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周末兼职

美国免费为全世界提供GPS服务,为什么中国还要搞“北斗”?

作者:admin 2021-08-13 我要评论

12月27日,在国务院新闻办公室新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承...

12月27日,在国务院新闻办公室媒体发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布——

北斗三号基本系统完成建设,于27日开始提供全球服务。这标志着北斗系统服务范围由地区扩展为全球,北斗系统正式迈入全球年代。

据介绍,北斗系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围,全天候、全天时,为各类用户提供高精度、高靠谱的定位、导航、授时服务。

自上世纪九十年代开始,北斗系统启动研制,按“三个步骤”进步策略,先有源后无源,先地区后全球,先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特点的卫星导航系统建设道路。

1从GPS说起

1957年十月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注,有一位名叫比尔·盖伊的数学家和一位叫乔治·威芬巴赫的物理学家,他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象,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。

这两位科学家对此进行了实验研究,发现假如在地面上架设多部接收机,就可以依据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体地方。他们非常高兴地把这个研究成就告诉了实验室主任弗兰克·麦克卢尔,说他们已经达成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一项研究,研究内容是五角大楼怎么样知晓茫茫大海中军舰的具体地方。听到两位科学家的汇报后他眼前一亮,既然你们可以发现卫星在哪儿,假如把问题反过来,卫星就能发现你们在哪儿,海军军舰定位的问题有思路了!

GPS系统就按这种思路启动了,策略中需要解决的第一个问题就是:卫星该使用低、中、高哪种轨道?假如使用低轨道的话,发射本钱比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,如此浩大的工程实在是负担不起。

假如使用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但除去高轨道卫星的发射困难程度大以外,更主要的是定位精度会非常低,缘由有两个:一是轨道太高会致使测量误差大,二是静止轨道与地面物体的相对速度非常小,不利于用多普勒频移的解算办法。

中轨道是比较折衷的策略,覆盖全球仅需24-36颗卫星。因为轨道是运动的,即便地面的物体不动,但相对卫星的速度也非常大,这就可以充分借助多普勒频移办法了。

基于以上综合考虑,美国选择了24颗卫星的中轨道星座。1978年发射了第一颗,全系统在1995年投入运行,现有卫星30颗,分为军用和民用两种定位模式,其中民用方法向全球开放。

2美国是否“活雷锋”?

GPS是个好东西,对大家生活品质的提高相当大,比如汽车和手机导航就尤为重要,大家告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更要紧了,重要时刻可以救命。这么好的东西,美国又投入了巨资,居然向全世界免费,难道美国政府是“活雷锋”?

其实即便GPS不免费那也收不上来钱,为什么如此说呢?由于GPS是单向通信体制,这跟广播电视塔类似。广播电视塔大伙都了解,它只管发射信号,有1个收音机听还是1万个收音机听,广播电视塔是不了解的。GPS系统也是这样,30颗卫星只管不停地向地面发信号,具体是哪个在接收并用这部分信号,它是根本不知情的。既然不知情,那还如何收钱?

通过售卖高价解码芯片来收钱行不可以?答案是不可以,由于GPS使用的是只发不收的单向通信机制,这对加密传输来讲是先天的障碍。即便搞了加密,没几天就会被破解了,特别是民码还需要容易易用,接收设施需要本钱低廉,这对加密来讲就愈加困难了。

假如GPS免费,则必然会在全球形成巨大的市场,依托这套系统会产生新的国际性产业,同时会形成一股强大的国家软实力,所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

GPS免费对全世界的民生来讲是个福利,但在军事方面却是个挑战。美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装,美国人也禁止不了,这对美国是否一个威胁呢?其实GPS开放的只不过民码,精度比美国军方用的军码差了十倍,先天就挫了一大截。更要紧的是,万一跟美国打起了仗,人家把GPS民码给你一停,你已经非常依靠GPS了,甚至连指南针都丢了,这可就抓瞎了。假如美国不给你停GPS,而是发个欺骗码,瞄准美国的导弹就可能飞到我们的阵地上,这愈加可怕。

