揭秘北斗往事:不能依赖美国GPS “银河号事件”加速研发进度

腾讯科技 腾讯科技 2020-06-24

1993年,美国关闭了银河号附近海域的GPS导航服务,致使船只失去方向感,迫使其自然停止航行。这被视为中国90年代三大耻辱之一,也再次惊醒了中国人——美国人的GPS是靠不住的。


来源:华商韬略(ID:hstl8888)
作者:陈俊一

1993年,中国的海运货船银河号在公海航行期间,美国关闭了它附近海域的GPS导航服务,致使船只停止航行,并上演了震惊世界的银河号事件。

银河号事件是中国90年代的三大耻辱之一(另外两件是台海危机和使馆被炸),也再次惊醒了中国人——美国的GPS是靠不住的。


北斗,横空出世

原计划在6月16日10时择机发射的“北斗三号”最后一颗全球组网卫星,在推迟一周之后,终于在6月23日上午9时43分在西昌成功发射。


至此,“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署,比原计划提前半年完成。

收官之星的成功发射,预示着北斗系统已经具备全球服务能力。


此次发射的收官之星,是“北斗三号”组网卫星中最重、最大的一颗。“大块头有大智慧”的它,具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、短报文通信、星间通信与测量六大功能。

北斗的建成与收官,既是扬眉吐气的时刻,又是历经屈辱的过程。它再次证明,靠山山倒,靠水水干,中国的繁荣、昌盛、强大只能靠自己。


中国人建设自主导航系统的设想,由来已久。

上世纪70年代,“七五”规划提出了“新四星”计划,随后又提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星的全球系统设想。

80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体,又提出了“双星定位”方案,被公认为当时最优的解决方案。

但各种原因下,它的建设足足被耽误了十年。

直到1991年,海湾战争爆发。

当时,GPS系统依然处于初级阶段。但美国却凭借这一技术,在面对伊拉克时获得了压倒性优势。

伊拉克如同无头苍蝇一般,军队、武器全都失去了目标和方向,而美国的GPS却仿佛“上帝之眼”:侦察机、战斗机随时精确掌握自身位置、记录敌方位置,快速绘制战场态势图,确定敌方军事部署、防空火力,随即展开精确打击。

GPS信号设备甚至被发放到每名士兵手里,实现了整个战场态势从宏观到微观上的精准把握。

海湾战争中,两名女子走过巴格达的废墟


这场世纪之战,让国家领导人深刻认识到卫星导航系统在战争中的重要作用。当导航系统渗透到战场上的每个作战细胞,意味着没有导航系统,将丧失现代战争的主动权,所有军事行动,不但会被敌军监控窥视,甚至彻底瓦解。

而北斗卫星导航系统的首要任务,就是彻底打破解放军对GPS的依赖,将主动权牢牢掌控在自己手里。

海湾战争毕竟是“隔岸观火”,“银河号事件”则属于被美国直接“侮辱”。

1993年,中国海运货船银河号行至公海,忽然接受不到GPS信号。原来,美国关闭了银河号附近海域的GPS导航服务,致使船只失去方向感,迫使其自然停止航行。

这被视为中国90年代三大耻辱之一(另两件是台海危机和使馆被炸),也再次惊醒了中国人——美国人的GPS是靠不住的。

这激发了中国加快研发自有导航系统的进度。

1994年,中国启动“北斗一号”系统工程建设;

2000年,发射第1颗北斗导航试验卫星(“北斗一号”共四颗卫星,现已退役)

2004年,启动“北斗二号”系统工程建设;

2012年,完成14颗卫星(5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星)发射组网;

2009年,启动北斗三号系统建设。收官之星在6月23日发射后,今年将全面建成北斗三号系统。

历时26年,巨龙天眼方才腾空而起。


全球导航争霸史

全世界的导航系统发展,更是历经无数波折。

1957年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”,迅速激起美国人的危机感。

这场被美国人称为“斯普特尼克时刻”的危机,直接刺激了GPS的诞生。甚至在2007年俄罗斯纪念“斯普特尼克1号”上天50周年之际,美国人同样举行了缅怀仪式,感谢前苏联带来的刺激。

