“北斗”系統發展背景與過程

　　人類是在一次偶然事件中發現可以利用衛星進行導航。1957年，蘇聯成功發射第一枚人造衛星“斯普特尼克”1號(Sputnik-1)進入軌道後不久，美國兩位科學家在追蹤這枚蘇聯衛星時無意中發現，他們收到的無線電信號有多普勒頻移效應，即衛星在飛近地面時，接收機收到的無線電頻率逐漸增高，飛遠時則逐漸降低。科學家對這種現象研究後產生靈感，衛星的軌道可由地面站測得的多普勒頻移曲線確定，若知道衛星的精確軌道，不就能確定地面接收機的位置了嗎?從此，一種先進的導航技術“衛星導航”悄然興起。

　　當時美國科學家們即倡議利用衛星，為其“北極星”核動力彈道導單潛艇進行定位導航，以修正慣性導航系統的時間累積誤差。於是美國在1958年提出利用“多普勒頻移效應”與“標準時間差”定位原理的第一代衛星定位系統經緯儀(Transit)構想，1960年4月開始發射首枚衛星，1964年提供軍用服務，1967年更開放給民間使用，此後曾進行兩次改進，1988年8月進行最後一次發射，2000年系統報廢。“經緯儀衛星導航定位系統”的成功，導致美國與蘇聯研發與建構更大規模、高精度的衛星導航定位系統，即全球定位系統(GPS)與全球導航衛得系統(GLONASS)。

　　1983年，大陸開始籌劃衛星導航定位系統，1986年初，大陸正式以雙星快速定位通信系統為名開始進行整個計劃，並由北京跟蹤與通信技術研究所負責研發。當時大陸專家研究報告提出多種衛星導航定位系統的構想，經過深入評析，多數專家認為，利用2枚或3枚位於地球同步軌道的通信衛星進行導航定位的方案比較適合大陸。由於當時大陸航天科技實力，已具有製造與發射同步軌道通信衛星的能力，也已建立衛星地面追蹤網，有相當規模的衛星軌道數據處理中心，所以有利於發揮既有的衛星資源與地面設施功能；另一方面也顧及到大陸經濟力量有限，因為此項發展需要24顆衛星類似美國GPS的衛星導航定位系統，需要大量經費，當時大陸尚無此財力。

　　1986年底大陸研發單位就提出了總體技術方案和試驗方案，預估只要3年時間，就可利用已在軌道的2枚同步衛星進行整體演練，驗證導航定位原理，並檢驗系統實用性，尋找實現雙星導航定位的技術途徑。就在大陸籌備雙星定位系統期間，大陸專家發現1982年美國已有3名科學家開始發展一個利用3枚同步軌道衛星，名為GEOSTAR的定位系統，還獲得多項專利。但是後來因為功能更佳的GPS全球定位系統發展迅速，使得研發中的GEOSTAR系統資金被撤走，在1991年宣告失敗。由於GEOSTAR最後也將使用3枚衛星定位改為雙星定位，因此大陸仍宣稱使用雙星定位的概念是其最早提出並實現的。

　　1989年9月5日凌晨5點，大陸科研人員以庫爾勒、南寧等4個用戶機進行第一次定位演練，結果證明，利用雙星定位可實現定位、定時、簡短通信三大功能，而且比當時GPS的民用碼精度高好幾倍。1994年1月，雙星快速定位通信系統正式命名為“北斗”衛星導航定位系統，並列為大陸“九五計劃”要項。雙星快速定位系統演練驗證試驗的成功，為“北斗”系統奠定了技術基礎。接下來的6年多里，北京跟蹤與通信技術研究所又完成地面控制中心等應用系統的總體設計方案，建構“北斗”系統的完整架構。

　　“北斗”系統運作原理與流程

　　“北斗”衛星導航定位系統是全天候、全日時提供衛星導航定位信息的區域導航系統，所以用戶隨時都可以接收到衛星廣播的詢問信號，服務範圍以大陸地區為主。其定位原理系採用3球交會測星原理進行定位，以2顆衛星為球心，2球心至用戶的距離為半徑可畫出2個球面另一個球面是以地心為球心，畫出以用戶所在位置點至地心的距離為半徑的球面3個球面的交會點即為用戶的位置。

