發射成功！中國北鬥正式開啟「全球時代」，能否叫板美國GPS？

今天上午9時43分，萬眾矚目之下，伴隨著長徵三號乙運載火箭順利從西昌衛星發射中心升空，我國北鬥導航系統的「收官之星」——北鬥三號第55顆導航衛星成功入軌！這次發射意義重大，標誌著我國全面完成了全球星座部署，中國北鬥正式開啟「全球時代」！

這就意味著，今後中國人無論走到世界的哪個角落，我們都可以依靠自己國家的衛星導航服務尋找到「家」的方向。

今天，我就來跟大家聊聊咱中國北鬥的那些事，文末再講一下大家關心的問題：全球組網後的北鬥系統與美國GPS系統到底孰優孰劣？

為什麼要建設北鬥系統

談起中國的北鬥導航系統，很多人都會習慣性的問這麼一個問題：美國的GPS系統已經運行了30多年了，而且對全球用戶開放服務，價格服務費用也比較低廉。這種情況下，我國為什麼還要花費巨資發射數十顆昂貴的衛星去組建自己的導航系統呢？

事實上，美國的GPS確實為全球用戶提供了價格相對低廉的服務，且已經佔領了大部分的商用市場，以中國市場為例，我國境內用戶使用的蘋果、華為、小米等終端設備上都安裝了美國GPS系統提供的定位模塊，手機廠商只需要繳納一定的費用即可。

但是，雖然我們接觸到的GPS系統大多是商用場合，但是不能掩蓋的事實是：GPS本質上是為美國空軍研發和服務的軍用衛星導航系統，它的最根本需求是戰爭需要，次要功能是提供民用服務。

而讓我國真正下定決心研製自己的導航系統的也是其軍用意義。

其一，美國在1990年的海灣戰爭中，利用GPS精密制導的武器嶄露頭角。比如，在傳統戰爭中，假設要炸毀敵人的某個大型基地、或者要炸掉某個敵軍頭目，空軍需要數十架轟炸機，攜帶數百噸彈頭，進行地毯式轟炸才能完成任務。而在GPS的精確制導下，美軍只需要使用2枚制導飛彈就能在數百裡的範圍外發動精準襲擊，節省了大量彈藥和時間。

美軍給這種新的戰法起名為「外科手術式打擊」，足見精準定位的重要性。

其二，在1999年的印巴戰爭期間，美國為了自身利益關停了印巴戰區的所有GPS服務，導致雙方依賴GPS的大量武器無法使用，大部分的飛彈都成了「無頭蒼蠅」，給雙方造成巨大損失。經歷過這件事情之後，印度徹底放棄了原本依賴GPS增強印度地區服務的衛星導航系統建設，決心自己做一套獨立的系統。

美國的海灣戰爭、以及印巴戰爭中印度、巴基斯坦兩個軍事大國的窘境給中國的觸動非常之大，從那時起，中國下定決心要發展以「精準定位」和「信息化」等為特徵的現代化軍隊，導航系統的建設提上日程。

依賴GPS導航的戰斧式巡航飛彈是「外科手術式打擊」的著名武器之一

當然了，即使是在民用領域，你以為GPS會以中國人、歐洲人或者日本人的利益為先嗎？顯然不是，GPS永遠把美國利益放在第一位，如今的廉價服務也僅僅是為了搶佔全球市場罷了。

美國在提供GPS服務的早期，就曾經在民用信號上放了特定幹擾頻段，以提供不同精度等級的定位精度。至於為什麼現在又取消了幹擾，這還得感謝前蘇聯的格洛納斯系統。當時美國為了搶佔全球市場，不讓格洛納斯系統鑽了空子，不得已在2000年5月2日取消了幹擾信號，這才使得定位精度大幅提高。