斯普特尼克1号


苏联第一颗人造卫星上天之后,美国也在对这颗人造卫星进行检测,美国霍普金斯大学应用物理实验室科学家比尔·盖伊和乔治·威芬巴赫发现了一个现象,那就是这颗卫星的频率出现了偏移,经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。他们发现,如果在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出卫星的具体位置。

他们将这个研究成果上报给实验室主任弗兰克·麦克卢尔,说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。

弗兰克主任当时在做海军的“子午卫星系统”,即研究如何给军舰定位。听到两位科学家的汇报后,他眼前一亮:既然你们能够发现卫星在哪里,如果把问题反过来,通过多颗已知位置(实际需要4颗,3颗用于三维定位,另一颗用于校正误差)的卫星,同样可以确定地面信号接收器的位置。

于是:

1958年,子午卫星系统(NNSS-TRANSIT)开始设计;

1964年该系统正式运行;

1967年该系统解密以供民用;

1973年,美国国防部批准研制GPS;

1991年海湾战争中,GPS首次大规模用于实战;

1994年,GPS全部建成投入使用;

2000年,GPS取消实施SA(对民用GPS精度的一种人为限制策略)

目前,世界四大全球系统包括:已经建成并且投入全球完全服务的美国的GPS和俄罗斯的GLONASS,即将完成全球组网实现全球完全服务的中国北斗系统和欧洲的伽利略系统。

区域系统,则有日本的准天顶卫星系统(QZSS)和印度区域导航卫星系统(IRNSS)

全球四大导航系统中,GPS的前身NNSS实际上1957年就开始研发,GPS于1973年开始立项,综合实力最强。

俄罗斯GLONASS系统是1976年苏联时代开始建设,1996年1月18日正式建成,但GLONASS在20世纪90年代后期经历俄罗斯经济动荡,直到2003年才开始全面升级和发展,并于2011年年底实现全球覆盖。

GLONASS的抗干扰能力较强,但卫星工作寿命较短。目前,GLONASS的全球定位精度约为5m,俄罗斯境内在增强系统的辅助下精度可达0.5m,随着GLONASS现代化的进程,预计未来几年,其定位精度可与GPS相当。

伽利略系统是欧空局与欧盟在1999年合作启动,2005年首颗试验卫星成功发射,2008年开通定位服务。伽利略系统是纯民用系统,其他三大全球导航系统都是军民两用,都拥有精度更高、抗干扰能力更强的军用信号。

此外,伽利略系统不具备星间链路技术,而北斗、GPS、GLONASS都有。有了星间链路,哪怕没有全球建站,也可以跟所有卫星相连。但没有星间链路,卫星就只好各自为战,一旦地面站出问题,整个星链会因为缺乏自主运行能力而陷入瘫痪。

北斗系统1994年立项,其实起步比伽利略还早,并呈现加速发展状态。


迟亦不生变

本来,北斗系统今年6月中旬就会完成全球组网。但2020年6月16日晨,原定于上午10时发射的“北斗三号”最后一颗组网卫星因技术原因,发射推迟。

发射前的“长征三号”甲火箭


作为收官之星,它的发射牵动了全国人民的心。但科学不容一丝疏忽,果断暂停也是另一种争分夺秒。而且另据消息,最后一颗卫星的延迟发射,与海外某国的干扰有关。

“北斗二号”系统的首发星,也曾历突发的暂停。

2007年4月,“北斗二号”首发星即将发射,但就在第三次总检查时,卫星的应答机出现异常。早在2000年,中国已向国际电联申请了北斗导航卫星的信号频率。根据规则,必须7年内将卫星发射入轨,并成功向地面发送信号,才算真正占住这个频率。