　　“北斗”衛星導航定位系統是由太空的導航通信衛星、地面控制中心和客戶端三部分組成：太空部分有2枚地球同步軌道衛星，執行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務；地面控制中心包括民用網管中心，主要負責無線電信號的發送接收，及整個系統的監控管，其中，民用網管中心負責系統內民用用戶的標記、識別和運行管理；客戶端是直接由用戶使用的設備，即用戶機，主要用於接收地面控制中心經衛星轉發的測距信號。

　　地面控制小心包括主控站、測軌站、測高站、校正站和計算中心。主要用來測量和校正導航定位參數，以便調整衛星的運行軌道、姿態，並編制星曆，完成用戶定位修正資料和對用戶進行定位。簡單的說，“北斗”衛星導航定位系統具有快速定位、簡短通信和精密授時的三大主要功能。

　　快速定位：目的在確定用戶地理位置，為用戶及主管部門提供導航服務。“北斗”衛星導航定位系統使用的衛星，以快速捕捉信號和傳送大量數據見長，從用戶發出定位申請，到收到結果，只需1秒鐘。而在這1秒鐘內，整個系統要完成發送申請信號、上傳衛星、經地面控制中心計算出位置，再從衛星將定位信息送返申請用戶等流程，而其中快速捕捉信號只用了幾毫秒。大陸宣稱這項20年前設計的快捕技術，在今天仍屬世界最先進的技術。“北斗”衛星導航定位系統水平定位精度為100米，差分定位精度小於20米。定位響應時間：一類用戶5秒、二類用戶2秒、三類用戶1秒。最短定位更新時間小於1秒，一次定位成功率95%。 簡短通信：“北斗”衛星導航定位系統具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數字簡訊通信能力。運作流程為地面控制中心接收到用戶發送來的響應信號中的通信內容，進行解讀後再傳送給收件人客戶端。一般用戶1次可傳輸36個漢字，經核準的用戶可利用連續傳送方式最多可傳送120個漢字。這種簡訊通信服務，GPS無法提供。

　　精密授時：“北斗”導航系統具有單向和雙向2種授時功能，根據不同的精度要求，定時傳送最新授時信息給客戶端，供用戶完成與“北斗”衛星導航定位系統間時間差的修正。

　　“北斗”衛星導航定位系統的工作步驟如下：

　　1.地面控制中心向2枚衛星發送詢問信號；

　　2.衛星接收到詢問信號，經衛星轉發器向服務區用戶播送詢問信號；

　　3.用戶響應其中1枚衛星的詢問信號，並同時向2枚衛星發送回應信號；

　　4.衛星收到用戶響應信號，經衛星轉發器發送回地面控制中心；

　　5.地面控制中心收到用戶響應信號，解讀出用戶申請的服務內容；

　　6.地面控制中心並利用數值地圖計算出用戶的三維坐標位置，再將相關信息或通信內容發送到衛星；

　　7.衛星在收到控制中心發來的坐標資料或通信內容後，經衛星轉發器傳送給用戶或收件人。

　　“北斗”系統的軍事用途

　　“北斗”衛星導航定位系統基本上是以滿足商用服務為主，雖然目前軍事用途仍有限，不過其仍具有雄厚的軍事應用潛力，這也是大陸未來發展重點。理由很簡單，雖然大陸衛星導航定位應用近年來發展迅速，但是絕大多數的軍民應用範疇都是建立在美國GPS之上。一旦發生戰爭，美國關閉GPS或加大民用碼誤差，對大陸而言，後果不堪設想，所以大陸必須末雨綢繆，發展自主的衛星導航定位系統。

　　其實“北斗”衛星導航定位系統的軍事功能與GPS類似，如：飛機、導彈、水面艦艇和潛艇的定位導航；彈道導彈機動發射車、自行火炮與多管火箭發射車等武器載具發射位置的快速定位，以縮短反應時間；人員搜救、水上排雷定位等。不過，因運作方式不同，“北斗”衛星導航定位系統有一些GPS沒有的軍事功能，其中最重要的就是部隊的指揮管制。

