重要程度,甚至与“两弹一星”相媲美。

那就是在这一年,形成了共和国历史上最为规模庞大的一个科研产业化的计划——“863计划”。

同年11月,“863计划”成型。同时,“双星快速定位通信系统”技术方案形成,之后进入到了三年的探索时期。

与其说是探索,不如说是缺钱。

这次论证会,专门成立了“提出战术技术指标和使用要求小组”,并针对性的列出了17个重点子项目(课题)来进行重点攻关,分属不同的小组和负责人来领导。

1989年6月,双星快速定位通信系统召开了最后一次论证会,由于没有资金来建造新的卫星进行试验,项目组只能申请在轨的卫星(一说是报废卫星)来进行测试,测试卫星是东方红二号甲通信卫星,在8月到9月的连续测试中,设立在北京的测试点获得20-30米的定位精度,这一精度与美国的GPS为被SA干扰前的精度相近,试验取得了一定的成功,这为后来北斗项目的最终立项奠定了坚实的数据及理论基础。

11月,项目鉴定会在北京召开,刘志奎研究员代表课题组作报告,这一报告标志着北斗项目理论基础及试验基础得到认可,并最终得以实施打下了最为牢固的基石。

但是,由于国内与国际时局的变化,这一项目,硬生生的被推迟了。

首先,反对者们认为美国有GPS,俄罗斯有格洛纳斯,中国没必要发展卫星导航系统,与他们合作就可以了。

(2008年12月25日,俄罗斯拜科努尔发射场,Proton-M型火箭搭载一颗格洛纳斯卫星发射。)

其次,这是一个烧钱的项目,GPS到第二代组网完成,前后投资高达300亿美元。而格洛纳斯更是因为资金原因,一度停止更新卫星,只能提供区域性服务,在最为窘迫的时候,甚至不能维持基本所需的24颗在轨卫星。那么中国的导航系统又要花多少钱呢?

简单点说就是,中国没钱搞这个东西。

第三,欧洲也在独立开发导航系统,这样的话,完全可以选择与他们合作开发,分担风险和资金压力。后来证明,与欧洲合作就是痴人说梦,花了2亿多欧元,买回来“独立发展”的教训。

在卫星导航系统这件事上,再一次证明了“造不如买、买不如租、租不如送”的路线是必然会失败的。

海湾战争,只是打醒了中国人,但是还没有一件事,一件屈辱的事情来再一次刺激中国人,但是这样的事情,很快就来了,而且还是接二连三的来。

国际事件的刺痛

“银河号事件”是第一件刺激中国人的事情。

1993年7月23日,美国单方面宣称,驶往伊朗阿巴斯港的中国籍“银河号”货船载有制造化学武器的前置化学品(具体是硫二甘醇和亚硫酰氯),要求中国政府立即采取禁止措施,否则美国将按照其国内法制裁中国。

8月1日起,美方派遣在附近巡游的航空母舰战斗群的驱逐舰、飞机对“银河”号近距离跟踪和低空侦察、拍照,这无疑是对中方主权最为破格的挑战,也扰乱了银河号的正常航行。

8月3日,美方又对中国提出无理要求(中方只有选择权的那种):

中国政府命令该船返航回出发港;或者由美方登船检查货物,以查明船上是否存在上述的违禁品;或者银河号停留在某个点,“听凭发落”。

同时,美国还向该船计划停靠港口所在国(沙特)施加压力,阻止进港卸货。

当天,中方对银河号发出命令,将船只停泊在霍尔木兹海峡以东附近的公海海域。中方对美方提出的质疑进行认真的、全面的查验,银河号运往伊朗的24个集装箱,主要是文具、五金和机械零件,并无禁运物品。

8月4日,中方对美国发出通告,银河号并不存在美方所说的化学品,为保留一点尊严,中方提出让第三国派出检查人员,登船对银河号查验。

美方对此置之不理,继续坚持要求中方选择并执行美方提出的三个要求之一。

随后,美国将银河号的GPS信号中断,银河号被迫在公海漂泊长达22天,而且在没有导航的情况下,银河号的既定航线被迫改变,在这样下去势必要将卸货时间一再延误,为避免更大的损失,中方再次提出由第三国派遣人员登船查验的建议,不过与之前的有所不同,允许美方一并派人随同登船,也就是说由第三方变成“三方登船”——这可能是当时环境下最大的让步了。

