陈灏:北斗卫星定位系统军事应用及意义1

         2009年4月15日零时16分，中国在西昌卫星发射中心，成功将第二颗北斗二号导航卫星（COMPASS-G2) 中文音译名称Bei Dou送入预定轨道。

    北斗二号卫星为地球同步静止轨道卫星，可为中国及周边地区提供定位、测速和授时等服务。

    2000年以来，中国陆续发射了3颗“北斗导航试验卫星”并建成试验系统。2008年汶川大地震中，北斗系统在导航定位方面发挥了重要的作用。目前正在建设的是第二代的北斗卫星导航系统，首颗星在2007年4月14日发射，2009年4月15日发射的卫星是该系统的第二颗卫星。

   被习惯称为“五院”的中国航天科技集团下属中国空间技术研究院，担负着北斗计划中卫星方面的设计制造工作。中国科学家北斗系统的理论奠基人陈芳允提出双星定位，是只用两颗卫星即可完成最基本的定位功能。北斗系统卫星总指挥李长江和总设计师谢军：北斗卫星定位导统系由四颗卫星组成。即两颗工作卫星、两颗备用卫星及地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。

  “北斗”系统体现了从简到繁、量力而行的特点——先以“双星定位”的“小系统”积累经验，进行技术攻关，随后发展35颗卫星构成的“大网络”，实现全球覆盖。此外，“北斗”独特的卫星短信收发功能已在军演和救灾中经受了“实战检验”，实用性极强。

   “北斗一号”开通五年来，系统运行可靠性达到99.98% ，状态良好，及时提供了导航定位、 数字短信及精确授时服务。目前其入网注册用户达四万多，近二年内规划新增用户数超过十万，应用覆盖水利电力、海洋渔业、交通运输、国土测绘、气象预报、减灾救灾和公共安全等领域，牵引促进了电子、通信、机械制造、地理信息等相关产业和信息服务业的发展，产生了显著的经济和社会效益。

   相比“北斗一号”，“北斗二号”具有诸多优势，包括可有效避免遭受电磁干扰和攻击，实现无源定位，精确度大大提高，“北斗一号”精确度在10米之内，“北斗二号”则精确到了“厘米”之内。

    现代军事行动对卫星的依赖已达到空前的程度，从侦察、预警、遥感、监视到天气预报、指挥通信、精确制导，都与卫星密不可分。除大量使用侦察卫星、预警卫星和通信卫星外，导航定位卫星一直发挥着巨大的作用。

    从作战指挥角度看，现今的作战指挥与历史上的作战指挥活动并无本质不同，都是指挥员运用兵力在一定的空间和时间内达成一定目的的活动。

    在作战中，对兵力兵器时间和空间位置的定位和控制是完成作战任务的基本前提。在科学技术不发达的时代，这是一个相当的难题，战争史上士兵迷失方向、找错队伍、机动失误等现象屡见不鲜。而全球导航定位系统的建立从根本上杜绝了这一现象。

    建立卫星导航系统，就是织造一张覆盖全球的“天眼”网络，对于提升大国国防实力，其重要性不言而喻。借助全球导航定位系统，战斗机、轰炸机、侦察机和特种作战飞机可以全天候准确无误地执行任务；坦克编队可在没有特征的沙漠地带完成精确的机动；扫雷部队可安全通过雷区、准确测定布雷位置以便将其摧毁；给养运输车能在沙漠中发现作战人员并为其提供补给；特别行动直升机与攻击直升机能够协同作战。全球导航定位系统还使空中加油机与需要加油的作战飞机能够更快地相互找到对方。

    军事现代化进程离不开卫星导航系统的支持。在强调数字化和信息化的现代战场，无论是陆军的坦克、装甲车、火炮，还是海军的军舰和潜艇，都需要借助卫星 导航系统确定部署位置，确保各部队之间紧密配合，发挥最优战斗力。北斗二号导航卫星主要军事方面应用如下：

    第一、授时。全球导航定位系统可提供准确的时间和频率，从而广泛应用于授时校频。在通信、网络的时间同步，以及部队机动、作战中统一时间标准均具有重要的意义。

    第二、导航。当前，GPS与惯性制导相结合是军用飞机上普遍采用的一种导航方式，这种导航方式可由GPS提供精确的位置和速度信息，而惯性制导因不易受到干扰，可在无GPS信号时提供导航信号并使系统迅速更新。美军目前的军用飞机大量采用此种导航方式。

    第三、单兵或部队定位。全球导航定位接收机可以做到小型化、手持式，因而携带方便，它还可与其他手持式通信设备组合在一起，是野战部队和机动作战部队不可缺少的装备。海湾战争期间，GPS接收机就很受美军部队欢迎，一度出现了军用GPS接收机严重短缺的现象，当时美国陆军每连或180多人就有1台GPS接收机。而伊拉克战争中，地面部队至少拥有10万台精密轻型GPS接收机，每个班至少一台。