　　由於“北斗”衛星導航定位系統的簡短通信功能可進行“群呼”，如集團用戶中心發出的各種指令經“北斗”指揮型用戶機上傳至“北斗”衛星接着轉給地面控制中心，再經出站鏈路傳至“北斗”衛星向目標用戶轉發，使得集團用戶中心可對其下屬用戶進行指揮調度。另外，當用戶提出申請或按預定間隔時間進行定位時，不僅用戶知道門己的測定位置，而月-共調度指揮的上層單位或其他有關單位也可得知用戶所在位置。

　　這項功能用在軍事上，意味着可主動進行各級部隊的定位，也就是說大陸各級部隊一旦配備“北斗”衛星導航定位系統，除了可供自身定位導航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統掌握部隊位置，並傳遞相關命令，對任務的執行有相當大的助益。換言之，大陸可利用“北斗”衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理。

　　“北斗”系統的限制與弱點

　　由於“北斗”衛星導航定位系統是雙星系統，因此，共用戶接收器只能測得二維(平面)的定位數據。用戶若位於海平面上，因高度為零，可以直接求得三維(平面和高度)的定位數據；但用戶若位於陸地或空中，就需要利用地面控制中心的數值地圖資料厙或用戶自備的測高儀才能求得用戶的高度，並進一步確定用戶的三維坐標。若控制中心的數值地圖數據庫數據不夠準確，尤其是要拿到非本國的地理精確數據並不容易，定位出的位置數據就會有問題。

　　“北斗”衛星導航定位系統用戶的定位申請要送回地面控制中心，經由中心控制系統解算出用戶的三維位置資料之後再發回用戶。無線電信號從地面發出，經衛星返回地面的上下行時間約為0.24—0.28秒，從用戶接收器應答測距信號到接收定位結果，信號經過兩次上下行鏈路的傳送，時間約需0.56秒，加上中心控制系統的計算時間，整個定位時間約需1秒鐘，即用戶接收器約可在1秒鐘完成定位。這1秒的定位時間對飛機、導彈這種高速運動的用戶嫌時間長，會加大定位的誤差，因此，若要利用“北斗”衛星導航定位系統進行精確定位，以車輛、船舶等慢速運動的用戶較適合。

　　由於“北斗”衛星導航定位系統的客戶端耍請求定位服務時，必須發出應答信號，即“有源應答”，如果使用者是軍方單位就會使自身失人隱蔽性，且這個定位服務要求的信號也可被敵方定位，而遭致攻擊。另外，客戶端除了要和衛星一樣接收來自地面控制中心的詢問信號，也要發出應答信號，因此，整個系統的同一時間內服務用戶的數量便受用戶可使用的通信頻率數量、詢問信號速率和用戶的響應速率等條件的限制，所以“北斗”衛星導航定位系統的用戶設備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個用戶。雖然每個客戶端都有專用識別碼，不過一旦被破解，很容易使整個系統被敵人或有心人士以偽冒信號加以飽和，使系統癱瘓或者是傳送假信息，迷惑友軍。由於“北斗”衛星導航定位系統中地面控制中心扮演着系統關鍵角色，如：承轉衛星信息、解算用戶位置等，因此，一旦地而控制中心被毀，整個系統就不能運作了，這也是“北斗”系統的致命傷。

　　“北斗”衛星導航定位系統使用的衛星是同步軌道衛星，這意味着落地信號功率很小，因此，用戶機需要有較大天線(直徑達20厘米)才能接收信號，而且因“有源應答”運作方式，所以，用戶機還要包含發射機，因此在體積(普通型用戶機長20厘米、寬17.5厘米、高5.2厘米)、重量、耗電量，甚至價格都遠比GPS接收機來得大、重、耗電與貴，而且這麼大且重的用戶機，不要說是裝在導彈上，就是單兵使用都是一大負擔。

　　台灣欲反制“北斗”

