從北鬥到「北鬥」

2021-01-18 歷史行程

要說人們的方向感,我覺得在中國沒有誰能勝過老北京的大爺大媽,畢竟他們能將「東西南北」而非「前後左右」完全、徹底地應用於日常生活。馬未都曾講過一個笑話:「老北京人方向感極強,夫妻倆上床睡覺嫌擠,丈夫就講『勞駕您往東一點兒!』」為此我曾問過北京朋友,據他所說,豈止是在床上,北京人連擰水龍頭都是分東西的,仿佛每個人的腦子裡都自帶一個導航系統。

確實,這種「自帶導航」在古老的狩獵採集時代很有優勢,畢竟那時的人類經常需要離開居住地外出尋找食物,不擅長認路和記憶路線的人總是會被大自然給無情淘汰。當然,由於農業社會也並不需要人類具備特別敏銳的空間方位記憶能力,所以那些「路盲」、「路痴」也就並沒有被徹底淘汰,結果就是人類、尤其是現代人類的自我導航能力和大自然的很多動物比起來明顯相形見絀,所以才有老馬識途的典故嘛。

老馬識途

除了依靠動物,古代人類最常用的導航辦法應該就是天上的星星了,特別是大熊座北鬥七星。畢竟北鬥七星是北天夜空中最顯眼的星群之一,它的形狀5萬年來沒有太大變化,在夜空中的辨識度很高。當然,北鬥七星本身沒有導航價值,但它有一個非常重要的優勢,那就是可以通過它發現靠近北天極的小熊座北極星,從而確定北方。雖然因為歲差因素影響,不同時代利用北鬥七星尋找北極星的方法有所差別,但你總能找得著北,不會犯南轅北轍的錯誤。

正因為北鬥七星與北極星的作用如此重要,中國古代將其賦予了濃厚的政治色彩:北極星被稱為「帝星」,或者叫「紫微星」,是皇帝的象徵。大熊座的北鬥七星則分別被稱為天樞(貪狼)、天璇(巨門)、天璣(祿存)、天權(文曲)、玉衡(廉貞)、開陽(武曲)、搖光(破軍),據說破軍星平時被武曲星所壓制,是以天下太平;而破軍星每過二三百年便會爆發一次,徹底蓋過武曲星君,到時便會帝星不明甚至改朝換代。當然,這種說法比較唯心,今人看來不足為據,但在古代可是很有市場,這也從側面證明了北鬥七星與北極星的重要性。

而今,隨著技術的進步,人類已經不再完全依靠精度不高的北極星了,取而代之的是衛星定位系統。在這方面,美國確實走在前面,其GPS系統的導航衛星從1989年開始發射,1994年全部發射完畢,它由24顆衛星(21顆工作,3顆備用)組成,均勻分布在6個軌道傾角為55°的軌道面上。

美國的老對手蘇聯從1976年開始也著手建設國產全球導航衛星系統(格洛納斯),並在1982年發射了第一顆導航衛星,原定計劃發射24顆,分布在軌道傾角為64.8°的三個軌道面上,1995年系統初步建成,但由於蘇聯解體,加上該項目耗資巨大,所以隨著衛星一顆顆到達設計壽命而退役,到後來整個系統只剩6顆工作衛星了。從2001年起,俄國咬著牙給這個導航系統補充衛星,終於在2010年補齊了24顆衛星。和GPS不同的是,格洛納斯更偏重於高緯度地區的導航定位,這應該是與俄國大部分國土位於中高緯度地區有關。

由於擔心美國人壟斷衛星導航市場並有可能干擾和關閉特定區域的GPS導航信號,因此,歐洲國家決定聯合起來搞一個自己的全球導航衛星系統,即「伽利略」。2002年,歐盟15國交通部長會議決定啟動這個計劃,按照計劃,伽利略系統由30顆衛星組成(27顆工作,3顆備用),分布在軌道傾角為56°的三個軌道面上,2006年開始部署,2008年發射完畢,建成後能夠提供免費的1米精度、付費的1釐米精度服務。