更为可恨的是,这期间美国海军61号巡洋舰给银河号发过一份传真,传真内容是:

“只要你们提出要求,我们会随时为你们提供蔬菜、淡水和燃料。”这不就是赤裸裸的对待犯人的施舍么。

在传真的结尾还有一句:“希望你们从什么地方来,回到什么地方去。”这不就是是赤裸裸的威胁恐吓么?

8月26日,有中国、沙特、美国三方在沙特达曼港谈判,并达成协议:

一、审阅银河号的货运清单,找出运往伊朗的货物进行外观检查;

二、对美方有疑问的货箱,可卸下进行开箱检查;

三、检查结束后,由中、美、沙三方共同在检查结果上签字,并公诸于众。

27日,以中国外交部国际司副司长沙祖康为组长的检查团一行16人登上银河号,看望船员们。

28日,沙特7人、美方10人的检查组与中方一道,登上了银河号开始查验。

30日晚10时30分,最后一箱货物检查结束;31日,所有的液体化学物品的检查化验结果也出来了,依然没能找出硫二甘醇和亚硫酰氯的踪迹。

美方马上就出尔反尔,对26号签署的协议拒不执行,并又一次提出无理要求,对银河号进行二次检查,并将检查范围扩大为对整个银河号所载货物,包括非运往伊朗的第三方国家的货物。

这是对中国主权的扩大化打击,在国际贸易中,货轮代表的是发出国,所载货物代表的是发出国与发往国的贸易主权,在国际贸易中,无论什么环境下,主权国家是不能擅自认为的对第三国货物进行染指的,这种在国际法允许下的国际贸易,实质上代表的是国家主权。

为尽快查清事实,中方同意了美方的又一次无理要求。

9月4日,第二次检查结束,银河号所载的782个集装箱全部检查完毕,仍旧没有发现禁运品。下午一点左右,中、沙、美三方在检查完银河轮全部货物的报告上签字,共同确认银河轮没有运载硫二甘醇和亚硫酰氯。

银河号事件,是美国一手炮制、为污化国际贸易中中国的国家形象而发起的一起严重侵犯中国主权的事件。

他们用“一块钱买来的情报”,污蔑中国籍货轮载有禁运品,并派出军机、军舰进行跟踪、侦查和拍照,而且还发出侮辱性的传真、切断银河号的GPS导航信号,导致银河号的漂流,而且最终拒绝道歉,这是最为典型的霸权主义和强权政治。

中国,是该醒醒了。

1994年1月10日,国家批准北斗一号工程立项,北斗终于在提出设想后十余年得以立项。

立项后,马上紧随而来的危机,加快了北斗的步伐。

1996年,第三次台海危机爆发,美国为给当年3月23日举行的台湾地区领导人选举助威,直接插手中国内政事务。

3月8日,中国宣布举行为期半个月的“联合九六”实弹演习,同一天,美方宣布部署在日本横须贺港的独立号航空母舰战斗群驶入台湾东北海域,同时宣布加派尼米兹号航空母舰战斗群前往台湾东部海域,预定3月11日与独立号航空母舰战斗群会合,并悍然驶入中国台湾海峡,战争一触即发。

演习开始,中国发射四枚东方15短程地对地弹道导弹,掠过台湾海峡,直接命中目标,同一时间,美国宙斯盾级驱逐舰碉堡山号在屏东东港小琉球岛附近检测到这四枚命中预定目标的导弹。

演习当天零时整,中方从永安分别试射两枚东风15导弹,落在高雄外海西南30至150海里处;一时整,从南平发射一枚东风15导弹,落在基隆外海29海里处。

是的,落点在30-150海里的两枚弹道导弹,实际上是偏离目标了,而稍后发射的那枚,命中预定目标。偏离预定目标的两枚,在军事迷中,一直有一个说法是美国在GPS信号上做了手脚,导致导弹制导失效。

