“北斗”系统发展背景与过程

　　人类是在一次偶然事件中发现可以利用卫星进行导航。1957年，苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1号(Sputnik-1)进入轨道后不久，美国两位科学家在追踪这枚苏联卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗?从此，一种先进的导航技术“卫星导航”悄然兴起。

　　当时美国科学家们即倡议利用卫星，为其“北极星”核动力弹道导单潜艇进行定位导航，以修正惯性导航系统的时间累积误差。于是美国在1958年提出利用“多普勒频移效应”与“标准时间差”定位原理的第一代卫星定位系统经纬仪(Transit)构想，1960年4月开始发射首枚卫星，1964年提供军用服务，1967年更开放给民间使用，此后曾进行两次改进，1988年8月进行最后一次发射，2000年系统报废。“经纬仪卫星导航定位系统”的成功，导致美国与苏联研发与建构更大规模、高精度的卫星导航定位系统，即全球定位系统(GPS)与全球导航卫得系统(GLONASS)。

　　1983年，大陆开始筹划卫星导航定位系统，1986年初，大陆正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个计划，并由北京跟踪与通信技术研究所负责研发。当时大陆专家研究报告提出多种卫星导航定位系统的构想，经过深入评析，多数专家认为，利用2枚或3枚位于地球同步轨道的通信卫星进行导航定位的方案比较适合大陆。由于当时大陆航天科技实力，已具有制造与发射同步轨道通信卫星的能力，也已建立卫星地面追踪网，有相当规模的卫星轨道数据处理中心，所以有利于发挥既有的卫星资源与地面设施功能；另一方面也顾及到大陆经济力量有限，因为此项发展需要24颗卫星类似美国GPS的卫星导航定位系统，需要大量经费，当时大陆尚无此财力。

　　1986年底大陆研发单位就提出了总体技术方案和试验方案，预估只要3年时间，就可利用已在轨道的2枚同步卫星进行整体演练，验证导航定位原理，并检验系统实用性，寻找实现双星导航定位的技术途径。就在大陆筹备双星定位系统期间，大陆专家发现1982年美国已有3名科学家开始发展一个利用3枚同步轨道卫星，名为GEOSTAR的定位系统，还获得多项专利。但是后来因为功能更佳的GPS全球定位系统发展迅速，使得研发中的GEOSTAR系统资金被撤走，在1991年宣告失败。由于GEOSTAR最后也将使用3枚卫星定位改为双星定位，因此大陆仍宣称使用双星定位的概念是其最早提出并实现的。

　　1989年9月5日凌晨5点，大陆科研人员以库尔勒、南宁等4个用户机进行第一次定位演练，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时、简短通信三大功能，而且比当时GPS的民用码精度高好几倍。1994年1月，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗”卫星导航定位系统，并列为大陆“九五计划”要项。双星快速定位系统演练验证试验的成功，为“北斗”系统奠定了技术基础。接下来的6年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建构“北斗”系统的完整架构。

　　“北斗”系统运作原理与流程

　　“北斗”卫星导航定位系统是全天候、全日时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号，服务范围以大陆地区为主。其定位原理系采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可画出2个球面另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面3个球面的交会点即为用户的位置。

　　“北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

　　地面控制小心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位。简单的说，“北斗”卫星导航定位系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。

　　快速定位：目的在确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航服务。“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星，以快速捕捉信号和传送大量数据见长，从用户发出定位申请，到收到结果，只需1秒钟。而在这1秒钟内，整个系统要完成发送申请信号、上传卫星、经地面控制中心计算出位置，再从卫星将定位信息送返申请用户等流程，而其中快速捕捉信号只用了几毫秒。大陆宣称这项20年前设计的快捕技术，在今天仍属世界最先进的技术。“北斗”卫星导航定位系统水平定位精度为100米，差分定位精度小于20米。定位响应时间：一类用户5秒、二类用户2秒、三类用户1秒。最短定位更新时间小于1秒，一次定位成功率95%。 简短通信：“北斗”卫星导航定位系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简讯通信能力。运作流程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件人客户端。一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户可利用连续传送方式最多可传送120个汉字。这种简讯通信服务，GPS无法提供。

　　精密授时：“北斗”导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给客户端，供用户完成与“北斗”卫星导航定位系统间时间差的修正。