    第四、救援服务。美军飞行员广泛应用的一种Hook－112救生无线电装置，在飞机被击落时，能够利用GPS为营救人员指引方向。

    第五、地面作战行动。全球定位系统本身所具有的精确性可确保进行精确的位置勘查、配置炮兵、目标搜索和定位。全球定位系统在作战地域内建立“共同坐标”、“共同时间”，帮助建立“共同指令”并且可协助实施协同行动。

    第六、海上行动。海军部队也可从全球定位系统中受益。运用全球导航定位系统，舰艇和潜艇可精确地判定自己的位置，这有助于在港口作业的安全和通过受限水域时所需的导航；结合使用激光测距仪和高精确的定位信息，可对海岸线进行精确勘查；可精确地设置水雷，使己方部队能规避和对其进行回收；使用空间定位、速度矢量、时间和导航支援，有助于海上集结、海上营救和实施其他行动。

    第七、空中作战行动。在空中作战行动中，全球定位系统也极为有用。全球导航定位系统提供的位置、速度矢量、时间的有关信息可提高空投、空中加油、搜索和营救、侦察、低空导航、目标定位、轰炸和武器发射的效能；可为己方飞机通过作战地域设定更为精确的空中走廊；可提高各种空射武器的精确度。

    第八、武器制导。在伊拉克战争中，由GPS制导的精确制导武器的使用率有了很大提高。据统计，战争中精确制导武器的使用率达到68.3％，而由GPS制导的精确武器就占到总数的57％。由于激光制导炸弹易受战场烟雾、云层和沙尘的影响，而GPS制导的特点是不受沙尘和烟雾影响，可以全天候、全天时工作，且制导精度高，因此在伊拉克战争特定的沙尘、烟雾等环境中发挥了独特作用。外界就曾猜测“东风”系列导弹、“卫士”系列 远程火箭炮和先进 巡航导弹都已集成了“北斗”系统，因而具备了较高命中精度和较强的抗干扰能力。

    中国自主研发卫星上安装适应太空环境OTrack-32“BeiDou/GPS/GLONASS/Galileo多频多模芯片”。这种导航芯片实现了4系统10频率、高精度载波相位测量，能适应外太空电磁环境，稳定性好。

    中国自主研制的北斗卫星导航系统从2009年起进入组网高峰期，计划2012年前，具备亚太地区区域服务能力，到2015年建成北斗二号全球导航定位系统，2020年左右，建成覆盖全球的大型航天系统。2010年将有多颗卫星发射升空，今明两年发射超过十颗导航卫星，3年内完成系统组网，并具备基本的运行能力，在此基础上将逐步发展到为全球服务。这一系统将由30多颗卫星组成，建成后将使中国摆脱依靠美国GPS系统进行导航定位的局面，极大提升中国的军事能力和综合国力，并将带动一批相关高技术产业的发展。

   与世界上被广为接受的美国GPS卫星导航系统相比，中国北斗卫星定位系统在未来的设计应用上仍存在3大难点：

    第一，如果要保持卫星导航的高精度，卫星上必须配有高稳定性、高精度的原子钟，而在原子钟的技术精度和稳定性上，中美尚有差距，需花大力气进行自主研发。

    第二，作为当今世界唯一的超级大国，美国拥有雄厚的经济实力，并掌握着其他国家难以企及的战略资源。这些都可以保证美国实现在全球范围内布控卫星监控网络。而中国则只能在本国区域内布网，这对于卫星上天后的测控和维护是一大难点。

    第三，GPS在问世的近30年时间里积累了大量的空间实验数据，而其中最重要的太阳光压变化对于卫星所产生影响的数据，已经建立起数据模型，精度很高。中国的北斗系统尚处于起步阶段，还需要在摸索中前进。

                                                 北斗一号尚存的缺陷及隐忧

    缺陷：双星定位，只能为终端用户提供经度和纬度，无法提供高度数据；只能覆盖中国及其周边地区，不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差；无法在高速移动的平台上使用，用户无法保持无线电静默，因而不能满足高动态和保密的军事用户要求；用户数量受一定限制。

