【編者按】本文作者毛新愿，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)航天工程專業(yè)博士，主攻低軌衛(wèi)星定軌，北斗/GPS

| 首先，GPS是什么？

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)始于20世紀(jì)70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成。理論上，24顆GPS衛(wèi)星在離地面2萬公里的高空上，以約12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)(98%)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

這樣根據(jù)三維空間定位原理，就足夠?qū)崿F(xiàn)定位（4顆衛(wèi)星構(gòu)建四個(gè)方程組解決四個(gè)未知數(shù)：三維坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差信息）。后來經(jīng)過擴(kuò)展，它的衛(wèi)星數(shù)穩(wěn)定在32顆左右，它們分布在6個(gè)平面上，軌道傾角為55度，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。由于衛(wèi)星的壽命長(zhǎng)短不一，美國每年都會(huì)發(fā)射一些衛(wèi)星更新這個(gè)系統(tǒng)。

(來自美國官方)

GPS信號(hào)包括兩種，一種是普通民用碼，所有的接收機(jī)都能用；另一種是軍碼，不用解釋了，除了美國和它的盟友，其他人不要想了。這兩個(gè)精度差多少，百倍左右，你的手機(jī)和車載導(dǎo)航軟件里，用的就是普通民碼，所以你的精度是定到某條街上。

| 第二，GPS定位在近地空間能干什么？

它的應(yīng)用實(shí)在太廣泛了，因?yàn)樗且环N無源定位系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之的原理就是只要你有一個(gè)接收機(jī)，能接收到它的信號(hào)（低于它的軌道高度，20200千米左右，GPS信號(hào)都是指向地球發(fā)射的），從理論上講可以容納無限個(gè)接收機(jī)工作，任何一個(gè)接收機(jī)如果有至少四顆衛(wèi)星信息就可以定位。

所以它的應(yīng)用可謂從天到地，大家關(guān)心的太空，在低軌空間是完全沒有任何問題的！下圖是歐空局的GOCE（做地球重力與全球洋流的）衛(wèi)星用GPS定位示意圖：

(來自歐空局官網(wǎng))

低軌（軌道高度<1000千米）是應(yīng)用最廣泛的太空領(lǐng)域，人類的地球觀測(cè)衛(wèi)星（各種資源衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星比如重力、磁場(chǎng)、洋流、幾乎所有的間諜衛(wèi)星）都處在這個(gè)高度范圍內(nèi)，用這個(gè)是妥妥的。

大致的低軌衛(wèi)星定位原理是什么呢？

(來自本人科研課題)

這是我做報(bào)告的PPT截圖，大概意思是為了確定低軌衛(wèi)星的軌道：

你要有一個(gè)高大上的星載GPS接收機(jī)（沒有幾個(gè)國家搞得到），很多星上輔助儀器數(shù)據(jù)(星敏感器、加速度計(jì)等等)，加上對(duì)地球進(jìn)行各種復(fù)雜動(dòng)力學(xué)建模(重力場(chǎng)、海洋潮汐、太陽光壓、地球固體潮、地球大氣潮、三體引力等等)，加上工程實(shí)踐的各種算法中補(bǔ)償措施，再加上工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最后可以算出低軌衛(wèi)星的軌道，然后打個(gè)激光檢驗(yàn)一下就知道自己算的精度啦。

這是GPS在太空的絕大多數(shù)應(yīng)用，換句話說，GPS的應(yīng)用在于幫助低軌衛(wèi)星確定自己的精確位置，但這個(gè)精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通導(dǎo)航儀和手機(jī)的精度而已。

| 第三，這個(gè)應(yīng)用的精度有多高？

目前的科研進(jìn)展是，給單個(gè)衛(wèi)星定軌道的精度是實(shí)時(shí)30厘米/事后定位2厘米左右，這是個(gè)什么概念呢？低軌衛(wèi)星的飛行速度在7000m/s以上，地面上的聲速的20倍以上，世界最快飛行子彈(狙擊步槍)速度的7倍以上，2厘米的精度是不是很震撼？而且是連續(xù)定位，每時(shí)每刻都能有很精確的軌道，要知道這些低軌衛(wèi)星離GPS可是2萬公里以上的！

