“天眼”的宇宙江湖

“北斗”系统快速崛起 美欧密切关注

记者/崔晓火　彭辉

2011年01月04日14:39         手机看新闻

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　　“天眼”的宇宙江湖

　　作为导航卫星领域的新兵，中国的北斗计划在面临国际竞争的同时，也要利用规则寻求发展与合作

　　在美国人发射首颗全球定位系统(GPS)卫星32年后，由中国人建造的全球卫星导航系统终于来到了启动的前夜。

　　然而，北斗系统面对的却是一个逐渐拥挤的轨道空间，这里遵从的是先来后到、对号入座的游戏规则，简单的丛林法则并不能为国际成员抢夺更多的轨道资源。面对人类共有的外太空资源，兼容、互通的轨道频率才是实现全球导航真正无盲区的解决之道。

　　人造星座

　　距离我们头顶上空约2万公里的中地球轨道，密布着源自多国的人造星座。

　　这些“星座”由各国的数十颗卫星组成。它们像图钉一样被准确地“钉”在地球上方的位置上，随地球自转。由于要在任何时间覆盖地球的任意角落，一套正常运作的导航系统需要24颗卫星才可以满足全球用户的需求，因此中地球轨道范围内近年来始终比较拥挤。

　　现在，这一轨道中就包括了人们熟知的美国GPS全球定位系统。它遍布全球的24颗卫星占据了距离地表20200公里处的6条“黄金轨道”，相当于坐上了头等舱。今天，地球上的任意地点均被4颗GPS卫星同时覆盖，并可以被卫星即时锁定、追踪，和好莱坞影片中的情节一样。

　　但GPS并非目前唯一正在运行的导航系统。由前苏联启动的全球导航卫星系统格洛纳斯(GLONASS)的24颗卫星和GPS“星座”呈首尾相接，排列于距地面19100公里的轨道。经过多年修复，浓缩了俄罗斯人宇航技术精华的导航系统如今也足以覆盖整个地球，并且俄罗斯仍在投入资金壮大其导航卫星队伍。

　　就在美、俄两国占据导航卫星区域半壁江山的同时，主要工业国家也在逐步实现其对太空导航资源的占用，就连一部分没有实现导航技术突破的国家也不甘落后，计划于近年启动各自的导航系统，太空势必更加拥挤。

　　目前，中国的北斗系统已有7颗卫星处于中地球轨道之内，而欧盟主导的“伽利略”系统(Galileo Program)亦有2颗试验性卫星在运行。

　　一些致力于区域导航的国家也在行动。由日本开发的“准天顶”卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System)已于今年9月发射了第一颗卫星，它将用于日本本国的导航。印度区域导航系统的首颗卫星也初步计划于2011年年底发射。

　　各国导航系统的设计师们深知，经过30多年的开发，轨道中用于安插导航卫星的位置资源已十分有限。然而，他们仍然必须绞尽脑汁想出新办法，为本国的卫星们找到安稳的栖息之地。

　　“任何一个导航系统，单独运行起来都是脆弱的。目前，各国的导航系统的可靠性仍然不够高，导航卫星仍然容易受到自然或人为的干扰。”多年参与国际导航合作工作的科技部国家遥感中心副主任景贵飞对《中国新闻周刊》表示，“但是，每个国家都需要本国使用的导航系统是可靠的。”

　　由于各国对导航系统可靠性的要求极为严苛，尽管美、俄两大系统已经在全球范围运行，但是拥有一套独立卫星导航定位系统，哪怕其功能只是区域性的，对本国的军事、交通、通信等方面来说依然关键。因为一旦主导国家的卫星导航定位系统发生变动，作为用户的其他国家就可能受到极大影响，甚至连自己的武器都可能失效。

　　高地之争

　　由于中地球轨道的资源有限，先到位的导航系统，便占据轨道位置最佳、发射频率最稳定的空间，相当于占领了战略高地。

　　导航卫星的先行者GPS先到先得。美国人的24颗卫星得以均匀地广泛分布在6个轨道面上，每颗卫星均距离地面约1.7万公里。这套系统的卫星可以为地球上任意地点连续发射固定频率的信号。只要普通用户装有便携式接收机，无论身处陆地、海上还是空中，都能收到GPS全球统一的固定信号，民用信号的定位精度是10米。