2003年9月,中國應邀參加「伽利略」計劃並投資2.3億歐元,但隨後中國在該項目中處處受到排斥,因此於2006年憤而退出該計劃。之後伽利略計劃就命運多舛,正式工作衛星的初次發射從2006年一直推到2011年,直到2020年2月的在軌衛星數目也只有22顆,且2019年7月還出現過一次全部衛星服務中斷的大bug。

正因為不甘於仰人鼻息,而且也沒辦法仰人鼻息,中國才致力於開發國產衛星導航系統,並定名為「北鬥」。1983年,無線電專家陳芳允提出用兩顆地球同步軌道衛星來測定地面和空中目標的設想,這成為「北鬥一號」雙星導航系統的理論基礎,這一方案很有中國特色,最大優點就是省錢,但由於種種原因,直到1994年1月國家才將其立項;由於經費不足,「北鬥一號」所要發射的衛星不得不佔用其他衛星計劃的備份星指標。2000年10月,北鬥一號導航系統首顆衛星被送入軌道;12月21日,第二顆衛星入軌,系統建成(2003年5月發射了一顆備份星,2007年2月又發射了一顆接續衛星)。由於衛星與地面中心站和接收機之間存在交互通信,因此「北鬥一號」也在導航定位之外提供了一項GPS等系統不具備的短報文服務,這個特色服務一直延續至今。

北鬥一號的定位精度是100米左右,和早期的GPS民用信號精度差不多,但它有幾個突出的問題,就是用戶容量有限,不能測速,並且設備笨重。因此,只能說解決了有沒有的問題,好用還是談不上的。2012年12月,北鬥1號完成使命,正式退役。

中國第二代衛星導航系統起步於2004年。2007年發射了一顆試驗星,2009年開始持續發射,到2012年10月陸續發射了16顆導航衛星,到這年年底建成了由14顆工作衛星組成的亞太區域導航系統。北鬥二號實現了亞太區域的導航定位功能,它將無源定位和有源通信衛星相結合,民用定位精度可達10米,可提供實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信等五項服務。

中國第三代衛星導航系統是在北鬥二號的基礎上發展起來的,名為「北鬥三號」。它啟動於2009年,從2015年起陸續發射5顆北鬥三號試驗衛星,驗證並突破了一些關鍵技術,此後從2017年11月開始到2020年6月,短短兩年半時間密集發射了30顆工作衛星,其中地球靜止軌道3顆,傾斜同步軌道3顆(傾角為55°),中軌衛星軌道24顆(均勻分布在傾角為55°的三個軌道面上)。在全球範圍內可以提供基本導航(定位、測速、授時)、全球短報文通信和國際搜救服務,民用定位精度優於10米;在亞太地區可以提供區域短報文通信、星基增強和精密單點定位等服務,民用定位精度優於5米。2020年7月31日上午,北鬥三號全球衛星導航系統正式開通。

縱觀人類導航定位技術,始於北鬥而又復歸「北鬥」;從一開始利用自然界天體到利用人造天體,完美走過了一段螺旋式上升歷程。那這一成就靠什麼?靠的是自力更生與艱苦奮鬥,畢竟身為大國,如果不為強國,註定不見容於這個叢林世界。

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  • 山寨北鬥App連夜更名「鬥鬥導航」,專家:北鬥地圖完全不等於北鬥...
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  • 北鬥一號、北鬥二號、北鬥三號,還在傻傻分不清?
    經常會聽到北鬥一號、北鬥二號、北鬥三號,其實它們並不是單獨的衛星,而是由多顆衛星組成的定位系統。20世紀後期,結合國情,我國制定了北鬥衛星導航系統三步走戰略:第一階段,2000年年底,發射2顆北鬥一號衛星,建成北鬥一號系統,向中國提供服務
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