　　反制“北斗”衛星導航定位系統，就像海軍反導彈作戰一樣，可分為“硬殺傷”和“軟殺傷”。前者就是直接攻擊導航衛星和地面控制中心，不過，因“北斗”系統使用的衛星是同步軌道衛星，軌道高達36000千米，即使是美國也無此攻擊能力。不過美國倒是有攻擊地面控制中心的能力，美軍可以使用巡航導彈，機載防區外攻擊武器，或派遣隱形戰機、轟炸機，滲透大陸空防育接摧毀地面控制中心，癱瘓整個系統。但台灣的現有軍力尚無法對“北斗”系統地面控制中心發動直接攻擊。

　　至於“軟殺傷”，不外乎就是干擾。其實只要是無線電系統都會受到干擾，像天氣或太陽黑子活動這種自然因素就會干擾無線電波，這將是台灣反制大陸“北斗”衛星導航定位系統的主要方式。“北斗”系統的衛星雖然遠在距地表36 000千米的同步軌道上，但因衛星相對於地球是靜止的，所以要干擾並不難。成功干擾同步軌道衛星最近的例子就是2002午大陸“鑫諾”一號衛星被法輪功成員從台灣發射電波予以干擾蓋台，“鑫諾”一號是大陸於1998年發射的同步軌道通信衛星，位置在東經110.5度的赤道上空。衛星上有24個C頻段轉頻器和14個KU頻段轉頻器，當時有3個KU頻段轉頻器受到干擾。據了解，法輪功成員是以發射電視載波方式干擾“鑫諾”一號衛星，而組裝干擾衛星的發射載波器材技術不難，只要有發射衛星信號能力的電信或廣播電視業者(如台灣電視台常用的SNG車)就有干擾能力，但這只是針對一般傳統調製方式(QPSK調製)的衛星信號而言，對於“北斗”衛星導航定位系統採用的CDMA技術(分碼多任務)，最簡單的做法即為全頻帶掃描干擾。

　　由於CDMA是使用擴頻技術，擴頻系統的主要優點就是具有很強的抗干擾能力，但並非完全無法被干擾。CDMA原理是不同用戶使用不同的擴頻編碼(Spreading Code)來調製，接收器可依不同擴頻編碼來過濾其它用戶信號而取出需要的信息。所以CDMA好比在在一間房間中，同時有一組人用中文交談，而另一組人用英文交談，彼此會有干擾的產生，但在中文聽者的耳中英文只是較大的噪音而已，並不會影響聽中文的辨識能力，因此，可以在同一時間、空間，有多組人用不同語言交談。但當交談人數多到一定程度時，彼此距離必須拉近才能聽見，此時涵蓋率相對降低，容量亦受限制。所謂容量即頻寬，“北斗”系統上下傳頻寬只有16.5兆赫，因此很容易被干擾。　　

　　由於“北斗”衛星導航定位系統的位置、頻段、頻率等技術參數都是公開信息，如：“北斗”系統3枚衛星的位置分別位為東經80度、140度、110.5度，上傳使用L頻段，頻率為1 610—1 626.5兆赫，下傳則為S頻段，頻率為2 483.5-2 500兆赫。即使“北斗”衛星導航定位系統使用抗干擾能力較強的CDMA擴頻技術，甚至有備用頻率，仍可使用全頻帶干擾機針對L和S頻段進行全面掃描干擾，目前台灣陸軍電子戰連即有此干擾能力。

　　不過一般通信衛星，尤其是軍用通信衛星通常都留有備用頻段，以備不時之需。因此，大陸“北斗”衛星導航定位系統的衛星可能也會留有備用頻段，作為反干擾之用。因此台灣除了要有L和S頻段的全頻帶干擾機外，也應發展全頻段的干擾能力。另外，大陸除了備用頻段外，也可能發展可同時使用“北斗”系統與GPS的雙模用戶機，除了可提升定位精度外，一旦任一系統失效時，另一系統即可接替，並增加敵方干擾的困難。不過即使如此，台灣還是可以進行干擾作為，因為GPS也很容易被干擾。

　　2003年3月24日美伊戰爭期間，美國國務院抗議若干俄羅斯公司在美國攻打伊拉克之前，將一些敏感的軍事器材賣給伊拉克，其中最令人矚目的就是莫斯科航空轉換公司出售的GPS干擾設備。這家航空轉換公司成立於10年前，主要業務為研製壓制不同無線電系統的干擾器，其作用對象包括戰機和炸彈上應用的全球定位系統。美國政府指控，俄羅斯技師在巴格達協助建立干擾GPS的系統，由於這套系統很複雜，俄羅斯技師還協助伊拉克操作。