    隐忧：曾在清华大学读书的一位中国女学生是做北斗相关的项目的，毕业后到美国留学深造。

    2007年4月，中国发射了属于北斗一号系统的首颗地球中轨道卫星。在其先前取得成功的技术基础上，她解调了这颗m1卫星上所有民用码广播的三个波段频率（e2,e5b,e6），证实了所有的北斗-m1编码都是gold码，并且破解出其编码生成器为线性移位反馈寄存器。她还将这些伪随机(PRN)代码应用于一个软件接收机中获取并跟踪北斗-m1卫星，将其调制后得出连续波信号，再对多个周期的信号作累加平均，把信号增强并削弱杂讯，解析伪随机码的周期和结构，继而推导出其生成公式。先后破译了北斗的民用密码、军方密码、信号发生器密码，为此美国航空无线电技术委员会RTCA授予她W.E.Jackson大奖,以表彰她攻读博士学位期间破译北斗及伽利略系统导航信号等工作。2007年中国教育部曾为其颁发了“国家优秀自费留学生奖学金”，奖励5000美金。2008年9月她在斯坦福大学获得EE博士学位。之后继续从事斯坦福研究项目中有关卫星导航系统的研究，美国联邦航空局资助了这一项目。她的个人主页可下载到她的博士论文，其中提到一家比利时公司已经利用他们提供的算法跟踪到北斗导航信号。  

    理论上讲，其它国家成功破解北斗编码程序后，就可通过先进的电子拦截设备捕捉其导航信号，以分析外军部队调动或者武器装备的具体位置，进而通过GPS确认这些数据参数，也能在需要时对导航信号进行干扰。在最坏的情况下，破解别国的卫星导航定位编码后，敌对国军队指挥官将和外军指挥官一样，对外军的军事部署和装备位置信息了若指掌。这对别国未来的军事行动及民间使用者显然有着不可预知的影响。

    出于安全考虑，中国目前正在加速建设第二代“北斗”系统，其覆盖范围与美国GPS大体相当，可为全球用户提供导航定位服务，而且将采用更先进且难以破解的新型编码，应可有效降低信号被别国破解的风险。

    中国的北斗COMPASS导航系统和美国GPS、俄罗斯格罗纳斯GLONASS、欧盟伽利略系统GALILEO并称为全球四大卫星导航系统。目前，联合国已将这4个系统一起确认为全球卫星导航系统核心供应商。

         2000年10月31日北斗一号01星发射。

    2000年12月21日北斗一号02星发射。

    2003年5月25日发射了北斗一号03星，作为系统的备份星。

    2003年12月15日，北斗一号系统正式开通运行。

         2004年9月，第二代导航系统——北斗卫星导航系统建设被批准实施。

    2010年1月17日0时12分，“长征三号丙”运载火箭在中国西昌卫星发射中心将第三颗北斗导航卫星成功送入太空轨道，使北斗二号全球导航定位系统臻于完善。 

2010年6月2日晚23时53分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。

    2010年8月1日5时30分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将第五颗北斗导航卫星成功送入距地面36000公里太空预定转移轨道。

         2010年8月10日6时49分，在太原卫星发射中心用“长征四号丙”运载火箭，中国成功地将“遥感卫星十号”送入预定轨道。“遥感卫星十号”安装了合成孔径雷达设备，可对大范围地面目标进行全天候监测，并对特定地面目标追踪监测。

     2010年11月1日0时26分，在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空，这是中国今年连续发射的第4颗北斗导航系统组网卫星。

           2010年12月18日4时20分，在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭成功将第七颗北斗导航卫星送入太空，这是中国今年连续发射的第5颗北斗导航系统组网卫星。

    2011年4月10日4时47分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。该卫星已进入近地点约200千米、远地点约35991千米，倾角55度的预定轨道。本次成功发射，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设已经完成。这颗卫星将与去年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统(即3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星)，经过一段时间的在轨验证和系统联调后，将具备向中国大部分地区提供初始服务的条件。今年和2012年，中国还将陆续发射多颗组网导航卫星，完成北斗区域卫星导航系统建设。”

    北斗卫星导航系统将于2012年前完成区域系统的卫星发射后具备亚太地区区域服务能力，到2013年，普通百姓就可以开始使用北斗系统。2020年左右，建成由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的、覆盖全球的大型航天系统。

   中国发展“北斗”导航系统首先是满足本国经济、军事领域的需求，同时也为国际用户提供了更多的选择，在一定程度上起到了防止一国垄断卫星导航市场的作用。中国军队的导航和授时方式已经逐步由GPS向北斗转换，而金融、电力、渔政和森林防火等民间领域也逐渐尝试使用北斗系统。

   中国航天事业正稳步发展，“北斗”导航系统将迎来大发展的黄金时期，中国正在稳步发展一大批本国的空间项目，按照目前的发展态势，中国将有能力挑战美国的太空霸主地位。

2010年

长征3C载 北斗G4

长征3A载 北斗IGSO2

2011年

长征3A载 北斗2 IGSO-3

长征3B载 北斗Compass-M2,北斗Compass-M3

长征3B载 北斗Compass-M4,北斗Compass-M5