北斗打破GPS垄断只是无稽之谈

12月27日,中国卫星导航系统管理办公室宣布,北斗卫星导航系统即日起提供试运行服务,这标志着北斗卫星导航系统距离成果收获只差一步。…[详细]对于国产北斗,网友们表现出了极高的热情,也有不少疑惑,如“北斗不是使用多年了,怎么现在又是试运行”、“北斗不会双向收费吧”、“北斗如何与GPS竞争”等问题。腾讯军事选取了其中一些有代表性地的问题,从技术和市场的角度为您作出分析。

2010-12-29 第 0018
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北斗卫星导航试验系统(北斗一号)采用双星定位原理,整个系统由地面控制中心、两颗地球同步卫星和用户终端组成。

问:北斗卫星导航系统不是已经很多年了吗,怎么今年才开始试运行?

答:这是一个在宣传报道上造成的误解。中国前后建设了两代卫星导航系统,第一代是1994年启动、2004年投入使用的双星定位导航系统,最初被称为“北斗一号双星定位系统”。第二代是大约在2004年前后启动、目前仍在建设中的全球卫星导航系统,最初被称为“北斗二号”。后来,北斗一号改称为“北斗卫星导航试验系统”;而北斗二号称为“北斗卫星导航系统”。

官方公布的北斗卫星导航系统“三步走”发展战略是:

第一步,2000年建成了北斗卫星导航试验系统,使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

第二步,建设北斗卫星导航系统,2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。

第三步,2020年左右,北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。

完整的北斗卫星导航系统由27颗MEO卫星、5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星组成,总共37颗卫星。

北斗卫星导航试验系统(北斗一号)与北斗卫星导航系统(北斗二号)的原理有较大差别。北斗卫星导航试验系统(北斗一号)采用双星定位原理,整个系统由地面控制中心、两颗地球同步卫星和用户终端组成。北斗卫星导航试验系统带有实验性质,虽然目前已经在工业和军事部门有较多应用,但是其工作原理需要在地面终端和卫星之间频繁通信,在安全性上有缺陷,不能在高速平台上使用,覆盖区域仅局限于中国本土及周边地区,实际上并不适合军用。而且定位精度低,最高仅为20米,远不如美国的GPS系统。当然,北斗卫星导航试验系统也有其独特优势,就是为用户提供短信服务,相当于一部网络覆盖非常宽广的手机。这个功能在野外作业、或突发灾害时非常有用,08年汶川地震,灾区固定电话和手机网络全部中断,汶川县城的第一条灾情汇报就是由北斗用户终端发出的。

北斗卫星导航系统(北斗二号)是全球卫星导航系统,原理与GPS一致(GPS,就是Global Positioning System,全球定位系统),为无源定位,用户终端不需要发出信号,不需要地面控制中心介入。而更严格地说,北斗卫星导航系统与GPS-II系统一致,在原有中轨道(MEO)卫星组网基础上,再增加地球同步轨道(GEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,对中国及周边地区的定位精度可以做到比GPS-I系统更高。而且,北斗卫星导航系统还保留了短信服务,这项北斗卫星导航试验系统的独有功能。

按计划,完整的北斗卫星导航系统由27颗MEO卫星、5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星组成,总共37颗卫星,比GPS-I足足多出13颗。作为阶段性目标、覆盖中国及亚太大部分地区的“北斗卫星导航(区域)系统”也需要由4颗MEO、5颗GEO和5颗IGSO卫星进行组网。

而目前,北斗卫星导航系统仅到位了1颗MEO、4颗GEO和5颗IGSO卫星,所以只能称为“试运行”。等明年更多北斗卫星发射后,北斗卫星导航(区域)系统才会正式运行,而北斗卫星导航系统要具备完整的全球服务能力要等到2020年全部37颗卫星发射之后。

因为GPS系统的民码早已遭到破解,目前国内生产的GPS终端使用的芯片大部分是未经授权的,所以现在国内的GPS终端价格非常便宜。

问:这个系统怎么收费啊?该不会跟移动一样双向收费吧。

答:从原理上说,使用北斗卫星导航系统的定位、授时服务,北斗系统建设方是无法进行双向收费的。因为北斗系统采用无源定位原理,用户终端不需要发出信号。所以,北斗系统建设方不针对用户直接收费,而是采取对芯片制造商收取权利金的方式收费,用户购买北斗终端的时候就算作缴交了使用费。这个收费方式也是当前广播式无线电服务的主要收费模式,如GPS系统、卫星电视等。

