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太空外挂：北斗导航

卫星是个好东西，可以让我们一窥家乡全貌。

在卫星之前，如何定位？

首先，得有一只精准的钟表，然后用指南针找着东南西北，接着利用太阳的影子（日晷）计算出维度和当地时间，再比对钟表时间，计算出经度。

到了晚上没太阳咋办？测量天上特定几颗星星的方位，大致也能计算自己的经纬度。

既没太阳又没星星的阴雨天咋办？得了，这是天要亡你，这会找科学家不如找算命先生管用！

其实光看这些定位原理，就能猜到精度有多粗糙了，可即便是这些连猜带蒙的糙技术，探索过程也极尽曲折，以至于当年连牛顿都认为利用钟表在海上定位是不可能的。感兴趣的同学可以搜一搜“经度之战”，保准你大跌眼镜。

如果定个位如此繁琐，那导弹和咸鱼有什么区别？除了核武器，即便是常规武器之最的“炸弹之父”，爆炸半径也就两三百米，普通武器大多只有几十米，所以为了保证打击效果，只能采用火力覆盖。这词听着霸气，但实际上非常败家，看二战时，美帝如何炸东京：

你数数，为了炸几十个目标，扔了多少炸弹？后来美帝发扬勤俭节约精神，在海湾战争中向全世界的土鳖们演示了教科书般的GPS精确打击，指出了现代战争的发展方向。

若是每件武器都能自己找到目标，那打仗就等于开了外挂啊！尤其是远程打击，再也不用派飞机去开雷达引导，只管在后方使劲扔。再往远了看，导航和无人机的结合，可能会改变未来的常规战争形态，这茬内容多，先不说。

中国彩虹无人机挂载的卫星制导炸弹

所以，当众人看着美帝的GPS在天上转悠时，心里别提有多馋了！这种宝贝，谁见了都眼红啊！人家欧萌堂堂贵族出身，论辈分还是美帝长辈，心底里是不服气的，于是也想折腾自家的全球卫星定位系统，取名“伽利略计划”。

打个岔。16世纪葡萄牙西班牙两个莞尔小国就能瓜分世界的时代一去不返，这年头想稍微折腾个动静大点的，都要有足够的体量做支撑。于是，裂成一地的欧洲处境越来越尴尬，虽然欧洲历史上出过无数猛人，但始终未能完成统一大业，个中原因不探究了。后来七拼八凑整出个欧萌，经济一体化差强人意，但政治一体化遥遥无期，于是退而求其次，就经常以项目合作的形式开展多国合作。“伽利略计划”便是其中之一。

尽管美帝一再表示，欧萌可以和自己人一样使用GPS，但欧萌最终还是决心建设“伽利略系统”。美帝那叫一个恼羞成怒，各种打压，写信给欧洲15国的防长，明确要求小弟们不要瞎参合，甚至有一次开会吵急眼了，美代表直接叫嚣要击落伽利略卫星。

欧萌为了反抗美帝的打压，积极拉中国入伙。美帝对中国的军事技术封锁可谓丧心病狂，而欧萌相对通融一些。中国历来只有被孤立的份，哪有享受过这等待遇，瞬间感觉世界充满爱，乐呵呵交了2.7亿美元的入伙费，还成立“中国伽利略卫星导航有限公司”表示诚意，公司主页还在这：

欧洲人做事历来有相互扯皮的传统，中国这么上进的青年如何闲的住。欧萌叫咱入伙也就为了恶心一下美帝，结果真被刨了不少好东西，据说在“地面差分定位”上捞到不少干货。

这架势，谁看了都怕啊！于是，2007年欧萌说为了安全问题，你就别参加重大决策了。这尼玛谁能忍？一开始是你叫我来参加，交了钱又把我甩了！这明摆着羞辱人啊！有没有点契约精神！中国一气之下，不再指望外人，削尖脑袋搞北斗。

当时，比利时航天机构主席说：“真令人难以置信！中国人确定主次，做出决策，没有争论，没有谈判，这与欧洲不同，欧盟做什么事之前，必须统一27种不同意见。”这话多少能体会到一些欧洲人的酸味。

伽利略计划原计划2008年开始商业运作，现在么，预算超了3倍不说，2005年升了颗实验卫星占茅坑，真正首批两颗卫星2011年才升空。2014年搭载俄罗斯联盟号火箭发射第三批2枚卫星，因上节火箭喷灌发生燃料冻结导致未能入轨。后因资金等多种原因不断搁置，2015年再度重启，2020年之前肯定是指望不上了。要全球导航，没几十颗卫星上天就别想了。