这一事件连同银河号事件,告诉了所有中国人一个最真实的事实:

美国在中国处于战时状态下,肯定会关闭中国所使用的GPS信号,无论交战对方是美国或者是其他任何国家(或地区)。

2001年4月1日,一起震惊中外的事件,在美国单方面挑衅下再次发生,这就是“南海撞机事件”。

当天早上8时55分,隶属于美国海军航空兵空中侦查第一“全球观察者”中队的一架EP-3型BuNo 156511号侦察机在中国海南岛东南70海里(110公里)的执行“PR32”侦查任务,这一海域靠近中国根据联合国海洋法公约主张拥有主权的200海里(约370公里)专属经济区,中国对这一区域拥有绝对的领海、领空主权。

中国发现美国一架侦察机飞抵中国海南岛东南海域上空执行侦察任务后,派出两架歼-8 II歼击机进行合法监视并喊话,这个时候,美国侦察机实际上已经在中国领空附近,连续飞行侦查六个多小时。

9时7分,在海南岛东南104公里处,美国军机突然转向,其左翼先同王伟驾驶的歼8-II型81192号战斗机相撞,撞击造成解放軍飞机坠毁,驾驶员王伟少校跳伞后下落不明,最终确定壮烈牺牲。美国军机则因碰撞导致整流罩脱落,一只发动机撞毁,无法返航。

9时33分,美国军机随后在未经中国许可的情况下进入中国领土,降落在海南陵水机场。

4月2日、3日,就任美国总统才三个月的小布什连续发表讲话,声称这一事件可能破坏两国建立卓有成效关系的期望。同时,派遣3艘驱逐舰在中国南海附近游弋,其态度不言而喻。

4月11日,美国驻华大使普理赫向中国外交部长唐家璇递交了关于美国军用侦察机撞毁中国军用飞机的致歉信,这封致歉信,美国前前后后改了六次,这可能是中国当时能做的最大的争取。

随后,中方同意释放24名美国机组人员,并于4月12日回国。

7月3日,经拆卸后的美国军用侦察机由租用的俄罗斯安-124运输机运离中国,并于次日抵达夏威夷。

而美国对于中国牺牲人员的赔偿,是一个没有任何诚意的数字:34567.89美元。

这是一起美国单方面发起对中国进行军事侦查行动、在未经中国许可下进入中国专属经济区、领空对中国进行军事侦查,并在撞毁中国战机,造成中国方面机毁人亡后,悍然进入中国领土并降落的事件。这一事件,是对中国主权最为严重的侵犯。

王伟烈士跳伞后,中国调动了超过10万人次进行了连续数天的搜寻,最后没有找到。

反观1999年3月27日,南联盟击落美国隐形轰炸机F-117后,其飞行员泽尔科跳伞后,依靠GPS信号,在南联盟首都贝尔格莱特附近40公里的农田里、南联盟军队的眼皮子底下被救走,前来营救的,仅仅是一架美军A-10攻击机与三架MH-60G直升机,他们依靠的就是GPS定位导航系统,精确的将泽尔科找到并救出。

如果,中国的单兵均携带有不受干扰的卫星导航定位装置,那么,王伟他极有可能不会牺牲,但是,彼时的中国并没有。

以银河号为代表的民用领域、以东方15代表的军用领域,南海撞机代表的(战时)士兵营救,卫星导航定位系统的作用,体现的淋漓尽致。

中国的导航命脉,捏在了美国手里面,没有自己的卫星导航定位系统,随时受制于人,小到商旅往来,大到灭国战争,在精确制导的海空天三位一体的战争中,卫星定位系统的重要程度,不亚于人的存在。

打醒了,还要再刺激下,这是在“企鹅的伤口上撒了辣椒酱”。

走出第一步

2000 年 10 月 31 日, “北斗导航”卫星 01 星发射, 11 月 6 日成功定点于 140°E; 2000 年 12 月 21 日, “北斗导航”卫星 02 星发射, 12 月 26 日成功定点于 80°E。

