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“北斗”的硬伤制约其在军事领域的应用


海湾战争期间,战斧导弹划破夜空准确打击伊拉克军事目标的镜头深深的刺痛了中国军人的心,更震撼了我们的军事科技者。我们看到了我们的落后,看到了高科技战争的成功,这都在鞭策我们迎头赶上。这些年来,我国卫星导航定位技术的应用和精确制导武器的研究均得到了快速的发展。但是我国绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争,美国关闭GPS或加大民用码误差,对大陆而言,后果不堪设想,所以大陆必须末雨绸缪,发展自主的卫星导航定位系统是势在必行的。


一、中国“北斗”系统后起之秀,挑起“四强争霸”局面


4月14日,北斗导航卫星北斗M1顺利升空,标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。美国、俄罗斯、英国、法国等国的主流媒体和港台媒体均在第一时间报道了此次中国成功进行卫星发射的消息。国际舆论普遍认为,这标志着中国的北斗卫星导航系统又向前大大推进了一步,形成美、俄、欧、中在卫星导航系统上的“四强争霸”格局。


中国一直在采取渐进的步骤发展空间导航卫星系统。第一颗导航卫星,也就是“北斗-1A号”于2000年10月30日发射升空,卫星定位于东经140度的地球同步轨道,大约在新几内亚岛上空,这也是处于整个星座最东面的一颗工作星。两个月后的12月20日,中国又发射了第二颗地球同步导航卫星“北斗-1B号”。在近两年半的时间里,它们是中国仅有的导航卫星,直到第三颗卫星的发射升空。 “北斗-1C号”属于导航定位系统的备份卫星;处于前两颗工作星的中间,与前两颗一起组成了中国自己完整的卫星导航定位系统。


北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好,已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。


对于这第四颗“北斗”卫星的上天,许多人猜测的是,这将是我国北斗系统进行第二代的标志,因为“北斗”是双星系统,两颗星就足够一个区域的运作了,第三颗星则是备份星。自然第四颗必然是第二代了。可是我认为并非如此,因为第一和第二颗北斗卫星均是2000年发射的,这两颗星的设计寿命是八年,今年已经进入了第七个年头,进行必要的替换准备是很正常的,所以目前我们发射的第四颗星应该是作为替代使用的,当然性能方面应该有所提高,但达到质的改变是不可能的,因为质的提升不是一两颗星的问题,而是整个系统的问题。这颗星最大的可能性是一颗带着明显试验性质的试验星。


二、国际四大卫星导航系统的特性介绍


目前,美国GPS导航系统、俄罗斯GLONASS系统、刚刚启动的欧洲“伽利略”系统已及中国的“北斗”系统均各有优缺点,这四大系统中从技术和应用前景上看,GPS胜在成熟,伽利略胜在精准,GLONASS的最大价值就在于抗干扰能力强,而中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。(前三个系统的工作原理基本相同,都是三星定位,只有中国选择了双星定位)


与GPS相比,伽利略系统在许多方面具有优势,例如其卫星数量多达30颗,其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择,其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。

此外,伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍,确定物体的误差范围在1米之内。正如有关专家所说:“如今的GPS只能找到街道,而伽利略却能找到车库的门。”而俄国的格洛纳斯由24颗卫星组成,也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低,但其抗干扰能力却是最强的。

中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同,在于它不仅能使用户知道自己的所在位置,还可以告诉别人自己的位置,特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外,中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性,促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。


三、“北斗”系统的工作原理


“北斗”系统通过双星定位方式来工作,还有一颗是杂轨备份星。该系统用两颗经度上相距60度的地球静止卫星对用户双向测距,由1个配有电子高程图的地面中心站定位,另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。


它的定位原理是:以两颗卫星的已知坐标为圆心,各以测定的本星至用户机距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心,以地心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。


四、“北斗”系统的几处硬伤对军事应用的限制


中国目前的“北斗”导航系统仍然只是一个初级系统,由于它存在着几处难以克服的硬伤,因此目前在军事上的应用十分有限,既使在未来由于这些硬伤是原理性的,所以也难有质的提高。目前“北斗”存在的主要硬伤有以下几点:


1、 由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统,因此,卫星只能提供一个二维空间的定位,所以还需要利用地面控制中心的数值地图资料厍或用户自备的测高仪才能求得用户的高度,并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确,尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易,定位出的位置数据就会有问题。


2、 “北斗”卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心,经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出,经卫星返回地面的上下行时间约为0.24—0.28秒,从用户接收器应答测距信号到接收定位结果,信号经过两次上下行链路的传送,时间约需0.56秒,加上中心控制系统的计算时间,整个定位时间约需1秒钟,即用户接收器约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户嫌时间长,会加大定位的误差,因此, “北斗”系统目前只能为车辆、船舶等慢速运动的用户提供服务。