欧洲人干的这破事，让伽利略知道可以气活过来了。当然这中间肯定少不了两大流氓的黑手。

回头看看扫地出门的中国：

2010年中国的北斗导航系统频段正式采用与欧洲“伽利略”一样的PRS频段。最好的频段被美帝用了，次好的被抢了，剩下的咱们自然不会客气。（好的频段更利于穿透大气层，信号衰减的少）

这频段可不是收音机，转转旋钮就可以调整的。老牌帝国的颜面没地儿搁啊，于是立马跳脚了。但是本着“谁抢了归谁”原则（这是国际公认原则），中国并无法律责任让出频段，于是欧萌磨了8年嘴皮子，来中国开会基本没啥技术议题，都是讨要频段，一直磨到2015年才勉强达成共识。

美国《InsideGNSS》杂志专门为这个事情写过一篇文章，颇具玩味心态：《欧洲为出卖中国付出了代价！中国重创伽利略计划》

卫星定位的原理极为简单：通过自己与卫星的距离来计算自己的位置。距离的测量方法就是：信号速度×接受信号的时间，所以时间测量的精度就代表了卫星的定位精度。比如，如果定位精度要达到1米，时间测量精度必须达到4纳秒。

好了，终于轮到相对论登场了，相对论“时间膨胀效应”为数不多的应用，就是用来校准卫星上的原子钟。GPS卫星以4km/s的速度飞行，根据狭义相对论，每天的时间会慢上：

(4×4)/2(c×c)×60×60×24=7.68微秒

卫星距地面20000km，引力比地面小的多，根据广义相对论（卫星与地面引力势之差）/（光速的平方），每天的时间会快上：

[(GM/6371km)-(GM/26371km)]/c/c=45.58微秒

每天一加一减要快上38微秒，对应的距离大约是10公里。也就是说，如果卫星不校准，每天会增加10km的定位误差，因此，GPS地面控制中心每隔1.5秒校准一次原子钟。

当然，这种误差校准找个小学僧拿笔算算就能摆平，不稀罕。而整个系统处理信号产生的时间误差和原子钟精度，考验的才是硬功夫。

如果把“原子钟”比作北斗的心脏，那么“通信链路”就是北斗的血管。在这种半导体领域，想把美帝摁着打，几乎不可能。正好相反，事关国家安危的半导体，是中国和美帝差距最大的领域之一，这也是北斗升空之初饱受诟病的原因。后来随着北斗芯片和原子钟的不断突破，到了最近两年的北斗三号才逐渐缓过劲来。

常见的原子钟有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟，其中，铷钟便宜但精度低，铯钟精度高但寿命短，氢钟中短期性能较出色。总的来说，铯钟是原子钟中的战斗机，甚至连国际单位“秒”的定义都是按铯原子定的，不幸的是，铯钟的技术难度也最高。

目前只有美帝的GPS用了铯钟加铷钟，欧萌和毛子都是铷钟加氢钟，而北斗一直只有铷钟。后来航天科工二院203所终于把氢原子钟搞定，北斗三号立马用氢钟取代了原先的铷钟，精度直接飙升一个数量级。在原子钟这个领域，虽然美帝依然一骑绝尘，但中国至少把欧萌摁到下面了。

顺便提一下，三哥一直以大流氓标准严格要求自己，所以最近也凑热闹发射了导航卫星。凭着良好的人缘，阿三的科技公关基本靠“买”解决，这回买的是欧萌的瑞士货，于是，6颗卫星也挂了4颗。

中国第一台铷原子钟

最新的天宫二号的原子钟

原子被困在激光光阱柱里

北斗的芯片和板卡也基本实现了自主生产。早先的北斗二号确实有些寒碜，最近升空的北斗三号，在硬件上算是熬出头了，可以满足亚米级的定位要求，并正式开始全球组网，所以还得过些时间才能逐渐发挥出优势。

虽然北斗的硬件被GPS甩了一条街，但设计理念却把GPS甩了两条街，到头来，不见得谁比谁差。

打个比方，GPS就是个大广播，持续向地球播送“时间”和“位置”两个信息，地面接收器就根据这个信号计算自己的坐标。

于是就有问题了，信号从天上到地面是单向传输，就好像你蒙着眼睛站在楼上喊，不知道底下是谁在听、多少人在听、在哪里听、听的人是死是活，你能做的其实很有限，无非就是朝哪边喊，声音重点还是轻点，要不要加些暗语。