下圖所示為2020年5月2日前後的定位精度圖，可見，在5月2日的早上6點鐘去除主動幹擾後，GPS定位誤差由100米以上降低到了10米左右，定位精度大大提高。

GPS定位精度圖

北鬥導航系統的前世今生

階段一：中歐合作蜜月期

前面我們說到，中國見識到了精準定位的重要性後，也決心建設一套自己的定位系統。但是，2000年前後的中國科技實力有限，當時只得向歐洲拋出橄欖枝，寄希望於採用「中國提供建設資金、歐洲提供導航技術」的合作方式來建設一套導航系統。

由於當時的歐洲也有意擺脫對美國全球定位系統的依賴，所以中歐雙方一拍即合，中國成為了第一個加入「伽利略計劃」的非歐盟國家，而且按合約擁有全部使用權。

2003年，中歐雙方正式籤訂合作協議，中國承諾投入2.3億歐元的建設費用，第一筆7000萬歐元當年就完成了匯款，雙方科學家也立即著手進行技術儲備。

伽利略中歐合作籤約儀式

階段二：中國遭遇排擠

然而到了2005年，隨著「親華」的德國總理施洛德黯然退隱，默克爾上臺，法國的薩科齊也代替席哈克崛起，歐洲的政治開始轉向，使得歐洲迅速向美國靠攏。

在美國人的引誘下，歐洲重新審議了對華合作方案，對華政策發生了180度大反轉，中國雖然是主要投資方，但被擠出了伽利略計劃的決策機構之列，中方技術人員也無權接觸核心技術。

德國總理默克爾

階段三：中國自主打造北鬥系統

在這種背景下，我國退出了伽利略導航系統的研製，痛定思痛，著手自主開發一套完全擁有自主產權的北鬥導航系統。

然而，在中國建設自己的北鬥系統之初就遭遇了一個棘手的事，那就是衛星的頻率。

在衛星導航系統建設初始階段，頻率資源相對比較充沛，建設時間較早的GPS系統和GLONASS系統不存在頻率資源的衝突問題。

但到了北鬥系統和「伽利略」系統建設的時候，有限的頻率衝突就非常明顯了。但是，國際上普遍遵循國際電信聯盟「先佔先得」的規定，也就是說哪個國家先把這顆衛星發射上去，並且衛星向下發射這個頻率的信號，以後這個頻率資源就是他的了。

由於「伽利略」系統提前申請了頻率資源，並發射了相應軌道高度的衛星，因此在頻率爭奪中佔了先機。

好在，接下來的歐洲經濟危機使伽利略的資金鍊斷裂，衛星只佔了軌道但沒有向地面接收站發射出這個頻率的信號，所以嚴格按照國際電信聯盟的規定來說，伽利略並沒有該頻段的所有權。

此時，我國科學家創造性將S波段劃出一部分作為新的導航定位無線電頻譜資源，克服重重困難在2012年世界無線電大會上獲得通過。至此，我國在該頻段上，具有了優先使用權限，在頻率爭奪戰中大獲全勝，北鬥一號、北鬥二號和北鬥三號衛星均工作於此頻段。

階段四：北鬥系統領先伽利略進度，後來居上

如上文所說，歐洲的經濟危機使得伽利略系統的資金鍊斷裂，這給了中國彎道超車的機會。接下來，從2007年開始，中國「下餃子般」的速度陸續發射了多顆中低軌道衛星，北鬥二代的組網橫空出世！

下圖列出了北鬥衛星發射歷程表。

北鬥二號系統的組網成功，使得北鬥系統具備了為亞太地區提供精準定位服務的能力。下圖是2018年11月16日北鬥衛星全球可見情況，目前亞太地區已經逐步點亮。

下面一張圖更清晰的畫出了北鬥二代基本可以覆蓋到亞太地區圖示。

在2007年至2020年的這13年間，中國迅速構建了國內-亞太-全球的定位能力，趕超了本來先立項的歐洲伽利略系統。在2019年，中國一年內發射了10箭18星，創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。要知道，世界四大系統中，美國GPS系統最快紀錄為一年6星，蘇格洛納斯系統為一年9星，歐洲伽利略系統為一年6星。