由陈芳允院士提出、卜庆军连续奔走递交报告,一拖再拖的中国卫星导航系统,从“双星定位通信系统”转变的北斗系统,终于在1号卫星及2号卫星定轨后终于出现雏形。经过在轨性能测试后,项目组终于确定性能参数满足研制任务要求,可以利用两颗卫星构成的“双星定位通信系统”进行导航定位。

这是北斗走出的第一步,北斗一号开始初步的实施组网并提供服务,随着2003年5月25日北斗-3号卫星的发射并定点于110.5°E作为备用,北斗一号的双星定位基本形态确定:

由两颗静止轨道卫星与一颗备用卫星、地面控制中心与北斗用户终端三部分组成。

虽然北斗一号的服务范围很小,仅局限于国内,而且精度也只有20-100米,授时精度60ns,但是其拥有的120个字的短信功能,成为了一大亮点。

最为重要的是,北斗一号的发射成功,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2004年8月31号,北斗二号正式立项,北斗二号并不是北斗一号的延续,而是全新设计的导航系统,为此专门向国际电联申请了专属频段。

中国人用了用8年的时间,从2007年4月14日第一颗北斗导航卫星 (M1)从西昌卫星发射中心被“长征三号甲”运载火箭送入太空。到2012年10月15日最后一颗卫星发射成功,北斗二号建成了由16颗卫星和32个地面站天地协同组网运行的区域导航系统。

并于2012年12月27日起正式提供服务,服务范围涵盖亚太大部分地区,南纬55度到北纬55度、东经55度到东经180度为一般服务范围,服务内容包括导航、定位、授时和短报文通信服务。服务方式分为开放服务和授权服务。其中开放服务是在服务区免费提供定位、测速、授时服务;授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息。相比于北斗一号,北斗二号提供的服务不仅是区域范围扩大,最重要的是精度得到了进一步提升:

定位精度优于20米,授时精度为50纳秒,测速精度0.2米/秒。

在2009年4月15日,第二颗北斗二号卫星入网,北斗二号开始提供服务,这一年年底,北斗三号卫星导航系统正式立项。

2015年03月30日,首颗北斗三号试验卫星入轨,前后共发射了五颗此类卫星。

2017年11月5日,北斗三号首颗组网卫星发射入轨,2018年12月27日,北斗三号正式向“一带一路”国家和地区及全球提供基本导航服务。

2019年12月16日,我国以“一箭双星”方式成功发射第52、53颗北斗导航卫星。至此,北斗三号全球系统所有中圆地球轨道卫星全部发射完毕,标志着北斗三号全球系统核心星座部署完成。

今年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

北斗三号提供的服务,在全球范围内,定位精度优于10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于20纳秒;在亚太地区,定位精度优于5米,测速精度优于0.1米/秒,授时精度优于10纳秒。

北斗系统是全球在轨的四大导航系统(不含日本天顶星系统)中,唯一采用三种轨道卫星组成混合导航星座,其他三大系统均以单一轨道卫星部署。其中北斗二号采用了5颗地球同步轨道卫星(geosynchronous orbit,GEO)、5颗倾斜地球同步轨道卫星(Inclined GeoSynchronous Orbit,IGSO)及4颗中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)的中高轨混合星座组成。北斗三号由3颗地球同步轨道卫星(geosynchronous orbit,GEO)、3颗倾斜地球同步轨道卫星(Inclined GeoSynchronous Orbit,IGSO)及24颗中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)的中高轨混合星座组成,其中备用卫星6颗,工作卫星24颗。

从1994年立项,2020年首星入轨到2020年组网完成,北斗在20年的时间里,发射了59颗卫星,在这世界卫星发射史上都是罕见的。

北斗取得的进步和成就。立足国内,服务亚太,拓展全球的“三步走”的战略道路已经从“梦想成希望”变为“梦想成真”。在追梦的过程中,实际上北斗处处受制、处处为难。

过了九九八十一难

“一次次被逼到绝境,又一次次爬起来。”