相比于GPS的“广播式”，北斗相当于“对讲机式”，其最大的原创在于信号的双向传输。这不仅仅是发个求救短信那么简单，双向信号意味着北斗可以实时监控接收机的位置，未来如果要进行无人机编队飞行啦，装甲战车的协调指挥啦……好了，点到为止。

除此之外，北斗也比GPS更聪明些，星间链路技术据说相当可以，各卫星之间可以相互通信相互测距，并自动保持队形，只要有一颗连着地面，就等于所有卫星都连着地面。

北斗除了天上的卫星，在地面建了很多地面增强基站（相当于基准点），定位精度可以精确到1厘米，哪个手指涂了指甲油都可以分辨！这在应用上多了很多想象空间，比如监测地面沉降、汽车无人驾驶等。南京已经投入运营，6个基站就可覆盖全市，以中国的德性，不把全国建满基站是不会罢休的，哦，应该是不把全球建满是不会罢休的。

泰国的北斗增强基站已经启用

前几年有个新闻，清华毕业生高杏欣，在斯坦佛大学读博士的时候破解了北斗二代的“信道编码规则”，并获得了美国航空无线电委员会的表彰。这女娃确实牛，2006年伽利略首颗试验卫星激活没几个小时，就被她破解了。

具体咋回事呢？先了解一下基本原理。

信号就是用特定的电磁波发射“1和0”，但卫星几万公里，信号衰减的厉害，经常会把“1和0”搞丢，因此卫星普遍采用“扩频技术”。意思就是用成千上万个“1和0”来代表原来的一个“1或0”。

能明白不？看个例子：我在人山人海的广场找不到妹子，于是找了100个特征明显的人围着妹子，就算100个人被挤走几个，我还是能知道妹子在哪里。而这100人的特征就是找妹子的关键，破解就是破这个。

北斗这100个人的特征原本就是打算开放给民用的，没有特意做防破解处理，所以选了三头六臂这种特征比较好找的，只要你看到一堆奇形怪状的人围着一个妹子，没跑了，这就是要找的信号。

北斗一上场就被人猜中了谜底，面子上是有点挂不住，但也不用过于慌张。第一，无线电的频率不能随意更改（就是中国和欧萌抢的那个频段），但编码和算法（就是这100人的特征）是可以任意重设的，在重大军事行动之前，肯定会重设。第二，军用信号就不是找100个奇形怪状的人了，而是把妹子藏在10000个区别不大的人当中，比如找1000个身高均匀的男人，1000个胖瘦均匀的女人，1000个小男孩，1000个小女孩……，要在这群人中找妹子，还是考虑研制一个时光穿梭机吧。

83年的女博导，负责北斗导航增强技术

其实，“广播式”的GPS比“对讲机式”的北斗更容易干扰破解，当年伊朗就是干扰了GPS信号，捕获了一架美帝无人机。这些年美帝一直在测试卫星导航干扰技术，预计这技能未来也会成为大国标配。哎，无聊的人类，总是把战争形态越弄越复杂。

北斗是“国家重大战略项目”，这官话听着很乏味，这么说吧，美帝独霸全球，GPS是一个非常重要的技术依托。某种意义上说，两弹一星是保家卫国，北斗是星辰大海第一步。

北斗和GPS作为长期运行的系统，维护和升级都需要大量的钱，所以竞争的关键是产业化，有利润就良性循环，没利润就恶性循环。

目前，北斗、GPS、毛子的格洛纳斯导航，还有脚盆的卫星差分信号，都实现了民用信号的兼容和互操作，相当于一部接收机可以同时使用多种信号。

以本僧使用的华为手机为例，在山区、平原等多种地区的搜星测试，GPS依然是霸主地位，其次是毛子，没办法，谁让人家占了最佳的通讯频段，脚盆的差分信号也不错。收到北斗的信号往往是最慢的，而且卫星数量也最少。当然，如果是手持式的北斗导航仪，情况就不会这么尴尬了。

搜星测试虽然不能说明太多技术问题，但至少说明北斗的产业化依然还在起步阶段，尽管北斗芯片的出货量已经非常可观了。

北斗导航的主力不是目前的北斗二号卫星，而是北斗三号卫星。2017年11月发射了2颗北斗三号，2018年密集发射18颗，这都需要钱啊！所以，吃瓜群众们，为祖国做贡献的机会又来了，快快使用北斗导航吧！