毫不誇張地講，北鬥今年的建設速度是空前的，隨著今天最後一顆衛星的入網，北鬥已經成為GPS之後真正具備全球服務能力的第二大全球定位系統！

北鬥導航的「絕活」

前面咱們說了這麼多，那北鬥系統的絕活是什麼呢？鑑於篇幅關係，我僅列舉3個方面。

01：三種工作頻率。

北鬥使用的是三頻信號，GPS使用的是雙頻信號，這是北鬥的後發優勢。

02：有源定位及無源定位的結合。

有源定位就是接收機自己需要發射信息與衛星通信，無源定位不需要。有源定位的好處是當你觀測的衛星質量很差，仍然可以定位。

孫家棟院士說：「有源與無源兩種體制的結合，是中國北鬥的最大特色和亮點，也是中國北鬥的優勢所在。

03：短報文系統

這可堪稱北鬥的獨門絕活，這個功能簡單描述起來就是：北鬥不但能知道我在哪，還能讓別人知道你在哪。

這個功能是非常具有實用性的，例如。汶川大地震時，真去的唯一的通訊方式就是採用短報文的北鬥一。

04：三種軌道搭配

目前另外三個全球衛星定位系統都採用距離地面20000千米左右的中圓衛星軌道，而北鬥是唯一採用三種軌道搭配的星座：27顆衛星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分布在三個軌道面上，保持55度傾角；5顆衛星採取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衛星處在地球同步軌道（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。

GPS星座（左）和北鬥星座（右）的對比

這樣帶來一定好處：衛星定位需要接收機收到至少4顆衛星信號。27顆中圓軌道衛星為主力，圍繞地球一圈的軌道周期約為12小時，可以保持對全球範圍內任一點的穩定覆蓋，在任意時間、任意地點觀測到6顆星以上，符合常規衛星定位系統需求。55度傾角的設計，也增加了對人口稠密的地球中低緯度區域覆蓋。

北鬥的地球靜止軌道和傾斜同步軌道則是為中國乃至亞太地區特殊定製而來。日本擁有四顆傾斜同步軌道的準天頂系統，用以提高GPS在日本的應用精度，我國相當於在設計之初就有亞太專屬服務。兩種高軌衛星的軌道周期與地球自轉24小時周期完全同步，因而相對而言5顆衛星靜止在赤道上空，3顆衛星由於傾角設置相對地面做固定周期的運動，投影軌跡始終留在亞太及沿赤道對稱區域，抗遮擋能力強。因而在亞太地區可以幾乎永久保持至少12顆衛星可見，大幅提高該區域定位精度。在配合地面建設的增強基站情況下，實現分米乃至釐米級定位亦很現實。

可以從衛星軌跡在地面投影看出北鬥的亞太服務專屬：藍色8字形軌跡為傾斜同步衛星，紅點為地球靜止衛星，綠色為服務全球的中圓軌道衛星。

北鬥導航能叫板「GPS」嗎？

我們評價一個定位系統的好壞的指標是什麼？對於專業人士來說，需要考慮授時精度、年均中斷次數、可維護性等多個指標。

但對於普通大眾來說，最直觀的，應該就是我們能夠直接體會到的定位的準確性，也就是精度。

對於一個衛星導航系統來說，定位誤差的主要來源有7項，分別是：時鐘誤差、軌道誤差、對流層誤差、電離層誤差、微距噪聲、接收機噪聲、多徑誤差。這7個誤差項中，對流層誤差、電離層誤差等都可以通過額外手段消除，直接能體現衛星性能的只有三項，分別是：時鐘誤差、軌道誤差、偽距噪聲。