遠(yuǎn)不止如此，對(duì)于編隊(duì)飛行的衛(wèi)星，可以形成獨(dú)特的雙差基線，GPS輔助編隊(duì)衛(wèi)星的定位精度會(huì)大大提高，達(dá)到0.5毫米級(jí)別(用星上單向的高頻精度為微米級(jí)的雷達(dá)檢驗(yàn))，這個(gè)世界記錄目前就是我們組保持的。這是個(gè)什么概念，如果讓兩只蚊子共同跳一個(gè)華爾茲，一只蚊子在荷蘭首都阿姆斯特丹，另一只蚊子在法國首都巴黎，這個(gè)精度足夠幫它們校正同步動(dòng)作了。下面是歐洲和美國最近幾個(gè)任務(wù)做出的結(jié)果(來自我的科研課題)。

(來自本人科研課題)

這些精度能滿足什么呢？所有類型低軌衛(wèi)星的精密軌道確定，軌道轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)，空間交會(huì)對(duì)接，人類所有的載人航天任務(wù)都可以用到，而且GPS帶來的精度提高是質(zhì)變。

另外，當(dāng)有了高精度的位置，如果你有多天線，可以構(gòu)成天線陣精確測(cè)出角度。如果你有了高精度速度(可以通過GPS測(cè)出)，可以精確推出加速度或滾動(dòng)加速度，與很多其他儀器形成冗余備份甚至取代。但是很不幸，這些所有的應(yīng)用必須基于軍碼，民碼根本不可能！

| 第四，軌道精確的意義是什么？

軌道精確的意義自然不用說，所有的對(duì)地觀測(cè)儀器都需要精確知道它們的位置才能反推并應(yīng)用它們的數(shù)據(jù)，否則同樣一組數(shù)據(jù)，你弄不清楚測(cè)的到底是北京的還是天津的，還有什么意義？GPS的出現(xiàn)，極大提高了人類的低軌衛(wèi)星定軌精度，直接往厘米級(jí)別沖。

科學(xué)應(yīng)用，舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，GPS定位的重力衛(wèi)星因?yàn)楸旧碥壍谰却蟠筇岣?，反向把地球重力?chǎng)模型精度提高了100倍以上。而重力場(chǎng)能干什么，不僅能用于研究南極和格陵蘭島的冰層變化，還能研究各國地下水位變化，以及地球板塊運(yùn)動(dòng)。

我們組有一篇著名的論文，東日本大地震的時(shí)候，GOCE衛(wèi)星精確測(cè)量出了地震波是如何一步一步在高層大氣中對(duì)外傳播的，其中一部分重要數(shù)據(jù)就來自上面的星載GPS接收機(jī)。

軍事戰(zhàn)略應(yīng)用，美國這么多間諜衛(wèi)星，動(dòng)輒拿出嚇?biāo)廊说牡孛娣直媛?，能看清車牌能看清一根香煙。試問一句，離了上面精確的軌道可能做到么？另外，高精度的區(qū)域重力場(chǎng)也能給巡航/戰(zhàn)略導(dǎo)彈提供人工無法改變的絕對(duì)重力信息，干擾這種敏感器，難道你在地上突然造一座山挖個(gè)湖改變地貌不成？

軍事戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，要知道那是給低軌衛(wèi)星用，就已經(jīng)達(dá)到了厘米級(jí)精度，如果給導(dǎo)彈、戰(zhàn)車、單兵、飛機(jī)全部都裝上會(huì)有什么特效？

事實(shí)上，目前美國基本所有的武器，凡是有導(dǎo)航要求（需要知道自己位置）的，全部都裝了GPS。那些夸張精度、戰(zhàn)斗力驚人的導(dǎo)彈和炸彈，都有GPS在給出它們位置幫助制導(dǎo)校正，保駕護(hù)航?？催@個(gè)MK-82激光/GPS制導(dǎo)炸彈，GPS天線妥妥的在上面。

(來自美國空軍官網(wǎng))

第五，既然GPS是無源定位，理論容量無限，我們?yōu)樯哆€搞北斗？

這是一個(gè)很大很大的棋。

想一想，我們有多少民用車載導(dǎo)航、手機(jī)個(gè)人導(dǎo)航、航海導(dǎo)航乃至無數(shù)制導(dǎo)武器，都用了GPS？但細(xì)思極恐，有以下幾個(gè)理由，我們當(dāng)然需要無條件搞出自己的系統(tǒng)！

1、美帝不會(huì)給你接收機(jī)的。因?yàn)镚PS是美國軍方搞得也是軍方控制的，所有的核心芯片只有美國人能做出來且極其嚴(yán)格保密。

所以民用的，拿出來賺錢，我們可以用木有問題；軍用的，包括低軌衛(wèi)星上用的，再見，呵呵！即便是歐洲，上面提到的歐空局衛(wèi)星上用的GPS接收機(jī)，基本都來自美國航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，絕對(duì)壟斷。咱們就只能想著了......