但笔者估计这个权利金在民用终端零售市场也是非常难以收取的。因为GPS系统的民码早已遭到破解,目前国内生产的GPS终端使用的芯片大部分是未经授权的,所以现在国内的GPS终端价格非常便宜。如车载GPS终端,其GPS解码芯片所占的成本是很小,成本大部分是购买数字地图产生的费用。北斗终端在技术上与GPS终端是一样的,所以生产成本也一致,加上权利金的话,北斗终端的价格肯定会比现有的GPS终端要高,在零售市场上没有竞争力。所以,估计北斗的定位、授权服务收费会集中在高端企业用户。

当然,个人用户如果也要使用北斗特有的短信服务,那应该就需要交纳相应的费用了。

在卫星工作初期,需要针对狭义相对论和广义相对论带来的原子钟误差进行调校。这些狭义、广义相对论相关问题需要拥有不同大脑结构的那些理论物理学家才能解析清楚。图为美剧《生活大爆炸》剧照,剧中理论物理专业博士谢尔顿是一个“怪人”形象。

问:试运行期间25米精度怎么这么低啊?

答:在卫星工作初期,需要针对狭义相对论和广义相对论带来的原子钟误差进行调校,从而取得最后的稳定准确时间,这是卫星导航系统发展中继续经过的步骤。以GPS为例,根据广义相对论,由于物质的质量会导致时空扭曲,地面时间比GPS运行高度的固定平台上的时间慢45微秒/每天,但是根据狭义相对论,物体速度越快则时间越慢,高速运行的卫星平台会比地面时间慢7微秒/每天,一前一后就是38微秒左右的差距,而GPS定位本身需要的时间精度都是纳秒级别的,影响非常巨大。

在地面进行调校的原子钟只能尽可能的调校到匹配在轨运行的需求,必须经过一段时间运行确定相对论对星上原子钟的影响,取得合理的修正才能达到高精度。GPS在试运行期间民码的误差达到了100米左右,但是调校完成后很快达到了10米级。

问:正式运行以后的10米误差看起来也很差啊,美国的GPS不是到1米了吗?

答:GPS的1米精度是军用码,民用码也在10米左右。北斗现在宣布的10米误差也是针对民码提出的,军用将采用另外的编码系统。

北斗作为后来者,从现在宣布的设计指标来看,定位、授时精度都不逊于美国现在的GPS-II。但设计指标还只是指标,实际精度还要看系统调试的成效,影响卫星导航系统定位精度包括前面提到的原子钟调校,还有卫星测轨精度、卫星运行稳定性等因素。

问:北斗系统上最重要的分系统是什么?是国产的吗?

答:每个系统都很重要,但是最重要的话,笔者选原子钟。原子钟是工程物理和理论物理的高端结合,也是国家精密仪器工业发展水平的重要指标,这种产品想不国产化都没办法,对导航级的原子钟,西方是不会对中国出口的。北斗二代的铷原子钟,精度为2×10的负14次方秒/每天,等于运行五十万亿天才会有一秒的误差,不亚于伽利略系统和GPS第二代系统的精度。

目前,北斗卫星导航系统仍未能覆盖新疆、西藏部分地区,倒是覆盖了印度尼西亚、澳大利亚等多国的全部,这是由卫星运行轨道决定的,难以调整。

问:为什么当前只能在我国、及周边服务?

答:前面提到完整的北斗卫星导航系统由27颗MEO卫星、5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星组成。作为阶段性目标、覆盖中国及亚太大部分地区的“北斗卫星导航(区域)系统”也需要由4颗MEO、5颗GEO和5颗IGSO卫星进行组网。

当前北斗仅到位了1颗MEO、4颗GEO和5颗IGSO卫星,官方宣布北斗目前的主要性能服务区为东经84度到160度,南纬55度到北纬55度之间的大部分区域。根据这组经纬度进行4点连线来看,新疆、西藏仍有部分地区未能覆盖,倒是覆盖了印度尼西亚、澳大利亚等多国的全部,这是由卫星运行轨道决定的。

我国明年还会发射6颗北斗卫星,届时将能完全覆盖我国全部领土,全球覆盖则要到2020年全部37颗卫星发射之后。

问:有新闻报道说,北斗可以让解放军作战效能提高100倍至1000倍,有那么神奇吗?