所以说,他国的军备绝不可以用美国的GPS,一旦形成依靠就会像吸毒者一样没办法自拔,需要要进步本国的定位导航系统。当然,进步本国的定位导航系统也只不过少数大国的权利,由于全球定位导航系统实在是太浩大,综合国力微弱的小国家们根本就造不起,还是老老实实地继续用GPS吧,这倒也省心。

3北斗一代的起源

中国是个有抱负的大国,在定位导航卫星这事上可不可以图省心,事实上从上个世纪70年代就已经开始闹心了。七五规划中提出了“新四星”计划,随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的地区性系统策略,与多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没停止过。

80年代初期,以“两弹一星”元勋陈芳允院士为首的专家团体提出了双星定位策略,这是当时公认的最佳策略,但因经济条件等种种缘由又搁置了十年。1991年是个重大转折点,海湾战争把中国人打醒了,美国的GPS在作战中的应用很成功,决策层深刻意识到将来打仗没这东西是真的不可以,被搁置十年的双星定位策略于是立刻启动。

为什么不像美国那样搞30颗卫星的系统呢?当时的国情是又没经验又没钱,刚起步可得悠着点,从小打小闹开始吧,上来就玩大的容易搞砸锅。必然会有人问,在空间中三个坐标才能定位,两颗卫星不够用啊?这是个好问题,双星定位策略中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标,这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星,这就达成了三星定位。那为何不干脆发射三颗卫星呢?缘由非常简单,高度仪非常实惠,这个策略更省钱。

只有两颗星,当然不可以像美国GPS那样搞中轨道的,轨道低了覆盖面就小,两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行,那中国国内还咋用呢?因此只能搞高轨道的,而且还要是静止的,如此才能妥妥地停在中国国内的上空。

静止高轨道是双星定位的需要选择,从技术上讲这毫无疑问是正确的,但却埋下了性能不强的隐患,这就是要谈的下一个问题,北斗一代被诟病。

4北斗一代被诟病


MH370失联后出现了不少科普,令公众熟知了多普勒效应这个名词,那多普勒效应付卫星来讲到底是好事还是坏事呢?这要看是哪一种卫星。多普勒效应付导航定位卫星来讲是好事,由于卫星相对地面被测物体的相对速度越大,多普勒效应越明显,定位就会愈加准确,这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

但,多普勒效应付通信卫星来讲就是坏事了,由于频率偏移会致使通信失败,需要得做修正。比如坐落于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的,失联的MH370在最后阶段发出的7次探索信号被这颗卫星测出了频率偏移,这本来是要被修正掉的数据,没想到这却成了推断飞机航迹的唯一证据。用一句话概要就是:用通信卫星干了定位卫星的活,把本来是坏事的多普勒效应变成了好事。

既然中国的这两颗卫星是静止轨道的,自然可以与国际通信卫星一样完成通信赖务,于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特征,而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。

美国GPS不拥有北斗如此的通信功能,这真不可以说人家技术落后,由于人家的卫星系统是各司其职的,定位卫星和通信卫星两套系统的性能都非常优秀。而中国北斗一代是身兼两职,听起来功能愈加全方位,其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上,自然能收成了通信这个副业。

毕竟定位才是北斗一代的主业,大多数的信道资源都需要让给定位数据的传送,所以留给通信的信道资源就极少,它没办法完成实时的话音通信,只能完成短信功能。

因为这两颗星的轨道非常高,致使了地面被测物体与卫星的相对速度非常低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS。因此虽然官方宣传的北斗一代既能通信又能定位是独特优势,其实是通信功能比国际海事卫星差得多,定位功能比GPS卫星差得多,通信和定位虽说什么都能干,但什么性能都不可以。

平心而论,北斗一代已经达到了设计指标,工程是很成功的,毕竟就只有两颗星嘛,咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢?好比是你花了800块买了部双卡双待的山寨机,骂它不如苹果手机好,这其实并不公平。

可以做个假设,倘若没国际海事卫星和GPS卫星的话,那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的。但问题是北斗一代问世时,这两种卫星系统已经相当成熟了,在它们的对比之下,当然是各种被骂,研发职员们灰头土脸不敢吭气。