3、 由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端需请求定位服务时,必须发出应答信号,即“有源应答”,如果使用者是军方单位就会使自身失人隐蔽性,且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位。


4、 “北斗”卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星,这意味着落地信号功率很小,因此,用户机需要有较大天线(直径达20厘米)才能接收信号,而且因“有源应答”运作方式,所以,用户机还要包含发射机,因此在体积(普通型用户机长20厘米、宽17.5厘米、高5.2厘米)、重量、耗电量,甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵,而且这么大且重的用户机,不要说是装在导弹上,就是单兵使用都是一大负担。



5、 同步卫星相对于终端来说,下行波束的角度很窄,也就是说,运动的地面终端必须不断调整天线的指向,在车船上,需要一整套的稳定装置,而对于高速运动的设备,这是几乎做不到的。


6、 “北斗”系统在同一时间内服务用户的数量受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制,所以“北斗”卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的,每秒钟只能容纳150个用户。虽然每个客户端都有专用识别码,不过一旦被破解,很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和,使系统瘫痪或者是传送假信息,迷惑友军。



7、 由于“北斗”卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色,如:承转卫星信息、解算用户位置等,因此,一旦地而控制中心被毁,整个系统就不能运作了,这也是“北斗”系统的致命伤。


这7项主要的硬伤均是由于“北斗”系统的基本工作原理所决定了,(双星定位、有源应答和同步轨道)而这些基本工作原理却是很难改变的,除非从头再来,只有4、5、6这三项相对在原有的体系上是无法根除的,因此“北斗”系统在军事上的运用是十分有限的。


五、“北斗”双星定位系统的特性在军事领域的运用


上面提到了“北斗”系统存在的许多硬伤制约了其在许多军事领域方面的应用,但同时也正是这些特性,使其在军事领域的应用方面有其独到之处。“北斗”系统在军事领域的独到应用主要表现在如下几个方面:


1、 由于“北斗”卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼”,如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心,再经出站链路传至“北斗”卫星向目标用户转发,使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外,当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时,不仅用户知道门己的测定位置,而月-共调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。这项功能用在军事上,意味着可主动进行各级部队的定位,也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统,除了可供自身定位导航外,高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置,并传递相关命令,对任务的执行有相当大的助益。换言之,大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。


2、 作为军事终端用户方,“北斗”系统不仅仅是导航系统,还可以发挥部分的通讯功能,达到与上级部门或兄弟友邻部队的互通,使作战的协调性得到质的提高。如果在此基础上逐步完善信息系统则“北斗”系统将会发挥出更大和更多的功能。


六、“北斗”系统的提升和其他定位系统的引入


从上面的分析大家可以看出,“北斗”系统必须进行脱胎换骨式的改进才有可能真正的在军事领域中发挥更大的作用,而如何对“北斗”系统进行进一步的完善目前我国实行的是两条腿走路的战略。


1、 是积极参与欧洲“伽利略”系统的开发,目前我国是“伽利略”系统欧盟外的最大的投资方,通过投资参与研制,我们可以从中学到很多对我们及其有用的东西,对提升我们自己的“北斗”系统也很有帮助。同时,我们也希望通过加入“伽利略”系统来取代或者制衡美国的“GPS”系统,可是老谋深算的美国早已和欧盟达成协议,凡作为军事用途之用的伽利略系统,一律不对包括中国在内的第三国开放使用。因此这种以欧制美的想法,不可能实现。


2、 刚刚发射升空的北斗1D仍然属于北斗一代系列,不过它的任务除了进一步提高试验系统的性能和可靠性外,还将参与二代系统的试验。未来的北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,从轨道高度看,北斗M1和以往试验星36000千米的高度不同,而与国外的GPS系统、GLONASS系统、伽利略系统卫星高度接近,这意味着它属于北斗系统30颗非静止轨道卫星之一。M1的意思是中圆轨道(MEO)的首星,按照这个编名规则,以后发射的北斗系列其它非静止轨道卫星的名称将从北斗M2排到北斗M30,静止轨道(GEO)卫星则将从北斗G1排到北斗G5。和试验系统不同,北斗卫星导航系统即二代系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上有所创新



在结束这个帖子的时候,我无意间看见了一个报道,这个报道让我的心凉了一半,由于存在着不少的硬伤“北斗”系统在军事领域的应用受到了一定的制约,许多功能没有能够很好的发挥,但对于使用要求相对低的民用领域应该来说是可以接受的啊。可是这个由中国工程院戚发韧经过详实的调研后提出:中国研制成功的第一个拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统,目前在民用领域资源利用并不充分,几近闲置。并且他在调研报告中明确写到:北斗系统本应拥有上百万用户的能力,目前却只有几千个用户。国家投入几十亿元,但利用很不充分,造成了资源的严重浪费。


笑傲江湖总被封

2007-4-28

本文内容于 2007-5-1 13:01:08 被笑傲江湖总被封编辑

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