答:这种说法源于现代军事学说里的“兵力倍增器”概念,通过数学模型来计算某种支援系统对作战能力的提升程度。例如,空中加油机可以大幅延长战机的制空巡逻时间,原来需要8架战斗机完成的巡逻任务,现在只需要4架战斗机去完成,简单地说,在这个典型事例里,空中加油机使原有兵力的效能提高了2倍。

在最近3届珠海航展,国产GPS制导炸弹简直可以用“雨后春笋”、“琳琅满目”等词来形容,但GPS是美国的系统,所以中国空军至今没有装备GPS制导武器。

卫星导航对军队准确调度、部署的作用非常巨大,以往的惯性导航、地图判读方式,在精度和便捷性上与卫星导航是无法比拟的。而且,现在很多武器弹药都采用了卫星导航制导(GPS制导),例如只需1万元左右的成本就可以将一颗最佳投掷精度只有3、40米的航空炸弹改装成精度达到5米左右的GPS制导炸弹。一颗GPS制导炸弹的作战效能相当于4、50颗普通航空炸弹,再考虑对飞机出动架次的影响,可以说GPS制导炸弹让空军执行对地面点状坚固目标打击时的效能提高了不止1000倍。但这种简单的计算不是在任何情况下都成立的,因为除了GPS制导炸弹,现在还有激光制导、电视制导炸弹等可供选择。

所以,在总体军力评估方面,100倍、1000倍这些准确的数字并无太大意义,数学模型始终无法模拟过于复杂的情况。但必须明确的是,北斗卫星导航系统对中国军队的意义非常重大,是战略级的。可以看到的是,在最近3届珠海航展,中国军工企业都展出来种类繁多的GPS制导炸弹,但8年过去了,中国空军始终未有装备,主要原因是GPS是美国的系统,中国军队不可能使用其军码。现在有了自己的北斗,解放军终于可以在武器上推广卫星导航制导,打击效能将得到极大提升。

针对无线电伪随机码的破解技术确有一定的前瞻性军事价值。但高杏欣破解北斗的民用编码,并会对北斗军事用途有所影响,因为军用编码算法是不断改变的。

问:听说北斗的编码不是被一个在美国留学的女生破解了吗?会有影响吗?

答:清华大学精仪系的本科毕业生高杏欣,在斯坦佛大学攻读博士学位期间破解了北斗的民用编码规则。其实GPS的民用编码很早就被破解了,上市了很多没有支付权利金的GPS终端,不然现在市面上的GPS终端也不会那么便宜了。伽利略系统刚发射试验卫星就被高杏欣破解了,比北斗系统更早,现在也还在推进计划中。破解主要针对固定不变的民码,通过破解伪随机码可以免费使用卫星导航系统的服务。

但是军用编码是难以破解的,例如GPS军用编码的算法是变化的,重复一次需要267天,按目前的数学研究水平是无法破解的。所以民码遭到破解,对北斗的军事用途并没有影响。

问:北斗要怎么面对与美国GPS、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯的竞争?

答:笔者不认为北斗与GPS、伽利略、格洛纳斯等卫星导航系统存在太大的竞争关系。

前面已多次提到,GPS系统的民码已经遭到破解,未交付权利金的GPS解码芯片在全世界民用终端零售市场里广泛存在。GPS是美国军方的战略资产,费用是由美国纳税人承担的,其设计之初并没有考虑在民用市场的盈利。GPS系统至今已发射了50多颗卫星,每次发射费用以数亿美元计,以后还要继续发射新的卫星以替代寿命到期的卫星,这个成本靠收取权利金是收不回来的。

有了GPS这份免费午餐的存在,作为后来者的北斗、伽利略和格洛纳斯自然不用过多考虑市场竞争的问题。所谓的“GPS产业链”更多是在数字地图、高性能信号接收机等应用方面的丰富和提高,这些其实跟GPS系统本身、GPS系统建设方——美国军方都是没有关系的。而军用方面更不存在什么竞争了,你用你的,我用我的,井水不犯河水,比拼的只有谁的定位精度更高。

中国建设自己的北斗卫星导航系统,主要着眼于军事、金融等关键领域不受制于人的战略考虑。无论军用或民用,北斗与GPS等卫星导航系统之间都不存在那种“你死我活”的直接竞争关系,“北斗打破GPS垄断”、“北斗赶超GPS”之类言论只是无稽之谈,国人不必对任何事物都持攀比心态。

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