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都是“三代”,北斗3和GPS III比怎么样?

作者:查攸吟  来源:观察者网

五天前(12月23日),第三代GPS系统的首星在卡纳维拉尔角发射升空,这是2016年最后一颗GPS-IIF卫星升空后,美国首次发射GPS系统的新型卫星。

回头看看咱们自己,2018年,我国一口气部署了17颗北斗第三代导航卫星,就在GPS III一号星升空后,中国宣布“北斗三号”基本系统开始提供全球服务。

都是“三代”,似乎美国的GPS IIIA星也没有什么大不了的。

美国空军对于使用“猎鹰9”火箭发射GPS卫星本来是毫无心理障碍,毕竟这种卫星是需要大量发射的……然而,也正是因为“猎鹰9”麻烦不断,发射延迟了大半年


GPS III卫星可以说是美国在导航定位领域进一步巩固地位,扩大优势,重夺技术制高点的关键所在

某种意义上说,这也确实没什么大不了的,因为这次发射的意义,对于美国而言,更多的是让GPS系统在技术水平上追平北斗和伽利略等后起之秀,所以说也可以视为“MAGA”的一部分,才会受到这么多的重视。

尽管发射计划因故推迟两次(原定于18日的发射计划,后来被两度延迟),但这不还是射上去了不是?

导航战

理解美方对于GPS Block IIIA的迫切心理,需要从美军二十余年来一直倡导的“导航战”(Navigation War,缩写为NAVWAR)概念谈起。

导航战概念始于1997年,正是第五次台海危机平息后的不久。危机高潮阶段,人民解放军曾两次(1995年7月21-28日、1996年3月8-25日)举行大规模演习。在此期间,人民解放军第二炮兵部队(现已更名为“人民解放军火箭军”),曾数度利用全球卫星定位系统的支持,展示了其通过无准备发射阵位快速发射短程导弹战术突袭特定目标的能力。

导航战的主导思想,可归纳为为3个以字母P为首字的单词:保护(Protection)、防止(Prevention)和保持(Preservation)。所谓保护,即保护美国和盟国对GPS的军事应用;而防止,要求实现防止敌方利用GPS系统;最后这个保持,是建立在前两个几乎上的,保持民用无线电导航的和平利用。

在第五次台海危机中,解放军二炮部队展示了其快速火力突袭实力,但也证明了其高度依赖GPS系统支持的问题,决定了该战术在面对美方干涉时的脆弱性。而站在美军的角度,自然也很容易就得出“控制GPS就掌控了局势”这一结论。而相比之下,俄罗斯拥有苏联时代就开始规划建设的“格洛纳斯”系统,那么美国当时这个“3P”究竟剑指何人,不言自明。

中国从东风-15A导弹开始使用卫星校正惯性制导系统技术,大幅度提高了精度,降低了反应时间,但在当时中国只能依靠GPS和格洛纳斯,而这其中俄罗斯的格洛纳斯因为多年没有补充卫星发射,相当不靠谱……

随着导航战的提出,对GPS系统的保护乃至于灵活运用,逐渐成为了美国进行世界干涉的主要手段之一。1999年5月,印度和巴基斯坦围绕克什米尔的卡吉尔地区冲突期间,美方就曾关闭过该地区的GPS服务。而在自2010年延续至今的叙利亚战争中,美方同样多次故技重施。虽然当时已接近部署完成的GPS BlockⅡ系统,在设计上没有考虑关闭特定区域服务的问题,但系统控制方仍旧能通过复杂的后台操作实现关闭特定区域信号的操作。

(编者注:由于GPS信号分军码和民码两个部分,因此美国的“对手”实际上一般是用民码来“借用”GPS信号的,因此也有一部分专家认为,美国目前主要通过对特定区域的信号进行干扰来降低导航精度,甚至让民用接收机无法工作——究竟美国能否直接通过卫星“关闭”特定区域的GPS II信号服务,目前尚有争论。)

而随着导航战概念的提出,操纵GPS信号逐渐发展成为日后美国干涉世界事务的基本伎俩之一。

尽管印巴当时都没有装备GPS引导的武器,但是炮兵、空军都已经广泛使用GPS来辅助进行导航定位,GPS信号精度的大幅度乃至消失下降导致双方的作战能力都不同程度受到影响,再加上克什米尔的高原气候影响,常规非制导弹药的弹道都变得难以预测,印度空军对巴基斯坦的空中打击效率大降,最后靠激光制导炸弹才成功端掉巴基斯坦若干碉堡

尽管这种不分对象(实际上也无法区分对象)拒绝特定地区GPS服务的方式,将会对飞经该地区以及周边毫无准备的民用航空器、船舶等构成严重威胁,但在国家利益需要这个前提下,美军显然乐于实施这种无需要己方派遣一兵一卒,但又能深刻影响地区局势的“软”手段。

那么,在GPS II系统上没有考虑的设计,在GPS III上是否就可以从设计之初就考虑呢?

