2020年7月31日,中國自主研發的北斗3號(BDS-3)完工,很多人熱血沸騰、奔走相告,認為由此可以證明中國的技術領先全世界,「甩了美國幾條街」,真乃是「厲害了我的國」。
我與這些人交談時,發現他們其實並不知道北斗系統的發展過程,更不知道北斗2號與北斗3號之間的差異,僅僅是一味地歡呼雀躍,沒有具體內容,讓人覺得有點盲目、空洞。於是我就打算寫這篇文章,簡單科普一下北斗衛星的發展狀況及其現狀,用事實和數字給這些人以些許幫助,這便是本文的希望。
按時間順序,當然應該先介紹一下美國的GPS,以便有個作比較的基礎。飛機和輪船在航行中動態地知道自己在地球上的位置,其軍事意義是不言而喻的。英國人從1944年就開始了動態定位系統的早期研發,1960年代初,美國軍方開始了全球衛星定位系統(GPS)的研究,從1970年代開始建造,1980年代後期初步完善,到1993年,24顆低空衛星的最後一顆部署完畢,軍用系統的GPS第1期工程完工,它的空間誤差精確到了1厘米。
1995年,在添加了可控制的特種噪音信號後,將誤差精度擴大為100米,免費向民用開放,這已足夠民航客機使用了。後來隨著汽車導航系統的普及,這個誤差又被減小到10至15米。如果商業用戶想要讓誤差再小一些,那就不是免費的了,需要向美國國防部申請許可證,購買特種接收器,付費使用,並必須接受國防部的監控。誤差越小,費用越貴,受到的監控也越嚴格,商用GPS接收器的最小誤差為2厘米。我自己實際使用過的商用GPS接收器的誤差是10厘米。那時我的老闆曾對我說,誤差為2厘米的許可證,價錢太貴,公司買不起。
經過三十多年的商業運作,GPS已經深入到民間的每一個角落,全世界所有的手機和各種類型的導航器中,全都有GPS的身影,許多半導體晶片中都有一小塊面積用於GPS的接收器。對於21世紀20年代的人來說,GPS導航幾乎成了人手一部的普通家用電器產品,不能算是「高科技」了。來自全世界的商業收入足以滿足GPS自身的維護與發展並綽綽有餘,這使得GPS能夠長期健康成長,並為美國增添了許多軍費。可以說,GPS是英美兩國科學家半個多世紀的科學技術與經驗的結晶,並且經歷過多次實戰檢驗,日臻成熟、可靠,是1980年代的最先進的科學技術之一。
中國不是美國的軍事盟國,不能使用軍事水平的GPS。中國政府認為,重要的軍事技術應該獨立自主,不能受制於他人。從1994年開始,中國決定研發自己專用的衛星導航系統,取名為「北斗」。
中國自己的北斗應該向哪個方向建設和發展呢?當時出現了兩種不同的意見。第一種意見是:應該向美國學習,建設出一套與GPS一樣的導航系統,借用美國成熟的技術和經驗,可以少走彎路。第二種意見是:跟在別人的屁股後面走,永遠都是二流水平,因此,應該彎道超車,後來者居上,建設出不同於美國、並且強於美國的衛星導航系統。
一番爭論之後,後者獲勝,這就是後來人們見到的北斗1號和北斗2號。2000年北斗1號完工,這僅僅是一個實驗性質的系統,一共只有兩顆同步靜止衛星,位於赤道上空35,786公里處,用來測試一下衛星之間的通訊和衛星與地面之間的通訊。在北斗1號成功的基礎上,2004年北斗2號開工,並於2012年完工,達到了設計要求,再次獲得成功。北斗2號是中國自己研發的第一個有實用意義的衛星導航系統,共有14顆衛星,9顆高空同步衛星,5顆中低空輔助衛星。
北斗2號與GPS相比,各有哪些優缺點呢?GPS有24至31顆低空衛星,北斗2號只有14顆,衛星少,建設成本低。GPS的定位精度是1厘米,北斗2號的定位精度是10米。GPS的定位屬於「被動定位」,是一種單向通訊,客戶的接受器只接受來自GPS的衛星信號,自己不發射信號,只要能同時收到4顆衛星的信號,就可以定位,功耗小,結構簡單。北斗2號的定位則屬於「主動定位」,客戶的接受器必須首先向高空的同步衛星發射信號,請求告知自己的位置,同步衛星很高,鳥瞰半個地球,可以清楚地看到申請者之所在,然後告知其具體位置。
除此之外,還可以把申請者的位置通知其上級和其他相關戰友,具有一些衛星電話、簡訊的功能。當然,從地面向高空衛星發送信號,功耗大,體積大,設備複雜。北斗2號的設計者認為,這種主動定位功能是雙向通訊,要遠強於GPS的單向通訊,技術上比美國的GPS強出許多,這是最為引以為自豪的設計和成就,是碾壓美國GPS的最大技術特徵。因此,綜合比較,北斗2號甩出美國的GPS好幾條街。
2012年北斗2號完工後,交付給唯一的用戶,即中國軍隊投入試用。經過一系列軍事演習等實戰檢驗後,中共軍方指出了北斗2號的一個致命的缺陷:當客戶的接受器發出請求信號後,不僅高空的同步衛星可以接收到這些信號,附近的電子偵察機和位於低空的眾多的間諜衛星也全都能收到,並立刻就能判斷出發出信號者的位置。
當高空靜止衛星發出的位置信息返回地面時,敵方的飛彈可能已經快要到達自己的頭頂了。也就是說,北斗2號的這個最為重要的基本設計,傷害了軍隊的保密性,在獲得定位的同時,暴露了自己的位置,因此不具有任何軍事意義,無法在戰場上使用。在這種嚴峻而又無情的事實面前,花費了20年的時間才開發出來的北斗2號被迫報廢棄置。中國的衛星導航系統繞了個大圓圈,又返回到出發點。
無奈之下,從零開始,重新設計自己的新的衛星導航系統。這次不再搞什麼彎道超車了,而是完全模仿美國的GPS,採用被動定位,單向通訊,這就是後來人們見到的北斗3號。北斗3號於2020年7月31日完工,類似於GPS,最終由30顆低空衛星組成,這才是中國的第一個具有軍事意義的衛星導航系統。
目前,北斗3號的定位精度是2.5至5米,強於北斗2號的10米,這個誤差對於汽車、飛機、輪船的導航來說,足夠用了,但對於飛彈制導來說,還是不夠的。1990年代初期,GPS的定位精度就已經達到了1厘米(0.01米),從那時開始,美軍就開始了GPS制導飛彈的研究。美軍曾做過一個試驗,發射一枚GPS制導飛彈,準確地命中了一棟廢棄樓房的煙囪口,然後,飛彈順著煙囪落入地下室,然後再爆炸。如果誤差高達2.5米,飛彈就只能落在周邊某處爆炸,效果就會大不相同。
目前,北斗3號仍然在不斷地改進提高中,隨著科學技術的進步和工藝加工的改進,它的誤差一定會不斷縮小,其定位精度有望能夠達到1厘米的水平。不過到了那個時候,奉勸本文開首提到的那些人們,還是要稍安勿躁,保持冷靜,腳踏實地,穩步前行才好,因為,美國的衛星定位系統研究也還在快速發展之中,並沒有停步。(作者:張又普)