5与伽利略计划的姻缘


北斗一代的用体验比较差,那该咋往下走呢?这个时候中国看上了欧洲的伽利略计划,这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划,由于这个项目实在是太花钱,欧洲单个国家大家都搞不起,但又不可以不搞,虽然欧洲国家跟美国关系非常不错,但也不可以把国家安全都系在美国政府身上。

欧洲有技术但缺钱,于是他们瞄上了中国,中国正由于北斗一代不给力而发愁呢,自然是一拍即合。据报道称,中国加入了伽利略技术,并且拍了两个亿的入伙费。但中国愈加感觉不对劲,开始进步北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主如果完成短信赖务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当,申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致,这就不可防止地遇见了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有些资源,那该怎么样分配呢?国际规则是既不按国家来分,也不按人口来分,而是哪个先占了算哪个的。

先占先得的原则是西方发达国家拟定的,他们觉得这是各国都有同样机会的公平原则,理由是:你有本事你也打卫星啊,我又没拦着你,你不打是你一个人的事,假如你永远不打,难道说轨道和频率还要永远给你留着?这听起来也有道理,更重要的是,即便你感觉没道理,你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了,但并没开通,只不过占了轨道但没占频率,为什么没开通呢?缘由是没钱,开通需要烧钱的,欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了,而且上去就开通了,这下就把轨道和频率都占上了。

欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓,而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星,后来还搞起了一箭双星,而伽利略计划和北斗二代有的频率是重合的,双方都在国际电信网盟组织备案了,哪个先占上即使哪个的,中国的快步伐把欧洲搞急眼了,通过美国给中国施压,需要中国放慢脚步等等欧洲人民。

以前欧美国家凭着技术和经济优势抢占资源,中国技术和经济不给力只可以吃哑巴亏,你们从来就没谦让过,目前凭什么要我谦让?中国不理会欧美的抗议,按既定的步伐继续打卫星。

6亚太区域组网


虽然目前还没把35颗卫星打全,但亚太区域的北斗二代定位导航互联网已经建起来了,并已投入了用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗,它们各在太空上织就了一张网,GPS网眼最密处是在美国上空,北斗二代网眼最密处在中国上空,为当地提供服务是第一要务,这个道理当然非常不错理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS,而对于亚太国家来讲,北斗却比GPS更有优势。

亚太国家认识到了北斗的覆盖优势,中国政府也积极推进北斗二代在亚太区域的应用,于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家,于2014年7月来到中国考察北斗二代,研究讨论合作的事情。

第一站去的是武汉光谷北斗集团,参观了中国最大的遥感卫星地面接收站;第二站去的是黄石,参观了建设中的中国-东盟北斗示范城;第三站参观了北斗地球空间产业国际学院;第四站是参加“2014北斗技术与应用国际培训班”,在两院院士李德仁领衔的武汉大学测绘遥感国家重点实验室里连续学习了半个月。

行程安排是非常讲究的,先带他们参观,行程很密集不容你思想懈怠,一处更比一处高大上的北斗产业园区,令他们的双眼瞪得愈加大。在内心遭到了震惊后,再由国际知名科学家李德仁院士亲自讲课,解答你国用北斗的所有疑问。

泰国专家表示,有的GPS卫星的信号泰国收不到,而北斗所有些卫星信号都能接收到,当然要参加北斗的“天眼”计划,而且泰国目前已建成了首批CORS(连续运行卫星定位服务综合系统)。马来西亚紧随其后,将成为北斗“天眼”下一个落户的国家。

7在渔业的应用


北斗的初次成功应用是2008年5月12日的汶川地震,甭看大家平常的通信非常便利,电话、短信、网络等方法不少,但其实都是高度依靠光纤和基站的,当这部分基础设施遭到大面积损毁时,你会发现QQ、微信、微博、短信……所有平常很便捷的通信方法全都完蛋了,除去靠吼以外简直就没一点方法。

那时候北斗还是一代系统,虽然由于性能指标比不过GPS和海事卫星而被骂,但北斗一代在地震时却发挥出了不受地面影响的优势,它的定位和短信能力充分发挥了用途,成为了救援指挥部队和前线救援职员最得力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效借助,彰显了北斗服务民生的技术优势。

