【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（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)始于20世紀70年代由美國陸?？杖娐?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)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(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小時的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點(98%)都可以同時觀測到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)建四個方程組解決四個未知數(shù)：三維坐標和接收機鐘差信息）。后來經(jīng)過擴展，它的衛(wèi)星數(shù)穩(wěn)定在32顆左右，它們分布在6個平面上，軌道傾角為55度，達到最優(yōu)設(shè)計。由于衛(wèi)星的壽命長短不一，美國每年都會發(fā)射一些衛(wèi)星更新這個系統(tǒng)。

(來自美國官方)

GPS信號包括兩種，一種是普通民用碼，所有的接收機都能用；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。這兩個精度差多少，百倍左右，你的手機和車載導(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)用實在太廣泛了，因為它是一種無源定位系統(tǒng)。簡而言之的原理就是只要你有一個接收機，能接收到它的信號（低于它的軌道高度，20200千米左右，GPS信號都是指向地球發(fā)射的），從理論上講可以容納無限個接收機工作，任何一個接收機如果有至少四顆衛(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，人類的地球觀測衛(wèi)星（各種資源衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星比如重力、磁場、洋流、幾乎所有的間諜衛(wèi)星）都處在這個高度范圍內(nèi)，用這個是妥妥的。

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：

你要有一個高大上的星載GPS接收機（沒有幾個國家搞得到），很多星上輔助儀器數(shù)據(jù)(星敏感器、加速度計等等)，加上對地球進行各種復(fù)雜動力學(xué)建模(重力場、海洋潮汐、太陽光壓、地球固體潮、地球大氣潮、三體引力等等)，加上工程實踐的各種算法中補償措施，再加上工程實踐的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，最后可以算出低軌衛(wèi)星的軌道，然后打個激光檢驗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，但這個精度要求遠遠高于普通導(dǎo)航儀和手機的精度而已。

| 第三，這個應(yīng)用的精度有多高？

目前的科研進展是，給單個衛(wèi)星定軌道的精度是實時30厘米/事后定位2厘米左右，這是個什么概念呢？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！

遠不止如此，對于編隊飛行的衛(wèi)星，可以形成獨特的雙差基線，GPS輔助編隊衛(wèi)星的定位精度會大大提高，達到0.5毫米級別(用星上單向的高頻精度為微米級的雷達檢驗)，這個世界記錄目前就是我們組保持的。這是個什么概念，如果讓兩只蚊子共同跳一個華爾茲，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，這個精度足夠幫它們校正同步動作了。下面是歐洲和美國最近幾個任務(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)移機動，空間交會對接，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)成天線陣精確測出角度。如果你有了高精度速度(可以通過GPS測出)，可以精確推出加速度或滾動加速度，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，所有的對地觀測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，直接往厘米級別沖。

科學(xué)應(yīng)用，舉一個最簡單的例子，GPS定位的重力衛(wèi)星因為本身軌道精度大大提高，反向把地球重力場模型精度提高了100倍以上。而重力場能干什么，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，以及地球板塊運動。

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

軍事戰(zhàn)略應(yīng)用，美國這么多間諜衛(wèi)星，動輒拿出嚇死人的地面分辨率，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)域重力場也能給巡航/戰(zhàn)略導(dǎo)彈提供人工無法改變的絕對重力信息，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)達到了厘米級精度，如果給導(dǎo)彈、戰(zhàn)車、單兵、飛機全部都裝上會有什么特效？

事實上，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，保駕護航。看這個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？

這是一個很大很大的棋。

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

1、美帝不會給你接收機的。因為GPS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，基本都來自美國航空航天局的噴氣推進實驗室，絕對壟斷。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時有一個selectiveavailability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。后來俄羅斯的格洛納斯競爭日趨猛烈，美國一激動2000年5月2日取消了，變化有多大，如圖所示，美國動動手改個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)用實驗室)

看到凌晨6點發(fā)生什么了嘛？

同樣的道理，對美國而言，我哪天心情不好了，除了美國的軍用接收機，能輕輕松松讓全世界的所有民用和非正當渠道搞來的所謂“軍用接收機”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，有本事過來打我啊！

3、如果只是失效還就算了，還有一個可怕的——釋放干擾信號。

反正GPS信號都是美帝的工程師做的，一旦有應(yīng)用，我釋放一個假的信號源，一模一樣的信號結(jié)構(gòu)，只是不同的信息內(nèi)容但強度大很多。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)費了，去年俄羅斯又接二連三的發(fā)射失敗，這個系統(tǒng)已經(jīng)殘疾了；

歐洲的伽利略，我們都無語了，原來要當北斗的老師，現(xiàn)在毫無進展，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，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)上一點都不落后哇。北斗的技術(shù)實力杠杠的，咱們國內(nèi)航天汪們的各種定軌理論水平與應(yīng)用都是世界級的，北斗絕對是中國航天彎道趕上甚至超車的超級王牌！北斗馬上全球成網(wǎng)，作為一個搞這個方面的航天汪你們造我有多高興么，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，百年大計啊，造福子孫后代。就這國際形勢，跟美帝不出事兒還好，出事兒了北斗絕對是咱們的王牌。