因此，我們評價北鬥衛星和GPS衛星性能好壞，就看這三個誤差項了，這三項合起來有一個名字，叫做用戶測距誤差URE，它是User Range Error的縮寫。

用戶測距誤差最終體現到定位上就是定位誤差，下面的圖就是從用戶測距誤差到用戶定位誤差的很好描述。

我們先來看一下GPS的定位誤差如何。

根據2016年GPS官網發布的數據顯示，在95%的概率下，GPS星座衛星的用戶測距誤差URE平均值為1.28米，只有5%的概率誤差會超過1.28米。可見，GPS的定位精度是非常優秀的。

下面這張圖為GPS的URE測試數據。

那麼GPS的定位精度呢？

NGA和IGS兩個不同機構都測試了GPS的定位精度數據，該數據如下圖所示。

可以看到，NGA測得GPS在垂直方向上（紅色曲線）的定位精度在1.5米左右，最大2米，在水平方向上（藍色曲線）的定位精度在1.0米左右，最大1.5米；

IGS測得GPS在垂直方向上（粉紅色曲線）的定位精度在2.2米左右，最大3米，在水平方向上（淺藍色曲線）的定位精度在1.3米左右，最大1.6米。

可見，即使按照最大誤差數據，GPS的誤差也保持在3米以內。注意，這是還僅僅是依靠GPS衛星，沒有使用任何輔助手段的情況下取得的定位精度。

那麼北鬥系統的定位精確度如何呢？

由於北鬥三號衛星組網今天剛剛完成，我們還沒有得到實測的定位數據。因此，我們就以北鬥二號的數據與GPS系統作為對比。

在2017年9月27日舉行的「57th Meeting of the Civil GPS Service Interface Committee」會議上，中國代表的報告指出，95%概率下北鬥二號的用戶測距誤差目前在2米以內，垂直方向的定位精度在8米以內，水平方向在4米以內。

下面兩個表格顯示了北鬥二號系統的URE指標和定位精度指標。

所以從上面的數據來看，北鬥二號的URE為2米，GPS的URE為1.28米，顯然北鬥二號與GPS相比是有些差距的。

然而，我們說了上述的數據都是北鬥二號的定位數據，它顯然代表不了北鬥三號的性能。

北鬥二號只是覆蓋了亞太地區，而GPS則是全球覆蓋，顯然GPS的可用衛星空間幾何狀態的精度因子PDOP值比北鬥要高一些，也就是說衛星數量越多，定位偏差的修正性能越好，我們拿尚未組網完成的北鬥二號與已經擁有幾十顆衛星的GPS比顯然是不公平的。

下圖是PDOP曲線，藍色曲線為北鬥系統，紅色曲線為GPS。

那麼，隨著今天北鬥三號「收官衛星」的發射，全球組網的北鬥系統是否就超越了GPS呢？

雖然目前官方還沒有公布北鬥系統的實測定位數據，但我們可以從北鬥系統新聞發言人冉承其的描述中得到答案：北鬥三號將在北鬥二號性能的基礎上，再提升1~2倍的精度，也就是保證垂直精度小於5米，水平精度小於2.5米。

我們前文提到，GPS在垂直方向上的定位精度在1.5米左右，最大2米，在水平方向上的定位精度在1.0米左右，最大1.5米。從這些指標來看，北鬥系統的定位精度仍然稍遜一籌。

看到這裡，你可能就有些失望了。我們在2020年組網完成的定位系統為什麼會落後於GPS呢？

可你是否想過，即使我們從北鬥二號投入使用的2012年開始算，到現在為止也只是發展了8年。

而GPS近40年的使用過程中並非沒有技術上的更新換代，它並非一個老古董，GPS近些年龐大的商用利潤保證了GPS系統能夠有錢持續更新迭代。

俗話說的好：飯要一口一口吃，路要一步一步走，趕超也需要時間。

如果要我給咱們的北鬥系統排個名，北鬥已經超越了俄羅斯的GLONASS系統，領先了歐洲的伽利略系統，縮小了與GPS的差距。

這樣看來，咱們的北鬥導航系統妥妥的世界老二。

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