东方修道远，北斗定天恒（二）

三、加速向前的北斗二代

北斗一代其03星2003年底正式组网之后，2004年9月，北斗二代卫星导航系统建设被批准实施,2007年发射第一颗测试星。

北斗二代星座，包括轨道高度36000公里的地球静止轨道(GEO)卫星5颗，和倾斜同步轨道(IGSO)卫星3颗，还有轨道高度21500公里、平均分布在倾角55度的三个平面上的中圆轨道(MEO)卫星27颗，一共35颗卫星组成，均以国内可靠性最高的东方红三号卫星作为平台，总投资预计600亿元人民币。

2011年12月27日上午10时，国务院新闻办公室宣布北斗二代系统正式试运行，并发布了北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（ICD）测试版。

截止2012年底，北斗二代已经发射了16颗星，除2009年的一颗因轨道漂移失效之外，其他的15颗星均处于正常工作状态（G6在调试中），形成了5颗GEO+5颗IGSO+6颗MEO的部署状态。

表1：北斗二代卫星概况

可以看出，北斗二代的实施部署速度要明显快于北斗一代，仅2012一年就发射了6颗，两次是一箭双星方式。其原因是多方面的：

1 根本上是国家财力的持续增长，为北斗二代提供了坚实的物质基础。

2 北斗一代成功，起到了理论验证、设计验证和系统验证的三大目的，技术可行性基本过关。

3 北斗一代实验性系统的诸多劣势，需要根本性改变，才能提高系统的商业可行性。

4北斗一代的寿命只有8年左右，01星和02星先后到期停止工作，2007年2月3日发射的最后一颗北斗-1D星意外失效，只有2003年5月25日发射的北斗1C一颗星还在轨工作。

5 与欧洲伽利略系统的竞争进入了关键阶段。

中国的速度虽快，还是比不过美国，人家都快GPSIII了。要说咱们是小乌龟，那是因为美国是兔子；可要说咱们是兔子，那是因为欧洲是小乌龟啊，呵呵。

至此，北斗二代一期工程顺利完成，从2013年开始，将为亚太地区提供免费高精度卫星定位服务大体如下：

1导航定位服务。其精度为：到重点地区水平10米（一代是100米），高程10米（一代无）；其他大部分地区水平20米，高程20米；测速精度优于0.2米/秒。

2012年4月，国家遥感中心副主任景贵飞介绍了武汉大学刘经南院士团队的成果，利用附加设备和专业技术，可以进一步将北斗二代的导航精度已从10米级提高到2米以内，并首次在专业领域达到GPS的厘米级——GPS附加专业级设备的定位仪，可以测试大坝厘米级别的压力变形——那不是一般的牛啊。

2 授时服务：授时精度可达到单向优于50纳秒，双向优于10纳秒。

时间标准，是一个国家的基准数据。金融、电力、广播电视、航空、航天以及互联网和电信等各种应用网络设备的行业和部门，其服务器、交换机、路由器、终端等各种设备，需要通过时钟校准方式进行严格的通信同步，否则就有可能造成数据传输故障甚至网络瘫痪。因此授时服务的重要性，不言自明。

授时服务（timeservice）一般有四种模式，短波授时（电台发播时间信号，简称时号），长波授时（精度高于短波授时）、网络授时和卫星授时。卫星授时的范围最广、精度最高，是目前广泛采用的授时模式。无论哪种授时模式，都依赖于高精度原子钟。兵器迷再卖个关子，咱后边详述。

根据总参谋部命令，2010年4月29日16时00分00秒，解放军标准时间通过北斗二代卫星导航系统成功发播并正式启用。2011年5月，总参测绘局基于北斗二代卫星导航系统进行授时的第一款“军用标准时间表”，顺利通过了相关军地专家的全面鉴定和评估.

图6

北斗二代军用时间表

到2020年，中国将继续完成后续星发射任务，导航系统服务范围将达到全球范围，导航定位精度将提高，全球区域达到水平5米，高程8米。

北斗二代将基本消除北斗一代的四个劣势，同时短信通信优势依然存在，而且GEO卫星数目增加到5个，短信用户容量会大大增加。不过任何通信卫星都始终存在信道限制，短信容量不可能无限制增加，通信优先权势在必行。