远洋渔业是个充满危险的行当,遇见风险时能得到准时救助尤为重要。再节省的渔民都会备齐两样电子设施,一是GPS,二是海事卫星电话,以便遇见风险时能准时求助。

遇见风险需需要救,第一要用GPS定好位,然后用海事卫星电话公告岸上的救援队,告诉他们我遇险的GPS坐标,以便他们来救我。当然也有用电台的,但电台的靠谱性不如海事卫星电话,生死攸关时通不上可就抓瞎了。但,养一部海事卫星电话是非常贵的,但为了重要时刻救命又不敢不养,不少渔民对此非常纠结。

北斗二代在亚太区域布网后,渔民有了一个新选择,那就是装北斗卫星船载终端,北斗的双向短信功能在渔船救险方面得到了完美应用,遇见险情后一键求救,终端会自动把附携带定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队,达成了GPS+海事卫星电话的功能,而且愈加便捷。

那这个终端贵吗?政府大力竞价,将之列为安全机械设施,享受农机补贴政策,政府额外拿出了1个亿,免费为辽宁、山东、浙江、海南的1万艘渔船安装北斗终端,后续再安装的直接补贴九成,渔民仅需象征性地出一成的钱就可以安装。

海事卫星电话非常贵,那北斗卫星短信贵不贵呢?答案是一条三毛!这是有史以来最实惠的卫星短信了。为什么这么实惠,有政府补贴呗,其实根本就没考虑本钱,收费是象征性的。

北斗卫星的短信功能很受青睐,依据浙江2011年的统计,浙江渔民借助北斗卫星发短信1300万条,其中船与船互通604万条,船与手机互通696万条。

渔业省份在岸上大建基于北斗二代的渔业信息服务基础设施,通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息,甚至还有当日渔市价格,帮渔民决定捕捞哪种鱼,渔民在海上就可以把渔获信息传到岸上,提前联系好卖家。

8“两客一危”与地基增强系统


“两客一危”指的是从事道路班线客运、旅游包车、危险货物运输车,这部分都需要安装电子定位装置,并将运行信息准时接入到全国的联网联控系统中。在交通管理部门的监控大屏幕上,汽车的运动状况一清二楚,超速闯禁行等违规驾驶行为会自动报警,这是一项保护人民生命安全的法规。

“两客一危”的范围还在扩展,警车、公务车、校车也正在被纳入到卫星定位监控系统之中,不止是为了行车安全,还要监控公车私用,汽车行驶路线清了解楚,数据妥妥地存在数据库里,由不能司机遮掩狡辩。

这种对特种汽车的卫星监控,以前需要用GPS,目前被政府明令需要需要用北斗二代。有的人为此质疑过政府,以前基于GPS的系统本来就能完成任务,目前为了竞价国产北斗就来硬的,这不是劳民伤财吗?

这真不是功民伤财,而是有着长远规划的必要手段。中国正在谋划搞北斗二代的地基增强系统,在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设施,形成北斗的地基增强系统,与天基的卫星相互配合,可达到米级以下的实时定位精度。

北斗二代的天基系统和地基系统一旦成功结合,那大货车就再也不敢长期占用超车道了,而以前的GPS定位精度是10米,是没办法区别车道的。给小孩戴的定位手表会愈加精准和灵敏,定位信息不再是“在某地附近”,而是精确到小孩站在哪块地板砖上。

地基增强系统是要与天基系统密切配合的,假如把这个遍及全国的国字号系统搭建在美国GPS的基础之上,那万一人家收费了呢?或者把底层数据屏蔽了,那大家就被会卡了脖子。大家已经有了完全自主产权的北斗二代,自己家里的地基增强系统当然要跟自己家里的北斗二代配对。

9形变监测与自动驾考


北斗二代的作用很很多,据统计有200多项,比如有一项就是形变监测,专门对水坝、大桥、高速公路等巨大建设物的沉降和变形做测量。网友们必然会疑问,北斗与GPS的精度都是10米,咋能搞这样细致的活计呢?这来自于差分算法技术。