此时,距离国际电联要求的7年截止日期,只有十来天时间。

面对进退维谷的困境,中国航天人突破常规,打开整流罩,打开卫星舱板,将工作不正常的应答机取出。所有参试人员进驻发射场后,搬设备、扛机柜、布电缆。大干3天没有片刻喘息,接着就是200小时不间断地加电测试。

这一次,院士、型号总师和技术人员一起排班,排除了大量险情并历经种种考验。

2007年4月14日,卫星顺利升空。4月17日晚8时,在频率截至时间4小时前,卫星准确无误地向地面发送了第一组信号,任务圆满成功。

北斗,从此确立了自己的频率。

相比于13年前“北斗二号”首发星的紧迫,本次收官之星的延迟发射,虽然仍然牵动万千人心,但和13年前的争分夺秒相比,仍然是相对从容,最终也只是延迟了一周时间。


造不如买?

与今天华为被美国四面围堵激起国人推崇独立自主的热情相比,上世纪八九十年代,国内“造不如买”的观点正大行其道。

人们不能站在未来去苛责前人,正如很多人痛惜“运十”大飞机项目下马,主张“造不如买”的人也确实有时代的原因:当时中国基础工业能力薄弱,造一架飞机,成本远高于进口,从性价比的角度,确实“造不如买”。

最终,“运十”项目被下马。

“运十”总设计师马凤山与运十飞机合影

北斗立项之时,也曾经历过“造不如买”的质疑。

当时,美国GPS、俄罗斯GLONESS基本完成全球组网。但以北斗一号李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人攻坚克难,于2003年建成了北斗一号系统,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。

当时欧洲的伽利略系统也正在研发,且初期进展快于北斗,在原子钟等技术上也领先中国。因此,2003年,中国投入2.3亿欧元参与伽利略的研发,并2004年10月签署了正式合作协议,希望借助欧洲先进技术,助推北斗研发。

但欧盟担心核心技术外泄,2007年,将交了一大笔钱的中国踢出了“伽利略计划”。

2007年,“北斗二号”首发星在延迟几天之后,仍然成功发射,占据了E1、E2、E5B和E6频段,并拥有这些频率范围的主要权利。而E1、E2频段,本来是分配给“伽利略计划”的公共监管服务的。

这又是怎么回事呢?

原来,欧盟在将中国踢出“伽利略计划”之后,自身内部却陷入矛盾,卫星发射连连延迟。但国际电信联盟的(ITU)频率政策是:谁先使用,频段就归谁。

北斗自然当仁不让!

但欧盟却反过来指责中国占用伽利略的卫星频率,并要求中国更换北斗导航卫星的频率。这样的无理要求,中国自然不可能答应。

此后,伽利略系统屡出故障,甚至长期瘫痪。从世界标准时间2019年7月11日1时开始,伽利略卫星导航系统突然中断,直到7月16日19时才恢复,卫星服务中断长达117个小时。

事后调查指出,系统瘫痪的罪魁祸首,竟然是人为失误加管理混乱:因为地面工作人员在进行系统维护时犯下错误,使得伽利略系统所有在轨的22颗卫星在近一周时间内连续发送错误坐标。

总部位于捷克首都布拉格的欧洲导航卫星系统管理局,与总部位于法国首都巴黎的欧空局,都在负责伽利略系统的部分工作。这种二元组织形式,导致管理存在矛盾,协调沟通不畅,“伽利略”故障频频。

“伽利略”瘫痪的同时,中国的北斗卫星却在不断发射,覆盖区域从中国到亚太再到全球组网,民用信号定位精度也从10米进步到5米。

“造不如买”的言论,终于被“买不如造”的现实所逆转。如今,自主可控成了共识,国货之光成了新潮,北斗全球组网更让国人的信心大增。


北斗光耀全球

作为全球四大导航系统的后来者,北斗拥有巨大的后发优势:

