韩国游 购物清单:北斗导航系统解析

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。