　　干擾GPS信號的設備就是另一個同頻的電台，兩者發出相同頻率的信號互相干擾，使得收音機收不到清晰的聲音。因為這些精準武器離地面都不遠，相對於地面發出的干擾電波，衛星信號就較弱，因此易被干擾。而美軍也不能在同頻段進行反干擾，否則還是會干擾到武器系統GPS信號的接收。這種“蓋台”作為已算是電子戰的一種，作用就如同以電子戰裝備直接干擾制導導彈的雷達波。其實台灣軍方也有類似干擾作為，軍事情報局就有很多電台就是用來“反制匪波”，目的就在干擾大陸對台廣播。

　　由於伊拉克擁有的干擾設備有限，因此，伊拉克的蓋台行為大多集中在巴格達或其它聯軍主要轟炸目標附近進行，因為縮小發射電波範圍才能集中發射功率，進行有效干擾。不過，美軍使用的精準武器準確度很高，伊軍雖成功干擾GPS，但效果仍有限。以美軍大量使用以GPS制導的JDAM炸彈為例，其制導方式為戰機在投擲前，將目標坐標和戰機的最新位置輸入制導系統內，預設彈道，炸彈擲出後，因受大氣影響會有偏離彈道情形，這時再利用不斷接收到的GPS定位信號操縱彈翼修正彈道，直到命中目標。由於這些精準武器射程都很遠，除非伊拉克境內遍布干擾設備，否則很難全程干擾。而且這些精準武器也很聰明，一旦接收不到新的信號，還是會利用最後收到的信號修正彈道，只是誤差值較大。像大型建築物，即使誤差10—20米，還是能命中造成破壞。　　

　　由於“北斗”衛星導航定位系統“有源應答”的運作模式，使得資料更新速度較慢，原本就不利於速度較快的飛機和導彈做精確定位。所以一旦配備“北斗”衛星導航定位系統的大陸飛機或導彈，被台方干擾，其誤差值要比使用GPS制導被干擾要來得大。

　　伊軍使用的GPS干擾設備的效能到底如何?因伊拉克和聯軍雙方都沒有公布相關資料，因此很難判斷。不過由一些外電報道也許可推出一些端倪，剛開戰時，很多報道都指稱聯軍精準武器准到房子被炸，而屋前的汽車卻毫髮無傷，但隨着戰事推展，聯軍誤擊巴格達市場和住宅區造成平民死傷的事件，便不時發生。尤其是像市場這種大目標也會誤炸，有外電報道指可能是伊拉克發射的防空導彈未爆落回地面造成的，除此之外實在令人很難不聯想到是否這些誤炸事件是因聯軍精準武器被伊軍干擾所致。不過要注意的是，這種GPS干擾設備一旦激活後因本身也發出電波，很容易被敵軍定位而暴露行蹤，反而成為敵軍攻擊目標。美伊戰爭期間，聯軍受干擾後，立即以戰機摧毀伊軍使用的GPS干擾設備，由此可知這些干擾設備確實有效。

　　近年來，有很多信息指出，大陸已在彈道導彈或巡航導彈上加裝GPS制導系統，面對大陸精準武器的威脅，台灣已研擬應付之道。“監察院”於2002年完成的“信息作戰戰鬥力之全面檢討”項目調查報告中，就針對大陸可能利用衛星優勢對台進行精準攻擊，建議軍方宜及早建立反制或防禦能力，以達戰鬥力保存目的。軍方在回復“監察院”時指出，應付大陸可能利用衛星優勢對台進行精準攻擊，在主動防禦方面已規劃籌建“反制衛星偵測及通信暨干擾GPS定位制導武器系統”發展計劃，顯示軍方已注意到大陸GPS制導武器的威脅，並謀求反制之道。