　　近年来，GPS经过多次升级，它的军事作战属性让其在武器授时、即时追踪等关键技术方面拥有绝对优势。截至目前，GPS仍是世界上公认的最为成熟和完善的全球卫星导航系统。

　　实际上，GPS的绝对优势还体现在它的世界市场占有率，世界上绝大多数用户依赖的仍是GPS的24颗卫星。而中国的很多厂商都根据GPS的参数和接口生产接收器，销售给国内外的用户。尽管GPS不为中国的厂商投资一美元，却有中国境内的许多座工厂为其制造终端。

　　而在导航技术专家眼中，如果参考GPS系统作为行业领头羊树立的“高标准、严要求”，其他各国导航系统与之还有“若干数量级”的差距。如今，各国只能在美国人占领的轨道资源以外的太空区域布局各自的导航系统。在资源已经十分有限的情况下，各国的腾挪空间也微乎其微，在一定的设计范围内展开“近身肉搏”成为唯一选择，所以各国系统的优劣已并不明显。

　　作为与GPS共同支撑国际导航系统的俄罗斯格洛纳斯系统，它的24颗卫星分布范围就狭窄许多，仅仅占了3 条轨道上。这种空间布局相对GPS更考验科学家的脑力。

　　俄罗斯科学家想出的办法是，由于与GPS的轨道平面相差仅1000公里，所以格洛纳斯需要采取与GPS不同的卫星发射频率。而这样的差异恰恰可以让格洛纳斯提高对高纬度地区的覆盖，并进一步防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰。

　　然而，上世纪90年代的运作失效，摧毁了用户对格洛纳斯的信心。在前苏联解体后，俄罗斯下滑的国民经济让国家失去了维护其导航系统的能力。在2001年之前，几乎三分之二的格洛纳斯导航卫星因为失修沦为太空废铁。所幸俄罗斯近年来加强了对其导航系统的维护，失效的卫星目前也逐步恢复使用，俄罗斯还将投入数十亿美元用于系统的升级。作为俄罗斯的战略合作伙伴，印度也参与到了该系统的投资中。

　　但格洛纳斯的不幸仍在继续。2010年12月5日，从俄罗斯拜科努尔发射场升空的三颗格伦纳斯导航卫星在升空后偏离轨道，坠落在太平洋。俄罗斯总统梅德韦杰夫在不久前的国情咨文中曾表示，格洛纳斯导航系统应在年底部署完成。目前看来这已成为不可能完全的任务。

　　“格洛纳斯系统还是很值得关注，然而各国在看到它经历了‘过山车’式的发展后，对这套系统缺乏足够信心，这一点对于系统工程的前景是不小的麻烦。”景贵飞说。

　　此外，为了优先保证军事用途，格洛纳斯系统目前对外开放的民用信号的定位精度仅为30米，这与GPS系统和北斗系统有较大差距，这一劣势使格洛纳斯在与其他导航系统的国际市场竞争中处于下风。

　　说到导航定位的精度，目前没有任何系统可以和处于实施阶段的伽利略系统相媲美。该系统确定的全球定位精度要比GPS还要精确10倍，误差可达到1米以内。就连中国的导航技术人员也赞叹其设计的完美程度。

　　“伽利略设计得太完美了，比GPS强，比北斗强，但这样一来它的技术就非常复杂。要把它的功能都实现就很难，并且需要很长时间。”中国卫星导航应用管理中心杨元喜院士对《中国新闻周刊》记者说。

　　欧洲科学家还为伽利略设定了最大限度的兼容，伽利略接收器不仅接受本系统信号，还可以接受GPS和格洛纳斯两大系统的信号，对于渴望获得稳定导航的用户，这种优越性如虎添翼。

　　然而，欧洲人的伽利略目前遇到的最大困难与当年俄罗斯人相似。据欧洲媒体报道，欧盟在伽利略项目的建设预算方面存在十亿欧元左右的资金缺口，这对于尚未从金融危机中恢复的欧洲各国都是不小的负担。资金问题令欧洲和世界迟迟见不到号称“完美”的超级系统大发神威，欧洲人的导航系统推进不见起色。

　　欧盟委员会发言人回答《中国新闻周刊》书面采访时透露，伽利略系统的第1和第2颗工作卫星有望在2011年下半年发射，第3、4颗卫星的升空时间也被部署在2012年上半年。