表2：全球定位系统概况说明

于此同时，北斗二代的终端，也开始向小型化趋势发展。从砖头到手机，这个意思…那还是很有意思滴，呵呵。

图7

北斗小型化手持机

四、北斗二代的几个问题

为什么其他国家的定位系统都是MEO（中圆轨道）星，而北斗二代要用GEO（地球同步轨道）和IGSO（倾斜同步轨道）星？

——前面谈过，美、欧、俄的地面站都是全球部署，对于MEO星的轨道测控覆盖率能达到80-100%，即基本上是全弧段测控。中国没海外殖民地，其他国家又要听美国的招呼，美国不点头，就不接受中国海外布站——啥叫软实力，这就叫软实力。因此中国国内站点对MEO星只能跟踪40%。

根据天文学理论，我们如果知道天体轨道上三个点的数据，就可以推测出其运行轨道，当然可测量的点越多，而且越是不同弧度上的点，轨道数据计算越准确。如果北斗二代全用MEO星，那么其他60%弧段的卫星轨道数据我们就只能根据理论去外推，再加上我们的星载原子钟精确度低于欧美，卫星轨道测量精度不足，定位精度会受影响。

北斗人琢磨，没有足够的海外站，没有高精度原子钟，又要设计全球高精度定位系统——Mission Impossible啊。

最终，这还是没能难倒北斗人。

首先，北斗二代采用了GEO星，且5颗星全密布在东经58.5度到东经140度这一段中国领土上空，可以实现100%测控。而且还能当作短信数据的通信卫星使用。

然后，又采用了3颗IGSO星（一期MEO不足，IGSO又多加了2颗为5颗），3颗IGSO卫星，轨道最北到北纬55度，形成8字形的南北运行轨道，保证了接近80%的轨道测控率。

这两类星座的高测控率，使得北斗二代整体的精度控制大大提升。GEO+IGSO+MEO星座，是中国定位系统的模式创新，它最大限度的降低了中国缺少全球布站和高精度原子钟对高精度轨道测量的影响，是非常值得书写的一笔。

GEO星座的好处说完了，其中的不足也要说清楚——兵器迷从来都是中庸派，过激的言论，或者明明知道不足，却报喜不报忧，那不是咱的调调儿。

GEO地球同步轨道是一个非常宝贵的资源，几乎所有广播通讯卫星和很多其他专业卫星都挤在上面，很容易出现问题。因此国际电信联盟ITU规定：GEO轨道卫星一旦偏离0.1度，就必须进行轨道调整。但是轨道微调期后，为了获得新轨道的精确定轨数据，需要观测2-3天的数据，这期间这颗卫星就不能用于定位了，即出现工作断点。

解决的办法，一个是增加备份星，你调轨的时候我顶上去。另一个就是研究快速定轨方法，减少断点时长。中国人正在这个方法上卯足了劲研发，希望能够早日听到好消息。

北斗二代原子钟的进展如何？

——前面说过，卫星定位系统两大核心功能，即可定位服务和授时服务，都基于高精度星载（和地面）原子钟。

原子钟主要有铷钟、氢钟和铯钟三种，其中最精确的是氢钟。世界上最准确的氢钟，设在美国科罗拉多州博尔德国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内，1999年建成，误差为2000万年不到一秒——最好的东东咋都在美国呢，真是不服不行。目标有了，中国人加紧赶吧。

欧美用于卫星定位系统的星载原子钟，精度一般能达到10的13次方，大约就是百万年差一秒。

根据1991年1月11日的《人民日报》报道，中国计量科学研究院研制的铯原子基准钟，其精确度相当在十万年误差1秒。与国外相比，中国产品在可靠性、长寿命、重量等指标上还有差距，而且高精度氢钟还是空白。改革开放后，中国曾经从美欧洲进口高精度原子钟，价格上百万美元一台。而且北斗一号系统开始研制后，国外也就立刻宣布对中国禁运了。

看见了吗？天价卖给你，这叫对华友好；出多少钱也不卖，这叫防范中国威胁。

什么是遏制？这，就是遏制。

2012年10月17日，航天二院203所研制的两台高精度星载铷钟电性件，通过有效载荷总体的验收，将用于北斗二代二期导航卫星。精度也达到百万年差一秒。国产铷钟的长期频率稳定度指标提高了5倍以上，重量降低达30%以上，减轻了卫星的负荷；产品寿命从8年提高到12年以上。

看见了吗？你给我免费用，我要发展北斗；你卡我的脖子，我也要发展北斗，而且还要做成。

什么是志气？这，就是志气。

北斗卫星的抗干扰情况如何？

——干扰与反干扰，是卫星通信的基本课题，在现实中也不乏实例。比如，2002午大陆“鑫诺”一号通信卫星曾被法轮功成员从台湾发射电波予以干扰盖台。GPS定位信号的干扰与反干扰之争，更是道高一尺，魔高一丈。