任何测量都是会有误差的,而把多次测量后的结果统计平均,就会有效地降低误差。卫星定位的差分算法也是这个道理,一次定位的精度是10米,但把成千上万次的定位数据进行合并处置,就大概得到愈加精准的结果,甚至精确到毫米以下。

非常显然,测量的次数越多和时间越长则精度就越高,而建筑物的沉降和变形是缓慢的,正好可以借助这部分特征来进行高精度测量。把北斗设施固定在建筑物上面,令它自动地接收定位信息,攒足了一个月的大量定位数据后进行差分计算,精度在毫米以下的定位数据即使出来了,这比人工测量便捷和准确得多。

不少偏远监测点是没手机信号的,基于GPS的形变监测需要得人工采集,而用北斗进行形变监测还有个好处就是数据可以直接通过北斗短信功能传回基地,给它安个太阳能板就齐活了,定位、差分解算、数据回传全部智能化。

在地面设施的配合下,北斗的实时定位精度已经远远高于GPS,目前已经达到了80公里/小时状况下2厘米的精度,这就给另一种业务提供了技术方法,那就是基于北斗二代系统的无考官驾考。

目前的倒车入库等驾考项目已经有电子监控了,压线就会报警,但路考还要有考官。将来的全部驾驶课目考试可能被北斗系统全方位取代,在考试车上安装北斗接收机,无论是倒库还是路考,系统都会精确实时记录汽车轨迹,并自动评分,会比考官更严格和公正。

10北斗二代的政府竞价

北斗二代是国字号工程,政府当然会竞价,但竞价的路子跟以前非常不同了。大约七八年前吧,手机上有了Wi-Fi功能,而中国政府感觉这个技术指标不好,于是推出了国家自主常识产权的WAPI标准,试图以此取代Wi-Fi。其实并非只有中国这么干,韩国也推出了我们的技术指标并抵制Wi-Fi。

Wi-Fi技术简单便于竞价,这也是它盛行全球的主要原因,但它也有死穴,那就是单向的安全机制并不靠谱。3.15晚会上有戴眼罩的互联网安全职员现场表演了劫持观众手机信息,媒体也常常刊登手机用户接入免费Wi-Fi致使损失的报道,这都是Wi-Fi先天技术缺点所致。

中国的WAPI标准是双向安全认证的,的确比Wi-Fi更安全,政府为了竞价它而把行货手机的Wi-Fi功能阉割了,想要Wi-Fi功能的话只能买水货手机。此举引来大多数人的不满,但最后也没挡着Wi-Fi的时尚,后来就低调放开了。行货手机上也有了Wi-Fi,而WAPI并没竞价开,目前只不过在军队等有保密需要的场合用。韩国政府抵制Wi-Fi的行动也同样失败了。

中国政府在竞价北斗二代方面显然有了新的思路,不再用行政力量去限制其角逐技术了,而是使用免费或补助的方法,事实证明这招愈加有效。比如渔船安装北斗设施,政府并不禁止渔民继续用GPS和海事卫星电话,而是给北斗设施提供很多补助,卫星短信也只不过象征性地收费,明显北斗策略更划算,渔民当然会装北斗而弃用GPS和海事卫星电话。

北斗二代有200多项应用,需要全社会的高科技企业去研究开发,不断提供更好的北斗商品,如此才能把北斗产业做大做强。中国已经有了不少搞定位导航的高科技企业,它们大多是搞GPS起家的,政府的科技部门请这部分老总来开会,领导讲话言简意赅:欢迎各位继续搞GPS的研究开发,政府绝不会限制和干扰,但假如搞北斗二代项目的话,会享受高科技企业的免税政策,还会从某处得到支持资金。

北斗二代的技术体制与GPS差不多,由GPS转向北斗并不难,政府划下道了,企业老总都是人精,纷纷表态要改道搞北斗项目。被请来开会的还有高校教授,领导又说了,政府有一笔北斗科研的经费,欢迎教授们来立项,教授们也纷纷表示要申请北斗科研项目,哪个还傻乎乎地继续研究GPS啊,美国政府又不

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