　　“我们预计将在2014至2015年之间部署18颗导航卫星。届时，一部分初步的导航公共服务项目，例如搜救服务等，将付诸使用。其他商用导航服务将随着导航卫星的进一步增加而适时启用。”这位发言人表示。

　　但即便欧盟的新一轮计划成功实施，伽利略的启用时间也比最初计划推迟了将近十年。

　　而相比之下，中国北斗系统建设正稳步推进。虽然中国的导航系统在设计精度上不如欧洲的伽利略，仅为10米，但目前的卫星部署速度让北斗系统得以按计划扩展为世界上第三套正常运行、实用的全球卫星导航系统。

　　新兵入列

　　“北斗”系统的快速崛起受到了包括美国、欧洲各国在内的密切关注。2010年1月以来连续发射5颗北斗工作卫星的计划，更令外界对Compass(北斗系统的英文名称)的战略意图产生了种种联想。

　　2010年10月在意大利都灵举行的全球卫星导航系统国际委员会第五届大会期间，负责北斗导航系统的中国官员，透露了中国北斗的部署计划和使用频段。

　　不过，在这次会议上，欧盟官员也表达了对北斗系统在频段使用上的意见。一直为伽利略计划搁置而犯愁的欧洲官员，面对北斗的强势推进态度尴尬。

　　“在北斗系统计划使用的频段，伽利略系统实际上拥有优先权。我们认为，两套系统在同一频段重叠运行，可能发生有害干扰，还可能引起两套系统的冲突。”欧盟欧洲委员会在接受《中国新闻周刊》采访时重申了伽利略的立场。

　　对此，中方一直坚持自己的意见：按照国际电联的规定和程序，中方对此导航频段的使用具有同等优先权。

　　据一名知情人透露，有中国学者向欧洲方面提问：“频段重叠等于干扰吗？频段重叠等于不兼容吗？请回答Yes或No。”

　　这个提问难住了欧洲方面的技术人员，双方争执不下。结果还是国际电信联盟的一位官员介入，才缓和了争论。

　　曾多次参加国际导航系统协调会议的杨元喜说，在海外参会，最大的感受是但凡听到关于北斗的讨论，几乎都是正面少、负面多，“这是不公平的！”杨元喜说。

　　“有人把北斗描绘成一个‘trouble maker’(麻烦制造者)或是干扰者。当然，他们不会公开这么讲，但这个潜台词总是让人不舒服。事实上，北斗是贡献者。”一位业内专家对《中国新闻周刊》记者说。

　　在观察家看来，欧洲人的为难与伽利略计划推进不顺有直接的关系。

　　2003年10月，经过近两年的谈判，中欧领导人在第六次首脑峰会期期间签署了《中华人民共和国与欧洲共同体及其成员国关于民用全球卫星导航(伽利略计划)合作协议》，并于次年进一步签署《中国国家遥感中心和伽利略联合执行体关于伽利略计划合作协议》。按照两份协议的内容，中国政府计划通过向伽利略项目投资2亿欧元的方式，购买伽利略项目的民用导航服务，并参加伽利略的开发项目。伽利略计划一度是中欧之间最大的科技合作项目，中国也成为参加伽利略计划的第一个非欧盟成员国。

　　然而，伽利略计划的投资方式却于近年来发生转变，欧盟各国从商业投资团体手中全盘接管了严重超支的伽利略(计划中投资为34亿欧元)。近10亿欧元的超支负担以及各国对伽利略的不同意见，让伽利略寸步难行。而此时，北斗却加速超车，双方合作的格局就此改变。

　　不过目前，中欧双方关于伽利略计划的合作协议依然有效。科技部直属的中国国家遥感中心与欧盟欧洲委员会企业与工业总司之间的交流仍然十分密集，有时几乎每星期都有。

　　“现在的问题对于伽利略和北斗来说都是利益攸关的问题。我们已经向北斗团队提出了相关建议，双方正在密切磋商。”欧盟欧洲委员会发言人表示。

　　负责北斗计划的专家坦言，面对中欧导航系统合作的两难境地，没有最佳方案，而只有相对较好的选择。

　　“双方竞争目前仍然存在。”景贵飞表示，“但现在需要通过双边和多边会谈解决的主要问题：一旦系统建成，北斗和伽利略、GPS、甚至格洛纳斯之间，究竟是替代还是互补。”