这句话是总设计师杨慧面对采访时说的,这句话,也是对北斗系统最真实的反映。

首先,频段方面,根据国际电信联盟的规则,卫星运行的轨道和信号频率在使用前必须提前申请,且必须在申请通过后的7年内完成卫星发射入轨和信号接收,否则相关资源会被回收。而且还有“先申请、先获得,先发射、先占有”的规定。

2000年4月18日,中国申请的频段获得通过。国际电信联盟分配了E1(1590MHz)、E2(1561MHz)、E6(1269MHz)和E5B(1207MHz)四个波段给北斗卫星导航系统,这与伽利略定位系统使用或计划使用的部分波段存在重合。

这意味着在接下来的7年里,卫星必须发射升空并传回可接收的信号,北斗一号首星的发射,还是半年多以后的时,申请作为频段载体的北斗二号还没有正式立项。

留给中国人的时间不多了,有可能是国家相关部门或高层觉得北斗无法完成这样的任务,在北斗一号第三颗星发射成功,开始提供服务之后,选择了与欧盟合作,共同推进欧洲版的GPS——伽利略计划。

2003年10月30日,中欧首脑第六次高峰会议期间,欧洲共同体15个成员国依次与中国签署了“中华人民共和国与欧洲共同体及其成员国关于民用全球卫星导航(伽利略计划)合作协议”——这被专家称为中欧“伽利略计划”合作的政治协议。“伽利略计划”成为有史以来中欧双方最大的科技合作项目。“伽利略计划”的目的是要在2008年建立一个覆盖全球的卫星无线导航系统——称为伽利略系统。该系统将是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统,它由30颗中轨道卫星组成,可直接为用户提供误差不超过10米的全球定位服务。

双方向好,本身是件大好事,欧洲当时的反美反战情绪很高,中国的北斗也遇到了瓶颈,双方抱团,打破美国GPS一家独大的局面,对双方都是利好,何乐而不为呢?

根据预估,伽利略计划的资金投入为33亿欧元,按照15+1的方式,中国应该出资约2.3亿欧元,首期出资5000万欧元。

是的,中国是老好人,老老实实的将2.3亿欧元打给了欧洲,但是,中国的工作人员,连伽利略计划的核心,都不能接触,也就是说,中国是出钱的冤大头,技术是不可能让你碰的,而且刚开始的伽利略计划的确进展神速,在2005年12月28日就发射了第一颗实验卫星,一度让中国人看到了希望。

但是,2006年年中,为伽利略系统注资的政府社会资本共同体瓦解,欧盟委员会决定将伽利略系统国有化。早期,伽利略系统被看作是一个政府财政参与的私营项目,项目主管积极邀请中国加入,这样在短期内可以获得中国的投资,而且中国的确将约定资金打入到计划中去,从长远看还能在中国的定位授时市场获得独特优势。

然而,随着欧盟委员会将伽利略计划收归国有,出于对欧美关系以及对安全与技术独立的考量,中国实际上被伽利略系统排除在核心层之外。11月,中国被踢出伽利略计划,中国之前的投资也没有得到任何回报。

12月,中国重启被耽搁了3年多的北斗系统,并抢在欧盟之前,率先在2007年先后发射了北斗一号的最后一颗替代星,和北斗二号首星。北斗二号首星发射时间是2007年4月14日,从变轨到入轨到定点,已经是4月16日晚8时,这个时候,监控大厅接收到了卫星信号从两万公里外的太空传回的信号并成功解析,此时向国际电联申请的频段失效仅剩4小时。

借此,中国获得了国际电联划分给中国的北斗二号系统的频段,这部分频段,正是与伽利略计划频段重叠的部分黄金优质频段。

花钱买来的教训,才是真正的教训,如果注资伽利略计划是决策失败的话,那么,卫星导航系统的授时功能用到的原子钟,则是中国尖端科技突破的又一个典型例子。

北斗一号时,中国采用的授时原子钟是瑞士进口的。原子钟这个东西,当时仅有美国、俄罗斯和欧盟(仅瑞士)有,美国是不可能出口原子钟给中国的,俄罗斯方面,连自己的格洛纳斯都搞不定,哪还有其他资源来出口给中国,那么,中国的授时原子钟,只能向欧洲求助。