　　“北斗”卫星导航定位系统的工作步骤如下：

　　1.地面控制中心向2枚卫星发送询问信号；

　　2.卫星接收到询问信号，经卫星转发器向服务区用户播送询问信号；

　　3.用户响应其中1枚卫星的询问信号，并同时向2枚卫星发送回应信号；

　　4.卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发送回地面控制中心；

　　5.地面控制中心收到用户响应信号，解读出用户申请的服务内容；

　　6.地面控制中心并利用数值地图计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息或通信内容发送到卫星；

　　7.卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器传送给用户或收件人。

　　“北斗”系统的军事用途

　　“北斗”卫星导航定位系统基本上是以满足商用服务为主，虽然目前军事用途仍有限，不过其仍具有雄厚的军事应用潜力，这也是大陆未来发展重点。理由很简单，虽然大陆卫星导航定位应用近年来发展迅速，但是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。

　　其实“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。

　　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。

　　“北斗”系统的限制与弱点

　　由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，共用户接收器只能测得二维(平面)的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维(平面和高度)的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就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。

　　“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，若要利用“北斗”卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。

　　由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端耍请求定位服务时，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，而遭致攻击。另外，客户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内服务用户的数量便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。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。

　　“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。

　　台湾欲反制“北斗”

　　反制“北斗”卫星导航定位系统，就像海军反导弹作战一样，可分为“硬杀伤”和“软杀伤”。前者就是直接攻击导航卫星和地面控制中心，不过，因“北斗”系统使用的卫星是同步轨道卫星，轨道高达36000千米，即使是美国也无此攻击能力。不过美国倒是有攻击地面控制中心的能力，美军可以使用巡航导弹，机载防区外攻击武器，或派遣隐形战机、轰炸机，渗透大陆空防育接摧毁地面控制中心，瘫痪整个系统。但台湾的现有军力尚无法对“北斗”系统地面控制中心发动直接攻击。

　　至于“软杀伤”，不外乎就是干扰。其实只要是无线电系统都会受到干扰，像天气或太阳黑子活动这种自然因素就会干扰无线电波，这将是台湾反制大陆“北斗”卫星导航定位系统的主要方式。“北斗”系统的卫星虽然远在距地表36 000千米的同步轨道上，但因卫星相对于地球是静止的，所以要干扰并不难。成功干扰同步轨道卫星最近的例子就是2002午大陆“鑫诺”一号卫星被法轮功成员从台湾发射电波予以干扰盖台，“鑫诺”一号是大陆于1998年发射的同步轨道通信卫星，位置在东经110.5度的赤道上空。卫星上有24个C频段转频器和14个KU频段转频器，当时有3个KU频段转频器受到干扰。据了解，法轮功成员是以发射电视载波方式干扰“鑫诺”一号卫星，而组装干扰卫星的发射载波器材技术不难，只要有发射卫星信号能力的电信或广播电视业者(如台湾电视台常用的SNG车)就有干扰能力，但这只是针对一般传统调制方式(QPSK调制)的卫星信号而言，对于“北斗”卫星导航定位系统采用的CDMA技术(分码多任务)，最简单的做法即为全频带扫描干扰。

　　由于CDMA是使用扩频技术，扩频系统的主要优点就是具有很强的抗干扰能力，但并非完全无法被干扰。CDMA原理是不同用户使用不同的扩频编码(Spreading Code)来调制，接收器可依不同扩频编码来过滤其它用户信号而取出需要的信息。所以CDMA好比在在一间房间中，同时有一组人用中文交谈，而另一组人用英文交谈，彼此会有干扰的产生，但在中文听者的耳中英文只是较大的噪音而已，并不会影响听中文的辨识能力，因此，可以在同一时间、空间，有多组人用不同语言交谈。但当交谈人数多到一定程度时，彼此距离必须拉近才能听见，此时涵盖率相对降低，容量亦受限制。所谓容量即频宽，“北斗”系统上下传频宽只有16.5兆赫，因此很容易被干扰。　　

　　由于“北斗”卫星导航定位系统的位置、频段、频率等技术参数都是公开信息，如：“北斗”系统3枚卫星的位置分别位为东经80度、140度、110.5度，上传使用L频段，频率为1 610—1 626.5兆赫，下传则为S频段，频率为2 483.5-2 500兆赫。即使“北斗”卫星导航定位系统使用抗干扰能力较强的CDMA扩频技术，甚至有备用频率，仍可使用全频带干扰机针对L和S频段进行全面扫描干扰，目前台湾陆军电子战连即有此干扰能力。