　　“在国际导航领域，北斗还是一个刚刚入行的新人。即便未来开放了北斗的接口，北斗依然需要利用西方主导的国际规则，通盘考虑自己在全球导航市场上的发展。”中国卫星导航应用管理中心总工程师柳其许说。

　　欧盟委员会发言人对《中国新闻周刊》表示，欧盟完全支持中国发展自己的导航系统，两个系统可以通过合作取得积极成果。“在新的合作框架下，双方有新机遇为广大用户提供兼容、互通的导航信息。”

　　2012年，全球卫星导航系统国际委员会将在中国举行年会。杨元喜认为，这给北斗提供了一次难得的机会。

　　“我想，届时关于北斗如何成为国际导航系统的‘贡献者’的讨论，将会超过关于‘麻烦制造者’的争论。”杨元喜说。

　　景贵飞也表示，“双方真正的合作才刚刚开始有些味道。”　 ★        这里头需要有很多技术力量，要靠我们自己。”

　　需要用一大段的篇幅，才可能较完整地写下孙家栋的头衔。在学术上，他是中国科学院院士；如果结合当今中国科学领域最炙手可热的名词如 “北斗”“嫦娥”，那他是北斗导航卫星第二代应用卫星的工程总师，也是中国探月工程总设计师；如果提及荣誉，他是中国“两弹一星”功勋科学家，国家最高科学技术奖获得者……

　　中国空间技术研究院在1967年成立之初，孙家栋担任中国第一颗人造地球卫星技术负责人。从此孙家栋开始与卫星结缘，先后担任了中国第一颗遥感探测卫星、第一颗返回式卫星的技术负责人、总设计师。在中国自主研制发射的100个航天飞行器中，由孙家栋担任技术负责人、总设计师或工程总师的就有34颗，被业界公认为中国的“卫星之父”。

　　2010年底的一天，孙家栋在中国航天科技集团的办公室里接受了《中国新闻周刊》的专访，评述北斗计划发展历程以及中国卫星整体发展状况。

　　中国新闻周刊：卫星导航功能是如何酝酿出来的？

　　孙家栋：1957年，苏联第一颗卫星上天。在那个年代，上天很不容易，科学家们所有的精力都集中在怎么将卫星送上去。至于送上去后干什么，当然也有少数科学家证明研究，但重点还是集中在这个梦想—怎么样摆脱地球引力的束缚，即上天。第一颗卫星上天后，老百姓很激动很兴奋，给科学家的震动也很大。

　　卫星上天后，科学家们就开始想如何让它为人类服务。卫星有三个方面的用途：信息传递、信息获取和导航。信息传递，比如说电视、通信。因为有了卫星，奥运会才能一夜之间传播到世界各地，才能成为一大笔盈利。

　　所谓的信息获取，就是气象卫星、资源卫星、天文卫星等等。相当于在卫星上装一个照相机，通过这个方法观测地球或者太阳等其他星星。美国刚刚宣布说发现了离地球最近的黑洞，形成的时间也很短，才30多年。这个发现对科学的推动是非常厉害的，这也就是依靠了卫星的信息获取功能。

　　再往下发展，科学家们就想，卫星发射上去之后，能不能把卫星当成一个自然星体去观察呢？这就讲到了导航问题。人类航海，一开始就是用北斗星来导航，通过测量北斗星的高度来换算出相应的地球纬度。有了人造卫星之后，能不能用它来导航呢？这个问题比较复杂。因为北斗星离人们很远，角度变化很小。此外，经过人们长期的观察，跟北斗星之间的相对位置是可以换算出来的。而人造卫星围绕地球转动很快，观察计算起来很难。所以带着这个问题，科学家们开始想尽一切办法，动了很多脑筋。

　　经过大量科学研究之后，科学家们在理论上把这个问题摸索清楚了。一颗卫星传递下来的信号，经过处理以后，与地球的圆面交叉以后，在地面上画个圆环。假设有两颗卫星，就画个圆环，两个圆环一定有两个交叉点，所以当你接到两个卫星的信号的时候，你一定在这两个交叉点的其中一个。假设你能接到三颗卫星的信号，那么第三颗星和这两颗星间又有一个交叉点，你所在那个交叉点一定是三颗星信号的交叉点。就这样，利用天上三四颗卫星传下来的无线信号和地面的关系，经过一些复杂的数学处理以后，就可以做到精确定位。

