大国导航：北斗“天象”昭示国运？

今天（12月27日）上午，在国务院新闻办公室举行的新闻发布会上，中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其表示，北斗卫星导航系统今日正式提供区域服务。从规模和技术水平看，中国卫星导航能力达到了美苏冷战末期的发展水平，补上了超级大国不可缺少的一门“必修课”。从近年发展速度来看，北斗系统的发展速度世界第一，将在十年内完成全球组网，压倒除美国之外的所有国家，成为和GPS系统平起平坐的世界性卫星导航系。

第一代卫星导航

1、美苏争霸

1957年，苏联发射了人造卫星，按照预定轨道环绕全球，同时向全球发射了供测控的无线电信号。卫星导航几乎克服了以往导航技术的全部缺点。

卫星因为可以按照预定频率、方向发射无线电波，而不仅是可见光，解决了恶劣天气下导航难题，而通过多颗卫星组网，可以组成真正覆盖全球的导航网。并且卫星导航的接收方可以从电波中推算自身位置等信息。也就是说卫星平台下，可以全球范围内各种条件下接受导航。所以，在第一颗卫星发射后不到1年，美国第一颗人造卫星发射的同时，美国就开始研制第一代卫星导航台——NNSS系统（美国海军导航卫星系统）。1960年，人造卫星仅仅出现了3年，美国就发射了第一颗“子午仪”卫星（因沿子午线飞行而得名）。到1967年，美国海军已经拥有了了6颗“子午仪”卫星，初步完成了全球组网。

冷战的另一方苏联从1965年开始连续发射导航卫星，组成了12颗卫星的导航体系(CICADA系统)。为世界提供了另一套第一代卫星导航系统。

1967年，美国开放了卫星导航数据，全世界的船只都立刻接受了新的技术。卫星导航用户迅速增长到10万左右，包括大部分世界远洋货轮。卫星技术在出现后不到10年内就对民用经济产生了显著的促进。

2、北斗一代

中国发射第一颗人造卫星在1970年，比美苏晚了10多年。所以，美苏第一代卫星导航体系开始运行的时候，中国的航天发射能力和测控技术还远不足以满足卫星导航体系的需求，只能被动地使用别国的卫星导航。当时中苏关系紧张，中美关系缓和，所以中国的船只、探险队大多使用西方技术，追踪美国的卫星信号定位。

直到21世纪的第一年，中国在冷战后的新局面下才开始建立本国的卫星导航系统——北斗导航。不过，由于资源相对有限，从2000年10月到2007年2月，中国一共只发射了4颗导航卫星，分布在较高的同步轨道上，采取双星定位方式导航。

定位一个点需要三个坐标，三个方程，两个卫星提供的瞬时数据显然不够用，所以北斗系统要在预先设定的电子地图上读出高程信息才能使用。这意味着卫星和用户之间不是单向的发送——接收关系，而是要进行双向沟通。

因此，虽然北斗系统利用了几十年来计算机技术的进步，要胜于美苏第一代卫星导航系统，但这一系统存在如下问题：第一，限于卫星数量，只能对中国及周边地区进行导航；第二，作为军民两用的系统，导航和军事要求的静默之间存在冲突；第三，双向沟通效率较低，不适用于快速移动的目标。

不过,从建设之初起，北斗系统（一代）就被定位为一个验证技术，积累经验的试验性工程。在北斗系统的最后一颗实验性卫星上，中国安装了用于精确定位的激光反射镜，为下一代导航卫星网的部署做好了准备。

第二代卫星导航

1、一代卫星导航的不足

第一代卫星导航网虽然是划时代的进步，但也存在许多不足。第一个问题就是卫星数量不足。不管是美国还是苏联，实际上都只能连续覆盖地球一部分交通繁忙的地区，卫星对高纬度地区的覆盖率不够。

卫星数量进一步限制了导航原理——导航对象同时只观测一颗卫星，根据卫星和自身的相对运动轨迹来判断自身的位置。结果，精确的定位往往要持续一段时间才能做出。在这期间，导航对象的运动就不得不被忽略，这给导航精度带来了很大的误差。高精度的定位必须在停止运动的情况下才能做出。

而且，当时无线电信号处理能力较差，多颗卫星之间信号很可能相互干扰，因此不能简单增加卫星数量。还有像原子钟精度、轨道测定精度都会限制卫星导航的精度。简而言之，第一代卫星导航还不能完全取代传统导航，直到第二代卫星导航网出现。

2、二代卫星导航的前提及优势

第二代卫星导航网自70年代末开始组建，依然是美苏各建一套。美苏各自于1979年和1982年发射了自己的第一颗二代卫星。美国的就是我们熟知的GPS（Global Positioning System 全球导航系统）。苏联的简称为a，即俄语全球导航系统的缩写。

第二代卫星导航网能够出现，技术前提是美苏强大的航天发射能力。基本的全球导航网至少需要18颗卫星来维持，再加上必要的候补卫星，同时要有近30颗卫星在轨，才能可靠地对全球99%以上的地区提供导航信号。而且卫星会老化，卫星轨道会因为顶层大气的摩擦而变形，每年都要发射新的卫星来更新系统。美苏光是为了技术验证，就各自发射了十多颗作为消耗品的人造卫星。从技术定型到勉强组网，苏联（俄罗斯）足足发射了54颗卫星。如果做不到批量生产卫星和火箭，做不到高频率的航天发射，那么不要说建设全球卫星导航网，就连维护都做不到。90年代的俄罗斯就差点因此把格洛纳斯系统报废。

如此之多的导航卫星，可以在天空没有遮挡的情况下，保证地球上的用户任何时候都能接收到来自四颗卫星的信号。每个信号源都可以测出从卫星到用户的时间，再乘以光速（无线电波的速度）就是到卫星的距离。根据简单的数学原理，两个球面交汇于弧线，三个球面交汇于点。所以同时取得三个卫星信号就能够确定任何一点的坐标。为了保证用户的时钟和卫星时钟一致，第四个卫星信号可以用来校正系统时间。于是4个卫星信号就可以保证高精度的定位。再通过对卫星信号变化率的测量，用户就能知道当下的运行方向和速度。

卫星的轨道数据随时是预先设定好的，但也在缓慢变动。所以，任何一个时刻卫星的位置也是个变量。为了保证三个“球面”的球心位置准确，卫星发送的导航信号实际上是一段内容丰富的电文，向用户随时通报卫星的位置。卫星本身本身不具备计算能力，所以分布在全球的测控站必须随时监测卫星的运行，根据各种环境的微小变化来计算轨道，再把轨道信心传递给卫星，由卫星传送给用户。在计算中，地球各部分引力的微小变化、太阳活动对电离层的影响、甚至卫星高速运动带来的相对论效应都必须纳入考虑。如果没有丰富的地球物理数据以及强大的计算、通讯能力，卫星导航的数据很快就会被误差淹没。所以，只有少数国家能够开发导航卫星。其中能筹建到足够的资金、组织足够发射能力的国家就更少了。

冷战的结果是苏联解体，美国全胜，所以真正能够提供稳定服务的全球导航系统，几十年来只有GPS一种。俄罗斯继承了苏联的格洛纳斯体系后，一直不能正常地建设维护，可用卫星一度不到10颗。直到近年石油价格高涨，普京才能调集足够的资源来重建卫星导航体系。2007年，俄罗斯造出了合格的格洛纳斯车载信号接收机。去年12月，格洛纳斯卫星达到了设计中的24颗在轨数量，2012年1月，俄罗斯终于可以宣布格洛纳斯系统正式运营。和北斗系统开始导航服务的时间几乎相同。