据一些报道指出,美国近年来频繁在本国进行大范围GPS干扰试验。但是其中一些“干扰”的范围实在是过于广大,以至于很难用通常理解的“干扰”来解释——维持那样巨大的干扰范围,可能需要一个中型火力发电站专门为干扰机供电。这是否就是在进行我们前面提到的,关闭特定区域GPS服务的相关技术,就很值得玩味了。基于此,一个合理的推断是,GPS III卫星设计上就会有这方面的考虑。

当然,如果将导航战理解为广义上的对导航卫星信号进行干扰和操纵,来实现战术目的的手段,GPS II系统也确实有缺陷。

美国和北约对于在冲突中防止对方利用GPS信号的态度非常明确

2011年12月4日,伊朗方面就曾利用干扰和虚假信号等手段,俘获了一架美制RQ-170“哨兵”隐身无人侦察机。据信,伊朗军方通过伪造GPS信号,或者压制GPS信号的方法,欺骗了无人机的导航系统,使其错误判断自身位于安全的“己方空域”而自投罗网。

据此后陆续公开的报道称,伊朗方面能获得如此斩获,主要归功于从俄罗斯进口的“汽车场”主动干扰系统。也正因为此,之后的日子里,美国乃至北约方面但凡有风吹草动导航失灵,必指责“俄国干扰”。最近挪威就在其护卫舰撞油轮沉没后,指责俄罗斯对GPS信号的干扰是事故根源。

GPS Block IIIA新在何处

美国对其新一代GPS系统的主要希望,可以归纳为如下三点:

1.基于“导航战”的需要,新的卫星必须有更高的发射功率以实现更强的抗干扰能力,据称GPSIII的军民码地面信号强度均有着数倍的增强。此外为了满足国家战略需要,新系统的可控性必须更强,可以选择性地关闭特定区域的导航信号(二代星也可能具有该功能,但实现过程非常繁琐,而三代星从设计之初应该就有相应考虑。;

GPS iii卫星所使用的军码和民码信号功率比此前将翻倍的增长

2.具备双向数据传输能力,组网后配合新的双向客户端可以利用GPS卫星进行短数据包传输;

(编者注:按美国公开资料说法,GPS IIIA卫星具备双天线系统,其中一个天线向其希望提高导航精度和抗干扰性的区域——直径约数百公里——发射指向性波束,在这一地区的军码接收机上,将显示出两枚处于同一位置的GPS导航卫星,从而大幅度提高抗干扰性,并进一步提高定位精度,这种工作模式仅供军码使用)

3.新一代GPS卫星将被纳入国际民用卫星定位体系,用户采用新一代标准设计的用户端接收机,即可获得其他类似系统的支持,例如如欧洲的“伽利略”系统等,进一步提高定位精度(极限情况下可高至水平1米、高程1米级别);

GPSIII卫星研制阶段提出的若干方向

当然,在上述三点有一个不可脱离的大前提——低成本。即可不对现有体系进行大的改变,以避免费用超支。

关于GPS III卫星的三种新民码和一种新军码标准的相关介绍,已经有不少文章提及,在这里不做赘述。但简而言之,GPS Block IIIA卫星能发出更强且更难被干扰的信号。

这样的新功能可以避免RQ-170的尴尬,或者更糟糕的情况出现。据洛克希德·马丁公司称,其扛干扰能力较GPS BlockⅡF提高了8倍。

同时,由GPS Block IIIA卫星构成的系统很可能有专门“关闭功能”,使控制方能任意设定卫星在通过某些轨道区域时不发出包含自身坐标位置的授时信号,拒绝该区域的定位服务。

如果说增强信号强度、提供专设的关闭服务功能界面这些,只是二代GPS卫星功能的增强,那么本次在GPS Block IIIA上出现的数据上行能力,则堪称一项重大变革——然而却不是创新。

在此之前,无论是GPS的一代还是二代星,均为只具备信号发射功能。一旦第三代GPS卫星完成组网,用户可通过新的双向客户端,通过导航卫星实现短数据的交互。尽管没有证据证明,该功能是美军参考了“北斗”之后才专门添加的,但这确实是美军在GPS III卫星研制过程中就已经明确提出的设计要求。