　　但这又有另外一个问题：卫星围绕着地球在动，你怎么样保证随时随地都能看见四颗星呢？所以，光有四颗星是不够的，得围绕地球多打星。这样算来算去，得围绕地球做一个网，这个网里有24颗卫星。

　　这个理论是美国人先提出来的。美国的GPS卫星导航系统围绕地球发射24颗卫星，就可以保证在人类活动的大部分地区，任何时间地点都可以同时看到四颗星，可以满足导航定位的问题。

　　中国新闻周刊：美国GPS开始发展的时候，你就有所接触了吗？

　　孙家栋：那个时候，中国刚刚粉碎“四人帮”，改革开放初期。1979年邓小平到美国访问，就向美国总统提出来采购两个大项目，一个是通讯卫星，一个是遥感卫星地面接收站。后来，我第一次作为中国代表团成员，到美国去采购通讯卫星。代表团里还有中国科学院和广播电视部的同志。我们在美国停留40多天，和美国航天局的人接触，给我印象特别深。当时，GPS刚开始起步，他们给我们讲，GPS是要提供全球性服务的。事实上，GPS系统也是一步一步不断在调整和改进。一开始，GPS的目的性很强，就是为军事服务，但是办成了以后，美国人就渐渐发现民用领域的作用特别大。

　　中国新闻周刊：中国的卫星发展过程有什么特点？导航卫星又是如何起步的？

　　孙家栋：1970年中国第一颗人造卫星“东方红”号上天以后，我感觉国家对于航天事业的指导方针是非常明确的，可以归纳为四个字，就是发展“急用”和“实用”项目。当时，提出来先发展“尖兵”，也就是监控卫星。后来就开始研制返回式卫星。前者是信息传递，后者就是信息获取。在这个基础上，就开始搞通讯卫星，因为部队需要通讯。通讯卫星没上天以前，通讯就靠铁路边上的一排电线杆子。到了80年代初，就开始搞气象卫星。

　　80年代中期，有科学家开始反复探讨卫星导航问题，我印象最深的，是以陈芳允为代表提出的双星定位理论。结合我们国家的特点，经济实力的情况，以及在国际上的地位，科学家们在一块反复研究这个问题。得出的第一个意见是，我们国家在那个年代暂时还没有建设全球性卫星导航定位系统的需求。其次，要结合国家的经济实力，得有个长远的规划。根据当时中国的经济实力，如果要搞一个全球性的卫星系统，经济上难以承受。第三，那个时候的技术水平也难以保障，如果搞全球的导航定位，技术上需要克服很多困难。

　　但是，我们也认为，当时国家虽然没有全球性的需要，但从长远考虑，今后建立全球性的导航定位系统，对于本国经济发展一定是需要的。

　　中国新闻周刊：北斗系统现在开始推广民用，在应用方面，北斗系统面临什么挑战？

　　孙家栋：我们要给使用者树立信心，比如航天段的保证，不能说今天发六颗星，明天就坏三颗，那么谁还买你这个终端机？另外，地面管理等等也都是一套很复杂的系统，要对用户负责，出现问题要给予及时有效的反馈与服务。此外，不能对军用和民用区别看待。在和平时期，民用其实更重要。

　　总之，一定要让用户觉得方便可靠。GPS在市场上有如此大的份额，你不可能把他都挤出去。我的想法是，我们要加强和美国GPS的联系，尽量做到互操作，同时不影响我们系统的独立自主。也就是说，让我们的用户机既可以接受GPS的信号，又能接受北斗的信号，两个信号可以同时综合使用，提高精度。如果GPS搞“小动作”，可以把它关闭掉，我们自己的北斗可以独立工作。这种芯片要靠我们自己开发，别人是不可能给你开发的。所以，这里头需要有很多技术力量，要靠我们自己。不过，我想，要开发个芯片也不是什么难事。

　　我们使用的所有终端设备，要特别强调国产化。假如到了2020年，北斗的产值是四五千个亿，而其中有三千个亿是买外国的零部件回来装的，中国的附加值就一千个亿——咱们千万别干这个事。在这个问题上，国家要下决心。

　　关于北斗系统的应用，我感觉当前形势还是很好的，各级领导都开始认识到民用领域的重要性。我感觉再有个两三年时间，北斗系统基本组成一个区域网，到那个时候，北斗的应用会达到一个高潮。

　　来源：中国新闻周刊 ★


　　(本刊记者杨时对本文亦有贡献)

　　来源：中国新闻周刊

　　
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