张又普：中国的北斗与美国的GPS
2020 年 7 月 31 日，中国自主研发的北斗 3 号 (BDS-3) 完工，很多人热血沸腾、奔走相告，认为由此可以证明中国的技术领先全世界，“甩了美国几条街”，真乃是“厉害了我的国”。我与这些人交谈时，发现他们其实并不知道北斗系统的发展过程，更不知道北斗 2 号与北斗 3 号之间的差异，仅仅是一味地欢呼雀跃，没有具体内容，让人觉得有点盲目、空洞。于是我就打算写这篇文章，简单科普一下北斗卫星的发展状况及其现状，用事实和数字给这些人以些许帮助，这便是本文的希望。
按时间顺序，当然应该先介绍一下美国的 GPS，以便有个作比较的基础。飞机和轮船在航行中动态地知道自己在地球上的位置，其军事意义是不言而喻的。英国人从 1944 年就开始了动态定位系统的早期研发，1960 年代初，美国军方开始了全球卫星定位系统 (GPS) 的研究，从 1970 年代开始建造，1980 年代后期初步完善，到 1993 年，24 颗低空卫星的最后一颗部署完毕，军用系统的 GPS 第 1 期工程完工，它的空间误差精确到了 1 厘米。1995 年，在添加了可控制的特种噪声信号后，将误差精度扩大为 100 米，免费向民用开放，这已足够民航客机使用了。后来随着汽车导航系统的普及，这个误差又被减小到 10 至 15 米。如果商业用户想要让误差再小一些，那就不是免费的了，需要向美国国防部申请许可证，购买特种接收器，付费使用，并必须接受国防部的监控。误差越小，费用越贵，受到的监控也越严格，商用 GPS 接收器的最小误差为 2 厘米。我自己实际使用过的商用 GPS 接收器的误差是 10 厘米。那时我的老板曾对我说，误差为 2 厘米的许可证，价钱太贵，公司买不起。经过三十多年的商业运作，GPS 已经深入到民间的每一个角落，全世界所有的手机和各种类型的导航器中，全都有 GPS 的身影，许多半导体芯片中都有一小块面积用于 GPS 的接收器。对于 21 世纪 20 年代的人来说，GPS 导航几乎成了人手一部的普通家用电器产品，不能算是“高科技”了。来自全世界的商业收入足以满足 GPS 自身的维护与发展并绰绰有余，这使得 GPS 能够长期健康成长，并为美国增添了许多军费。可以说，GPS 是英美两国科学家半个多世纪的科学技术与经验的结晶，并且经历过多次实战检验，日臻成熟、可靠，是 1980 年代的最先进的科学技术之一。
中国不是美国的军事盟国，不能使用军事水平的 GPS。中国政府认为，重要的军事技术应该独立自主，不能受制于他人。从 1994 年开始，中国决定研发自己专用的卫星导航系统，取名为“北斗”。中国自己的北斗应该向哪个方向建设和发展呢？当时出现了两种不同的意见。第一种意见是：应该向美国学习，建设出一套与 GPS 一样的导航系统，借用美国成熟的技术和经验，可以少走弯路。第二种意见是：跟在别人的屁股后面走，永远都是二流水平，因此，应该弯道超车，后来者居上，建设出不同于美国、并且强于美国的卫星导航系统。一番争论之后，后者获胜，这就是后来人们见到的北斗 1 号和北斗 2 号。2000 年北斗 1 号完工，这仅仅是一个实验性质的系统，一共只有两颗同步静止卫星，位于赤道上空 35,786 公里处，用来测试一下卫星之间的通讯和卫星与地面之间的通讯。在北斗 1 号成功的基础上，2004 年北斗 2 号开工，并于 2012 年完工，达到了设计要求，再次获得成功。北斗 2 号是中国自己研发的第一个有实用意义的卫星导航系统，共有 14 颗卫星，9 颗高空同步卫星，5 颗中低空辅助卫星。
北斗 2 号与 GPS 相比，各有哪些优缺点呢？GPS 有 24 至 31 颗低空卫星，北斗 2 号只有 14 颗，卫星少，建设成本低。GPS 的定位精度是 1 厘米，北斗 2 号的定位精度是 10 米。GPS 的定位属于“被动定位”，是一种单向通讯，客户的接受器只接受来自 GPS 的卫星信号，自己不发射信号，只要能同时收到 4 颗卫星的信号，就可以定位，功耗小，结构简单。北斗 2 号的定位则属于“主动定位”，客户的接受器必须首先向高空的同步卫星发射信号，请求告知自己的位置，同步卫星很高，鸟瞰半个地球，可以清楚地看到申请者之所在，然后告知其具体位置。除此之外，还可以把申请者的位置通知其上级和其他相关战友，具有一些卫星电话、短信的功能。当然，从地面向高空卫星发送信号，功耗大，体积大，设备复杂。北斗 2 号的设计者认为，这种主动定位功能是双向通讯，要远强于 GPS 的单向通讯，技术上比美国的 GPS 强出许多，这是最为引以为自豪的设计和成就，是碾压美国 GPS 的最大技术特征。因此，综合比较，北斗 2 号甩出美国的 GPS 好几条街。
2012 年北斗 2 号完工后，交付给唯一的用户，即中国军队投入试用。经过一系列军事演习等实战检验后，中国军方指出了北斗 2 号的一个致命的缺陷：当客户的接受器发出请求信号后，不仅高空的同步卫星可以接收到这些信号，附近的电子侦察机和位于低空的众多的间谍卫星也全都能收到，并立刻就能判断出发出信号者的位置。当高空静止卫星发出的位置信息返回地面时，敌方的导弹可能已经快要到达自己的头顶了。也就是说，北斗 2 号的这个最为重要的基本设计，伤害了军队的保密性，在获得定位的同时，暴露了自己的位置，因此不具有任何军事意义，无法在战场上使用。在这种严峻而又无情的事实面前，花费了 20 年的时间才开发出来的北斗 2 号被迫报废弃置。中国的卫星导航系统绕了个大圆圈，又返回到出发点。无奈之下，从零开始，重新设计自己的新的卫星导航系统。这次不再搞什么弯道超车了，而是完全模仿美国的 GPS，采用被动定位，单向通讯，这就是后来人们见到的北斗 3 号。北斗 3 号于 2020 年 7 月 31 日完工，类似于 GPS，最终由 30 颗低空卫星组成，这才是中国的第一个具有军事意义的卫星导航系统。
目前，北斗 3 号的定位精度是 2.5 至 5 米，强于北斗 2 号的 10 米，这个误差对于汽车、飞机、轮船的导航来说，足够用了，但对于导弹制导来说，还是不够的。1990 年代初期，GPS 的定位精度就已经达到了 1 厘米 (0.01 米)，从那时开始，美军就开始了 GPS 制导导弹的研究。美军曾做过一个试验，发射一枚 GPS 制导导弹，准确地命中了一栋废弃楼房的烟囱口，然后，导弹顺着烟囱落入地下室，然后再爆炸。如果误差高达 2.5 米，导弹就只能落在周边某处爆炸，效果就会大不相同。目前，北斗 3 号仍然在不断地改进提高中，随着科学技术的进步和工艺加工的改进，它的误差一定会不断缩小，其定位精度有望能够达到 1 厘米的水平。不过到了那个时候，奉劝本文开首提到的那些人们，还是要稍安勿躁，保持冷静，脚踏实地，稳步前行才好，因为，美国的卫星定位系统研究也还在快速发展之中，并没有停步。
(张又普初稿于 2024 年 7 月 25 日)
2025 年 1 月 1 日上传