瑞士,虽然标称自己是永久中立国,但实际上,仍旧受到地缘政治和美欧各方的压力,北斗二号立项后,中国试图继续向瑞士进口原子钟,结果瑞士不予出口。原因是北斗一号采用的是有源定位,只能民用,军用价值不大,而且北斗一号的实验意义更多一些。但是到了北斗二号,中国改为了无源定位,这意味着跟GPS一样,是军民两用的产品了。那么,瑞士作为《瓦森纳协议》的缔约方之一,绝对不能出口高精尖产品给中国用于可能军用的用途产品。

原子钟进口渠道彻底断开,中国只能自己解决,而中国在卫星搭载授时原子钟方面,技术几乎为空白。

两年,用了足足两年的时间,中国航天科工集团二院203所便突破了铷原子钟,之后,上海天文台自主研发了星载氢原子钟。也就是说,中国不同的部门,自主研发了不同的星载原子钟,而且精度比欧盟进口的还要高。

北斗的突破,其实不只是单个器件的突破,而是整个系统和整个系统之下的产业链,甚至包括运载火箭。

北斗三号卫星使用寿命,从北斗二号的8年增至10年以上,其部件全部实现国产化,其中被限制进口的原子钟,性能更是得到极大的升级,精度已经达到1000万年差1秒,并且还有两套不同类型的原子钟可供选择。运力方面,2017年底发射1箭2星,2018年发射9箭17星,2019年发射6箭8星,2020年发射3箭3星……不到3年时间,30颗卫星发射升空,完成组网。

在重复一下前文中的一句话:美国在中国处于战时状态下,肯定会关闭中国所使用的GPS信号,无论交战对方是美国或者是其他任何国家(或地区)。而北斗则完全由中国控制,与美国没有半点关系。

其实在扩大一点说,美国和中国作战时,双方一定会互相攻击对方的卫星导航系统,要相信:

“前事不忘,后事之师。”

我们更要清楚两个事实:

一、美国、俄罗斯、中国是全球拥有卫星导航系统的独立主权国家。

二、美国、俄罗斯、中国是全球进行过反卫星导弹实验的独立主权国家。

无论从民用角度,还是军用角度来看,北斗之于中国,GPS之于美国,是同等性质的,不仅要搞,而且要搞好。

北斗的发展,也证实了两件事:

一是“市场换技术”的国际合作,注定是要失败的。中国拿着真金白银投资欧洲的伽利略计划,却最终一无所获被扫地出门,甚至在发展北斗二号的时候,原子钟这样的部件被限制出口,无论多好的关系,多大的利润,在国际政治面前,都是一张废纸,不给你就是不给你,你有了再说有了的话,要给你也行,落后主流两代要不要,不要,那就没有。

二是独立自主才能发展好。原子钟不是不能突破,最终还不是突破了?还一下子解决了两种不同设计、同一功能的原子钟,成本高低先不说,至少是先解决了有无,再讨论优劣的问题吧。何况,自家的东西就是香,无论怎么样,想怎么用就怎么用,今天我的43星/44星用氢原子钟,明天52星/53星就换成升级后的铷原子钟。

浩瀚星空,北斗指路。古人借助北斗七星,找寻方位和星座。今人利用北斗卫星,进行现代社会的各种往来。我们看到北斗,才去分辨银河。而今,借助北斗,踏上星辰大海的征途。

哦,对了,抖个机灵,央视曾经报道,GPS定位芯片,最高卖给我们是1000元/片,到北斗出来后,降为6元/片。

壮哉我北斗,让资本主义无法再收割市场羊毛。

参考资料:

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10、朱显龙著.《目击台海危机》.北京:九洲图书出版社, 2000.06.

11、冯文远 编著.《卫星武器科技知识》. 沈阳:辽海出版社, 2011.05

12、唐家璇 著.《劲雨煦风》. 北京:世界知识出版社,2009.12.

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