该系统要求GPS III系统具备进行高速上行\下行和并行通信机制,以实现“接通一颗星=接通全部星”的能力,这实际上和“北斗”的短报文功能功能概念相近。

中国空军在上世纪90年代采购了一批LS-6系列卫星制导炸弹,但数量很少,因为其使用GPS\格洛纳斯信号,在未来冲突环境下无法保证制导信号

有消息指出,从2019年开始,中国空军将铺开装备新一代制导弹药,这些弹药大多使用北斗卫星信号

当然,具备双向数据通讯能力并不等于只能发送短信,北斗的短报文功能也从不仅局限于发送短信。这种用户-卫星间通信主要是一种提高军用定位系统精度和抗干扰性的技术,不过在一些用户手中,这种功能也有新的用途。

例如,此前就有资料提到,解放军现役某型导弹的侦察弹头,就通过北斗卫星的信道回传图像信号,以快速回传侦察结果,供指挥部判读导弹突击的效果。

这也说明,尽管军方并不缺少数据传输途径,但谁也不会介意能够多一个数据转发和传递手段。所以,相信该功能美军同样会善加利用。

新的起跑线

相当一段时间以来,在轨提供服务的卫星导航系统,一只手即可数遍:

目前覆盖全球的卫星定位系统包括美国的“全球卫星定位系统”(GPS)、俄罗斯的 “格洛纳斯”(俄语的“全球卫星导航系统”的音译,缩写GLONASS),以及刚刚投入使用的“北斗三号”系统。

而地区性的有中国部署的“北斗二号”、日本的“准天顶卫星系统”,以及印度的“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)。

在这里,笔者想欧洲的“伽利略”系统拉出来单独说。

因为在相当长的时间内,该系统除了少数试验星在轨外,想要实际部署还面临无数的扯皮和甩锅。

“北斗”和“伽利略”之间的故事众所周知,这里不需要再复述一遍。总之,在中国退出合作后,北斗系统突飞猛进的刺激下,欧洲方面表现出了较为激烈的反应—— “伽利略”系统各合作方之间的互撕被迅速平息,各方开始踏踏实实推进卫星的部署工作。

截止2018年8月初,伽利略系统已部署26颗在轨卫星,距离计划中的30颗卫星目标已相差无几,具备了向全球范围提供定位服务的能力。可以说对于欧洲来说这也是个了不起的成就了。

相较之下,美方的GPS Block IIIA似乎流年不利,从最初计划的2012-2013年开始发射部署一直推迟了整整5年。

不过,我们固然应当看到和肯定“北斗”的成绩,但我们同样更应该了解问题:现阶段,北斗系统较之第三代GPS,还存在一定的差距。

北斗三号系统并不是中国卫星导航技术的终点,它依然只是一个开端

按照部署计划,2020年以后全部35颗北斗三代卫星(27颗中地球轨道卫星、5颗同步轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星)入轨以后,北斗系统将实现全球范围内的高低和水平范围2.5至5米精度定位(民用为±10米级别),测速精度实现±0.2米/秒级,授时精度将达到20纳秒级别,作为其特色的短报文长度也大为增加。

“北斗”的导航精度数据能够基本满足军用需要,但在民用领域,较之第三代GPS仍存相当的差距,而这也是为什么GPS目前仍是各种导航设备首选的原因——毕竟5-10米的位置漂移,将使得地面系统难以准确判定用户当前行驶在哪根车道内。

想要在设备供应商那边抢走GPS的饭碗,需要系统的的支持。北斗地基增强系统(CORS),是由国家北斗办主导建设的北斗卫星导航系统重要的地面基础设施,通过系统遍布全国的基准站实时接收目前在轨的多种导航卫星的信号,通过专网传至国家北斗数据处理中心,由部署在数据中心的千寻平台软件解算并实时播发差分数据,用户可根据需要获取实时亚米级、厘米级、甚至是毫米级精度的位置服务。

目前,该系统正在全国范围内加速部署。而随着该系统的大量启用,“北斗”的定位精度将可与GPS相媲美,真正实现在交通路况这一最大的商业领域内与之竞争的能力。

从我们前面的几项比较,我们可以看出,单纯说技术水平,“北斗三号”在精度上比GPS III还有一定差距,可能对民用领域有较大的影响——但是,由于现代社会高度依赖导航定位系统,所以作为一个独立的世界大国,如果不能掌握完整的,安全的导航定位系统,那是非常危险的,尤其是GPS III很可能具备方便实现定向关闭功能的情况下——等于美国捏住了任何依赖GPS 系统国家的重要命脉。

所以,GPS III系统,好是好,但那毕竟不是自家的。况且,北斗系统并非没有提高精度的解决方案,未来在商业领域,两边的还是能竞争的。当然,美国GPS系统因为运行多年,在商业方面自然更掌握先机,肯定会采用很多方法对北斗进行打压,这也是未来我们不得不多加小心的事情。

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