　　不过一般通信卫星，尤其是军用通信卫星通常都留有备用频段，以备不时之需。因此，大陆“北斗”卫星导航定位系统的卫星可能也会留有备用频段，作为反干扰之用。因此台湾除了要有L和S频段的全频带干扰机外，也应发展全频段的干扰能力。另外，大陆除了备用频段外，也可能发展可同时使用“北斗”系统与GPS的双模用户机，除了可提升定位精度外，一旦任一系统失效时，另一系统即可接替，并增加敌方干扰的困难。不过即使如此，台湾还是可以进行干扰作为，因为GPS也很容易被干扰。

　　2003年3月24日美伊战争期间，美国国务院抗议若干俄罗斯公司在美国攻打伊拉克之前，将一些敏感的军事器材卖给伊拉克，其中最令人瞩目的就是莫斯科航空转换公司出售的GPS干扰设备。这家航空转换公司成立于10年前，主要业务为研制压制不同无线电系统的干扰器，其作用对象包括战机和炸弹上应用的全球定位系统。美国政府指控，俄罗斯技师在巴格达协助建立干扰GPS的系统，由于这套系统很复杂，俄罗斯技师还协助伊拉克操作。

　　干扰GPS信号的设备就是另一个同频的电台，两者发出相同频率的信号互相干扰，使得收音机收不到清晰的声音。因为这些精准武器离地面都不远，相对于地面发出的干扰电波，卫星信号就较弱，因此易被干扰。而美军也不能在同频段进行反干扰，否则还是会干扰到武器系统GPS信号的接收。这种“盖台”作为已算是电子战的一种，作用就如同以电子战装备直接干扰制导导弹的雷达波。其实台湾军方也有类似干扰作为，军事情报局就有很多电台就是用来“反制匪波”，目的就在干扰大陆对台广播。

　　由于伊拉克拥有的干扰设备有限，因此，伊拉克的盖台行为大多集中在巴格达或其它联军主要轰炸目标附近进行，因为缩小发射电波范围才能集中发射功率，进行有效干扰。不过，美军使用的精准武器准确度很高，伊军虽成功干扰GPS，但效果仍有限。以美军大量使用以GPS制导的JDAM炸弹为例，其制导方式为战机在投掷前，将目标坐标和战机的最新位置输入制导系统内，预设弹道，炸弹掷出后，因受大气影响会有偏离弹道情形，这时再利用不断接收到的GPS定位信号操纵弹翼修正弹道，直到命中目标。由于这些精准武器射程都很远，除非伊拉克境内遍布干扰设备，否则很难全程干扰。而且这些精准武器也很聪明，一旦接收不到新的信号，还是会利用最后收到的信号修正弹道，只是误差值较大。像大型建筑物，即使误差10—20米，还是能命中造成破坏。　　

　　由于“北斗”卫星导航定位系统“有源应答”的运作模式，使得资料更新速度较慢，原本就不利于速度较快的飞机和导弹做精确定位。所以一旦配备“北斗”卫星导航定位系统的大陆飞机或导弹，被台方干扰，其误差值要比使用GPS制导被干扰要来得大。

　　伊军使用的GPS干扰设备的效能到底如何?因伊拉克和联军双方都没有公布相关资料，因此很难判断。不过由一些外电报道也许可推出一些端倪，刚开战时，很多报道都指称联军精准武器准到房子被炸，而屋前的汽车却毫发无伤，但随着战事推展，联军误击巴格达市场和住宅区造成平民死伤的事件，便不时发生。尤其是像市场这种大目标也会误炸，有外电报道指可能是伊拉克发射的防空导弹未爆落回地面造成的，除此之外实在令人很难不联想到是否这些误炸事件是因联军精准武器被伊军干扰所致。不过要注意的是，这种GPS干扰设备一旦激活后因本身也发出电波，很容易被敌军定位而暴露行踪，反而成为敌军攻击目标。美伊战争期间，联军受干扰后，立即以战机摧毁伊军使用的GPS干扰设备，由此可知这些干扰设备确实有效。

　　近年来，有很多信息指出，大陆已在弹道导弹或巡航导弹上加装GPS制导系统，面对大陆精准武器的威胁，台湾已研拟应付之道。“监察院”于2002年完成的“信息作战战斗力之全面检讨”项目调查报告中，就针对大陆可能利用卫星优势对台进行精准攻击，建议军方宜及早建立反制或防御能力，以达战斗力保存目的。军方在回复“监察院”时指出，应付大陆可能利用卫星优势对台进行精准攻击，在主动防御方面已规划筹建“反制卫星侦测及通信暨干扰GPS定位制导武器系统”发展计划，显示军方已注意到大陆GPS制导武器的威胁，并谋求反制之道。