首先，美国GPS在发布定位信号时，对民用信号就加了人为干扰。一开始，GPS军用P码定位精度是16米（目前是6米），民用C/A码是25-100米（目前是12米）。所以，为了获得高精度信号，就要进行干扰误差矫正，即差分GPS（DifferencialGPS）。原理也很简单，就是在一个已经精确测量过经纬度（设位置数据为A1）的固定地点，以1个C／A码用户接收器接收GPS定位信号（设位置数据A2），将A1与A2进行比较，其中的误差就是“GPS定位误差差分量”。将这个差分量传播出去，供该地区GPS用户进行定位修正。如此，定位精度提高约10倍之多。中国在差分GPS上下过很大的功夫，国内有20多个差分站，可以将精度提高20多倍，比如100多米精度的定位信息，差分后最多误差不超过5米，还是很有水准的，呵呵。

再有，就是GPS干扰设备。一般来讲，GPS干扰机的干扰距离，与制导武器的定位阶段有密切关系。比如，在导弹刚开始获取GPS信号的时候，100瓦GPS干扰机的影响距离可以达到960公里以上。如果在运行时途跟踪GPS信号的过程中，100瓦干扰机的干扰距离就下降到45公里。

有看官问了：那么，干扰GPS信号之后，对精确制导武器的影响究竟有多大呢？

据外电报道：1996年台海危机的时候，二炮曾向台湾近海发射弹道导弹。二炮部队的训练，在所有部队中，也是极其严格的，发射的导弹又是性能稳定的高精度导弹。第一枚就打出了精度较好的成绩。但是，第二枚居然差了2.6公里，令人惊诧不已。后来才发现，美国就在那个时刻对中国东部沿海的GPS信号进行了干扰，目的是对比测试中国导弹部队对GPS的依赖性。兵器迷分析，虽然中国导弹当时未必直接采用GPS进行制导定位，但是部分进口装备的时钟校准仍有可能采用的是GPS授时信号，因此误差急剧上升。

2012年官方报道称：虽然正在大力推广北斗定位系统，但由于部分进口装备预装GPS模块，中国军方仍未强制禁止在军中使用GPS信号——革命尚未成功，北斗仍需努力啊！

目前，俄罗斯的GPS干扰机货物美价廉，网上都采购到。一个3-10公斤（不含电池）的100瓦干扰机不到5万美元，能对美国现有GPS系统的四个频段实施有效干扰。2003年3月24日美伊战争期间，美国国务院就曾抗议莫斯科航空转换公司出售GPS干扰设备，导致美方精确制导武器失灵。老毛子的买卖认钱不认人，中国人要留点神啊。

由于美军的精确制导武器对GPS的依赖性很大，因此非常重视GPS信号的反干扰。大力开发了具有90分贝抗干扰性能的GPS接收机。同样对于100瓦的干扰机，其干扰距离减小到定位初期4800米，定位跟踪期480米。美国2005年入役的第二代JDAM导弹，已经装备了这样的抗干扰GPS接收机。不过，美国现役和库存的大多数导弹，抗干扰信噪比仅在54分贝左右——要不咋打那些小国，制导武器可劲闹呢，消耗库存啊，呵呵。

现在回来说咱的北斗，北斗在设计上，也考虑了很多抗干扰的手段：

技术体制：是抗干扰能力较强的CDMA扩频技术，也有备用频率。北斗一代的上行频率1610—1626.5MHz，下行频率2483.5-2 500MHz,北斗二代的频率有所调整，但仍然是上行L频段，下行S频段。因此，干扰方依然仍可使用全频带干扰机，针对L和S频段进行全面扫描干扰。这并非难事，目前台湾陆军电子战连级单位即有此干扰能力。

信号增强：采用技术手段，可以进行特定地区定位信号的功率增强，不过，根据解放军信息工程学院对北斗二号一期定位信号的测量，总体上信号强度优于GPSII, 但仍有部分地区的信号增强能力不足，比如天津地区，只有15分贝左右，不如GPS的30分贝。期待二期工程的改进吧。

频率选择：北斗二代卫星的上行和下行频率，与美国GPS和欧洲伽利略系统靠的都比较近，如果干扰方用全频段阻塞干扰北斗信号，势必对后者也有一定的影响。这种你中有我，我中有你的频率设置方式，另对手有投鼠忌器之感。