1、北斗系统采用高、中、低三种轨道卫星组成混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区服务优势更明显;

2、北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;

3、北斗系统创新融合了导航与通信能力,具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力。

应用北斗之后,类似马航MH370的消失事件,再也不会上演。

MH370搜救为什么如此困难,主要因为没有飞机的定位信息,飞机坠落的位置只能靠推断。MH370只能单向接受GPS卫星信号,并经过计算得出飞机所在位置,但飞机位置并不能直接反馈给卫星,而是每过一段时间发送给附近的地面监测站,再由监测站转发出去。

这套复杂的系统,一般情况下没问题。但当飞行员故意切断通信系统时,就会彻底失灵。MH370就这样消失在了人类世界。

如果北斗导航应用到民航系统,那么,客机上具有全球短报文功能的北斗终端,可以不停把定位信息上传给卫星,一旦飞机发生意外,就能第一时间报警。而且北斗短报文直接通过卫星转发,不会因为地面检测站等基础设施缺乏而无法报告位置信息。

北斗的应用场景非常广泛,不仅可以应用在机车运行控制系统、机车定位、机车监测、航海航空航天等导航、自动驾驶相关,还可以检测管道、房屋变形,检测电子边防界碑。

可以说,能够限制北斗应用场景的,只有人类的想象力。


新王老王的终极对决

GPS作为全球导航市场几十年的王者,积攒的技术底蕴不可小觑。

而在全球四大导航系统中,北斗实际上已经超过了欧洲故障不断的“伽利略”,和缺乏资金维护的俄罗斯GLONESS系统,成为新晋王者。

北斗在卫星数量、通信功能等方面超过GPS,定位精度(北斗的水平和高程定位精度实测均优于5米,通过遍布全国2600个地基增强站组成的地基增强系统,还可以提供米级、分米级、厘米级等增强定位精度服务)和GPS相比虽然略有落后;但在民用级别上,5米的精度并不影响使用;而在军用级别上,各自都能为军队提供远超民用级别的精度。

据统计,GPS自20世纪80年代以来,已累计创造商用价值1.4万亿美元(GPS的研发费用大约是300亿美元,回报非常可观),且90%均是在2010年之后创造的。其中,51%是由电信领域创造,24%是车辆信息系统。信息技术的进步、设备的小型化和商品化、智能手机的出现和车辆保有量的快速增长,都是GPS商用价值增长的强劲推动力。

中国卫星导航产业从2006年以来保持快速增长,根据中国卫星导航定位协会发布的《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示:2019年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元,较2018年增长14.4%。卫星导航产业核心芯片、器件、算法、终端设备等增速开始下降,衍生关联产值继续保持较高增长。2019年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量累计已突破1亿片,国内卫星导航定位终端产品总销量突破4.6亿台,其中具有卫星导航定位功能的智能手机销售量达到3.72亿台,含智能手机在内采用北斗兼容芯片的终端产品社会总保有量已超过7亿台(套)。

目前在中国大陆销售的手机,除了苹果,几乎所有安卓手机都支持基于北斗的定位服务,运营商的5G基站也全部采用北斗授时服务,北斗应用正在诸多领域迈向标配化发展的新阶段,北斗每年的商业价值,也是超千亿元级别的规模。

北斗三号IGSO-2卫星发射


我国本身就有着巨大的市场规模,“一带一路”沿线国家也是北斗的重点目标市场。

如今在全球四大导航系统中,欧洲“伽利略”实力最弱,俄罗斯GLONESS系统缺乏资金维护,竞争中呈现颓势。

北斗唯一的对手,就剩下GPS了!

天时地利人和,北斗俱备。新老王者的终极对决,正在全世界面前上演。

8万多名工作人员,300多家研发单位,跨越四分之一个世纪的持续努力,让我们终于可以——如若再有银河号的事件发生,大声地说出那一句:别了,GPS!



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