　　大陸近年來在GPS差分定位技術，即DGPS(Differential GPS)的發展上不遺餘力，目的就是要提高GPS定位精度，使得GPS定位更加實時精確，應用範圍更廣泛。“GPS差分定位”的原理如下：在一個經過測地得知其“精確位置數據”的固定地點(站台)，以1個C／A碼(民用碼)用戶接收器接收GPS的信號而獲得該站台的“所測位置數據”，比較其與“精確位置數據”的差異就可得到“GPS定位誤差修正量”。然後以無線電發射機將這些“定位誤差修正量”傳播出去，供該地區使用中的大量C／A碼用戶接收器接收，修正其接收器的定位數據。通過“差分式GPS系統”，可使C／A碼接收器的定位精度提高約10倍之多。

　　而“北斗”衛星導航定位系統的“03星”雖是備份星，目的在“01星”或“02星”發生故障時，可接替其工作，但“01星”和“02星”都運作正常的情況下，則可利用“03星”進行差分修正服務、附加導航等工作，以提高定位精度。不過即使“03星”用來作為差分修正服務，“北斗”衛星導航定位系統的客戶端只能收到3枚衛星信號，精度還是比不上GPS用戶至少可收到4枚衛星信號。所以大陸除了發展“北斗”系統與GPS的雙模用戶機外。將來也可能利用已在大陸普設GPS差分基地站，發射“北斗”系統的“定位誤差修正量”，使“北斗”系統用戶能接收到第4個定位信號，以提高定位精度。因此值得注意的就是，大陸有可能派遣特工人員利用潛伏台灣的機會，先勘察某些合適地點，進行精確測地後，設置隱藏的差分基地站。一旦戰爭爆發，就可啟用提供大陸戰機和導彈進行更精確的定位，執行點穴戰。有關單位應即早未雨綢繆研擬對策，以應付大陸的滲透潛伏。除干擾衛星外，台灣也可利用“北斗”系統“有源應答”的運作模式，偵測大陸部隊，因此，台灣應研發偵測設備，並配發各級部隊，以便迅速掌握解放軍部隊位置，予以反擊。如果可能，也應嘗試對“北斗”衛星導航定位系統客戶端的識別碼進行破解，一旦譯碼成功除了可截取各客戶端之間與地面控制，扣心互傳的信息外，還可發送假信息誤導解放軍，另外，破解用戶識別碼後還能發出偽冒信號飽和“北斗”系統，使其它用戶無法正常使用。

　　結論

　　目前的“北斗”衛星導航定位系統僅是大陸的第一代導航定位衛星系統，只能算是一個“先導性系統”。大陸發展衛星導航定位系統的進程分為三個階段，第一階段是在2000年底建構“北斗”雙星導航定位系統，進行衛星導航定位系統相關科技的驗證、改進與研發。第二階段是於2003年前使“北斗”衛星導航定位系統達到“實用水準”，並於2003年發射“03星”，以提升“北斗”衛星導航定位系統的功能與定位精度。大陸發展衛星導航系統的第三階段目標，則是要研發與建構三維的第二代衛星導航定位系統。這個第二代衛星導航定位系統將是一個區域性系統或是全球性系統?目前其內部意見眾多尚未有定論，不過一定會改進第一代的缺點(如接收機體積太大、反應時間長、地理數據庫精準度、用戶容量太少、有源應答等)。

　　由於大陸力圖發展成一個具有全球影響力的大國，因此發展自主的全球性衛星導航定位系統確有必要。因此可能的發展方向為，以建立全球性衛星導航定位系統為長期目標，採取“先區域、後全球”的兩階段方針。其可行性在於區域性導航定位系統必須和未來全球性導航定位系統在體系上兼容，如此區域性系統才可以平穩地過渡到全球性系統。

　　可以確定的是，隨着大陸衛星導航定位科技的精進，台灣面臨精準武器攻擊的威脅增大，這些看不見的定位電波已成為台灣的新威脅，威脅之大將超過導彈或戰機。不過一旦台灣能掌握反制之道，其在台灣安全的邊際效益絕非防空導彈、戰機等硬殺傷武器能比。(忠頻)

　　《軍事家》

　　註：此文為台灣軍事家所載，本網轉載並不代表同意或證實其觀點，僅供參考。