图8

GPS/伽利略/北斗卫星频率谱（维基百科）

为什么说北斗二代的商用化工作仍有困难？

前面说过，北斗一代的设计用户规模为54万户，最大用户为80万。实际上用户最多的时候，只有7万。北斗二代和GPS一样，不限制用户数，但现在也只有11万用户。这些用户，主要集中在国防、渔政、水文、交通和森林防火等部门。在这些部门里，北斗系统的使用占到30%左右。

大家可以看到，其实主要用户都是官方用户。

即便有一些私人用户，也大多是官方补贴的结果，因为终端非常贵。比如2011年，海南省有关部门拿出6000万元，为该省的3000多艘渔船装上了北斗卫星通讯系统，除去系统设备，船用终端1万元，渔民出1200元，剩余的8800元和以后所有的运行费用，全部由政府负责——今年黄岩岛争端，上午8点出的事，下午5点“海监75号”和“海监84号”就到了，渔民发送北斗短信报文“发现菲律宾2艘军舰向我驶来”这几个字，功不可没。

北斗的终端贵，所以用户少。可反过来说，也是因为用户太少，所以终端才贵啊。

其实，中国在北斗二代上的投入，预计是600亿人民币；美国GPS一期的投资，300亿美元（1994年的价哦），北斗系统投资其实并不算贵。今天，你看GPS终端便宜，美国市场不到10美元就买一个。可是人家在这个领域拔的头筹，现在有上亿用户啊，当然便宜。它刚出来的时候，比咱还贵哪：上世纪90年代中期，李嘉诚先生之子李泽楷专程从国外带来GPS车载终端送给北斗研发部门。多少钱？——5万元。

官方报道说：如果北斗二期能占到70%的国内市场，一年就有500亿元的收入。

兵器迷认为，这样的宣传，不够全面。因为：中国的卫星导航产业虽然发展迅速，但95%的应用都已经建立在美国GPS之上——国内市场这个大饼，95%已经在别人肚子里了，你到哪去争那70%?况且北斗的芯片价格是GPS的数倍，终端价格更是贵十倍以上，抢占市场，谈何容易？

GPS的优势，是明显的：在全球，不但有上亿的客户和免费服务的模式，还有开放的民用码接收技术，上千家GPS终端厂商，2000多项基带芯片专利，低廉的终端价格。

这些北斗二代都没有。

由于北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（ICD）测试版已经公开，国外厂家将携强大的技术实力和资金实力研发北斗终端机芯片，对刚刚起步的国内北斗系统民用开发厂商形成压顶之势，试图让中国出现一个“有机无芯”、“国星外芯”的卫星定位产业。

当然，我们还有机会：

2011年12月31日，科技日报报道，北斗多模导航基带及射频芯片国产化现已实现，尤其值得一提的是，中国人自己的应用处理器也在北斗多模导航芯片中得到规模应用，芯片目前已流片近十万片。

2012年11月17日，中国新闻网报道，中科院物联网研究发展中心主任叶甜春表示，目前中国已有数十家企业正在推出北斗芯片产品，预计一年左右时间内，北斗芯片价格就将降到和GPS芯片差不多的水平。

机会没有死，进步在持续。

但为了最终拿下这个市场，我们仍然需要更多的资金投入和技术研发和政策支持，以及最重要的，我们仍然需要时间。

兵器迷费了这许多功夫，给大家摆龙门阵，目的是什么？

明年，北斗二代就会正式提供公众定位服务了。兵器迷衷心的希望，大家作为中国军迷，能伸伸手，帮我们的北斗一把。有车的能否买个北斗终端，手机能否装个北斗客户端软件哪怕是付费的。或者，最起码的，能否向身边可能购买定位产品的人，宣传一下咱们的北斗二代？

它不够好，它比较贵，它很年轻。归根到底，政府应当担负最大的推广责任。

没错。

但是，这是我们的骄傲，这是我们的期望，这是我们的力量。归根到底，这是我们的北斗。

对吗？

回首昨天北斗二十多年的艰辛历程，看看今天北斗二代一期的可喜成果，期盼着明天北斗二代二期的建成和繁荣，兵器迷的眼前，再一次浮现出那些为了中国卫星定位事业，贡献了和贡献着自己智慧、勇气和力量的北斗前辈们。思绪所及，欣然命笔，小题做结：

廿载司南梦，今朝业竞成。

东方修道远，北斗定天恒。

谨以此文向中国卫星定位系统的开拓者致敬

注：所有资料来自于互联网公开报道

本文引用了龙出中华和中军网上传的图片，在此一并致谢！

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