2、控制方是大爺。

GPS在建成后放開民用市場(chǎng)時(shí)有一個(gè)selective availability政策，什么意思呢？他們?nèi)斯そo所有的民用碼加了巨大的噪聲，導(dǎo)致你定位不準(zhǔn)。后來俄羅斯的格洛納斯競(jìng)爭(zhēng)日趨猛烈，美國一激動(dòng)2000年5月2日取消了，變化有多大，如圖所示，美國動(dòng)動(dòng)手改個(gè)指令精度就提高幾十倍。然后格洛納斯就木有希望了。

(來自美國斯坦福大學(xué)GPS應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室) 

看到凌晨6點(diǎn)發(fā)生什么了嘛？

同樣的道理，對(duì)美國而言，我哪天心情不好了，除了美國的軍用接收機(jī)，能輕輕松松讓全世界的所有民用和非正當(dāng)渠道搞來的所謂“軍用接收機(jī)”全瞎！所以你如果用了GPS在你們的武器里作為導(dǎo)航（比如像大家的車一樣裝GPS導(dǎo)航儀），美國大兵表示：呵呵呵呵，有本事過來打我??！

3、如果只是失效還就算了，還有一個(gè)可怕的——釋放干擾信號(hào)。

反正GPS信號(hào)都是美帝的工程師做的，一旦有應(yīng)用，我釋放一個(gè)假的信號(hào)源，一模一樣的信號(hào)結(jié)構(gòu)，只是不同的信息內(nèi)容但強(qiáng)度大很多。那你所有的武器、衛(wèi)星接收到的都是假的位置信息，發(fā)生什么，你自己發(fā)的導(dǎo)彈走成什么漂亮的漂移弧線，你能預(yù)測(cè)么？也許在你面前就是一朵燦爛的煙火了。。。不拐回來找我們就挺好的。

| 總結(jié)

所以全世界在用了GPS這么爽之后，各國政府想一想都被美帝牢牢控制不禁一身冷汗啊，然后都掀起了搞自己導(dǎo)航系統(tǒng)的熱潮——

蘇聯(lián)/俄羅斯的格洛納斯原本能和美國抗衡，后來蘇聯(lián)解體就木有經(jīng)費(fèi)了，去年俄羅斯又接二連三的發(fā)射失敗，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)殘疾了；

歐洲的伽利略，我們都無語了，原來要當(dāng)北斗的老師，現(xiàn)在毫無進(jìn)展，都要找中國學(xué)習(xí)了；

法國做了自己的多普勒系統(tǒng)，但特別有局限性，除了他們自己用幾乎沒人用了；

日本和印度也在發(fā)揮特長(zhǎng)，建立地域性的類似GPS系統(tǒng)，但離了美國的GPS也基本瞎。

目前真的只有中國的北斗跟GPS有一拼了，而且多方面的技術(shù)上一點(diǎn)都不落后哇。北斗的技術(shù)實(shí)力杠杠的，咱們國內(nèi)航天汪們的各種定軌理論水平與應(yīng)用都是世界級(jí)的，北斗絕對(duì)是中國航天彎道趕上甚至超車的超級(jí)王牌！北斗馬上全球成網(wǎng)，作為一個(gè)搞這個(gè)方面的航天汪你們?cè)煳矣卸喔吲d么，汪汪汪汪汪！等下回有空可以給大家分析下北斗的牛逼之處。

載人航天、登月非常光鮮亮麗，但北斗真的是利國利民，百年大計(jì)啊，造福子孫后代。就這國際形勢(shì)，跟美帝不出事兒還好，出事兒了北斗絕對(duì)是咱們的王牌。

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