　　大陆近年来在GPS差分定位技术，即DGPS(Differential GPS)的发展上不遗余力，目的就是要提高GPS定位精度，使得GPS定位更加实时精确，应用范围更广泛。“GPS差分定位”的原理如下：在一个经过测地得知其“精确位置数据”的固定地点(站台)，以1个C／A码(民用码)用户接收器接收GPS的信号而获得该站台的“所测位置数据”，比较其与“精确位置数据”的差异就可得到“GPS定位误差修正量”。然后以无线电发射机将这些“定位误差修正量”传播出去，供该地区使用中的大量C／A码用户接收器接收，修正其接收器的定位数据。通过“差分式GPS系统”，可使C／A码接收器的定位精度提高约10倍之多。

　　而“北斗”卫星导航定位系统的“03星”虽是备份星，目的在“01星”或“02星”发生故障时，可接替其工作，但“01星”和“02星”都运作正常的情况下，则可利用“03星”进行差分修正服务、附加导航等工作，以提高定位精度。不过即使“03星”用来作为差分修正服务，“北斗”卫星导航定位系统的客户端只能收到3枚卫星信号，精度还是比不上GPS用户至少可收到4枚卫星信号。所以大陆除了发展“北斗”系统与GPS的双模用户机外。将来也可能利用已在大陆普设GPS差分基地站，发射“北斗”系统的“定位误差修正量”，使“北斗”系统用户能接收到第4个定位信号，以提高定位精度。因此值得注意的就是，大陆有可能派遣特工人员利用潜伏台湾的机会，先勘察某些合适地点，进行精确测地后，设置隐藏的差分基地站。一旦战争爆发，就可启用提供大陆战机和导弹进行更精确的定位，执行点穴战。有关单位应即早未雨绸缪研拟对策，以应付大陆的渗透潜伏。除干扰卫星外，台湾也可利用“北斗”系统“有源应答”的运作模式，侦测大陆部队，因此，台湾应研发侦测设备，并配发各级部队，以便迅速掌握解放军部队位置，予以反击。如果可能，也应尝试对“北斗”卫星导航定位系统客户端的识别码进行破解，一旦译码成功除了可截取各客户端之间与地面控制，扣心互传的信息外，还可发送假信息误导解放军，另外，破解用户识别码后还能发出伪冒信号饱和“北斗”系统，使其它用户无法正常使用。

　　结论

　　目前的“北斗”卫星导航定位系统仅是大陆的第一代导航定位卫星系统，只能算是一个“先导性系统”。大陆发展卫星导航定位系统的进程分为三个阶段，第一阶段是在2000年底建构“北斗”双星导航定位系统，进行卫星导航定位系统相关科技的验证、改进与研发。第二阶段是于2003年前使“北斗”卫星导航定位系统达到“实用水准”，并于2003年发射“03星”，以提升“北斗”卫星导航定位系统的功能与定位精度。大陆发展卫星导航系统的第三阶段目标，则是要研发与建构三维的第二代卫星导航定位系统。这个第二代卫星导航定位系统将是一个区域性系统或是全球性系统?目前其内部意见众多尚未有定论，不过一定会改进第一代的缺点(如接收机体积太大、反应时间长、地理数据库精准度、用户容量太少、有源应答等)。

　　由于大陆力图发展成一个具有全球影响力的大国，因此发展自主的全球性卫星导航定位系统确有必要。因此可能的发展方向为，以建立全球性卫星导航定位系统为长期目标，采取“先区域、后全球”的两阶段方针。其可行性在于区域性导航定位系统必须和未来全球性导航定位系统在体系上兼容，如此区域性系统才可以平稳地过渡到全球性系统。

　　可以确定的是，随着大陆卫星导航定位科技的精进，台湾面临精准武器攻击的威胁增大，这些看不见的定位电波已成为台湾的新威胁，威胁之大将超过导弹或战机。不过一旦台湾能掌握反制之道，其在台湾安全的边际效益绝非防空导弹、战机等硬杀伤武器能比。(忠频)

　　《军事家》

　　注：此文为台湾军事家所载，本网转载并不代表同意或证实其观点，仅供参考。