太空中 GPS 能定位嗎?世界強權為何搶著建置自己的系統?

作者 | 發布日期 2016 年 01 月 03 日 0:00 | 分類 中國觀察 , 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly

首先,GPS 是什麼?

GPS(Global Positioning System)全球定位系統始於 20 世紀 70 年代,由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供即時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,是美國獨霸全球戰略的重要組成。理論上,24 顆 GPS 衛星在離地面 2 萬公里的高空上,以約 12 小時的周期環繞地球運行,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 顆以上的衛星。




這樣根據三維空間定位原理,就足夠實現定位(4 顆衛星構建 4 個方程式解決 4 個未知數:三維座標和接收機鐘差資訊)。後來經過擴展,它的衛星數穩定在 32 顆左右,它們分布在 6 個平面上,軌道傾角為 55 度,達到最優設計。由於衛星的壽命長短不一,美國每年都會發射一些衛星更新這個系統。

雷鋒網配圖

▲ 來自美國官方

GPS 訊號包括兩種,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,你的手機和車載導航軟體裡,用的就是普通民用碼,所以你的精度是定到某條街上。

 

第二、GPS 定位在近地空間能幹什麼?

它的應用實在太廣泛了,因為它是一種無源定位系統。簡而言之的原理就是只要你有一個接收機,能接收到它的訊號(低於它的軌道高度,20,200 公里左右,GPS 訊號都是指向地球發射的),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 4 顆衛星資訊就可以定位。

所以它的應用可謂從天到地,大家關心的太空,在近地軌道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)衛星用 GPS 定位示意圖:

雷鋒網配圖

▲ 來自歐空局官網

近地軌道(軌道高度<1,000 公里)是應用最廣泛的太空領域,人類的地球觀測衛星(各種資源衛星、科學研究衛星比如重力、磁場、洋流、幾乎所有的間諜衛星)都處在這個高度範圍內。

大致的低軌衛星定位原理是什麼呢?

雷鋒網配圖

▲ 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星的軌道:

你要有一個超高檔的星載 GPS 接收機(沒有幾個國家搞得到),很多星象輔助儀器資料,加上對地球進行各種複雜動力學建模(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),加上工程實踐的各種演算法中補償措施,再加上工程實踐的經驗模型,最後可以算出低軌衛星的軌道,然後打個雷射檢驗一下,就知道自己算的精度啦。

這是 GPS 在太空的絕大多數應用,換句話說,GPS 的應用在於幫助低軌衛星確定自己的精確位置,但這個精度要求遠遠高於普通導航儀和手機的精度而已。

 

第三、這個應用的精度有多高?

目前的科研進展是,給單個衛星定軌道的精度是即時 30 公分(cm) / 事後定位 2 公分左右,這是個什麼概念呢?低軌衛星的飛行速度在 7000m/s 以上,地面上聲速的 20 倍以上,世界最快飛行子彈(狙擊步槍)速度的 7 倍以上,2 公分的精度是不是很震撼?而且是連續定位,每時每刻都能有很精確的軌道,要知道這些低軌衛星離 GPS 可是 2 萬公里以上的!

遠不只如此,對於編隊飛行的衛星,可以形成獨特的雙差基線,GPS 輔助編隊衛星的定位精度會大大提高,達到 0.5 公分級別(用星上單向的高頻精度為微米級的雷達檢驗),這個世界紀錄目前就是我們組保持的。這是個什麼概念,如果讓兩隻蚊子跳一個華爾滋,一隻蚊子在荷蘭首都阿姆斯特丹,另一隻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做出的結果(來自我的科研課題)。

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▲ 來自本人科研課題

這些精度能滿足什麼呢?所有類型低軌衛星的精密軌道確定,軌道轉移機動,空間交會對接,人類所有的載人航太任務都可以用到,而且 GPS 帶來的精度提高是質變。

另外,當有了高精度的位置,如果你有多天線,可以構成天線陣精確測出角度。如果你有了高精度速度(可以透過 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餘備份甚至取代。但是很不幸,這些所有的應用必須基於軍碼,民碼根本不可能!

 

第四、軌道精確的意義是什麼?

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並應用它們的資料,否則同樣一組資料,你弄不清楚測的到底是北京的還是天津的,還有什麼意義?GPS 的出現,極大提高了人類的低軌衛星定軌精度,直接往公分級別衝。

科學應用,舉一個最簡單的例子,GPS 定位的重力衛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。而重力場能幹什麼,不僅能用於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,其中一部份重要資料就來自上面的星載 GPS 接收機。

軍事戰略應用,美國這麼多間諜衛星,動輒拿出嚇死人的地面解析度,能看清車牌、一根香菸。試問一句,離了上面精確的軌道可能做到嗎?另外,高精度的區域重力場也能給巡航 / 戰略導彈提供人工無法改變的絕對重力資訊,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?

軍事戰術應用,要知道那是給低軌衛星用,就已經達到了公分級精度,如果給導彈、戰車、單兵、飛機全部都裝上會有什麼效果?

事實上,目前美國基本所有的武器,凡是有導航要求(需要知道自己位置)的,全部都裝了 GPS。那些誇張精度、戰鬥力驚人的導彈和炸彈,都有 GPS 在給出它們位置幫助制導校正,保駕護航。看這個 MK-82 雷射 / GPS 制導炸彈,GPS 天線穩當的在上面。

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▲ 來自美國空軍官網

第五、既然 GPS 是無源定位,理論容量無限,為什麼中國還自建北斗系統?

這是一個很大很大的棋。

想一想,中國有多少民用車載導航、手機個人導航、航海導航乃至無數制導武器,都用了 GPS?但細思極恐,有以下幾個理由,中國當然需要無條件搞出自己的系統!

1. 美國不會給你接收機的。因為 GPS 是美國軍方搞得也是軍方控制的,所有的核心晶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,我們可以用沒有問題;軍用的,包括低軌衛星上用的,再見,呵呵!即便是歐洲,上面提到的歐空局衛星上用的 GPS 接收機,基本都來自美國太空總署的噴氣推進實驗室,絕對壟斷。

2. 控制方是大爺。

GPS 在建成後放開民用市場時有一個 selective availability 政策,什麼意思呢?他們人工給所有的民用碼加了巨大的雜訊,導致你定位不準。後來俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)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。然後格洛納斯就沒有希望了。

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▲ 來自美國史丹佛大學 GPS 應用實驗室

看到早上 6 點發生什麼了嗎?

同樣的道理,對美國而言,哪天心情不好了,除了美國的軍用接收機,能輕輕鬆鬆讓全世界的所有民用和非正當管道搞來的所謂「軍用接收機」全瞎!所以你如果用了 GPS 在你們的武器裡做為導航(比如像大家的車一樣裝 GPS 導航儀),其他各國基本上就不用玩了。

3. 如果只是失效還就算了,還有一個可怕的——釋放干擾訊號。

反正 GPS 訊號都是美方的工程師做的,一旦有應用,我釋放一個假的訊號源,一模一樣的訊號結構,只是不同的資訊內容但強度大很多。那你所有的武器、衛星接收到的都是假的位置資訊,發生什麼,你自己發的導彈走成什麼漂亮的飄移弧線,你能預測嗎?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

所以全世界在用了 GPS 這麼爽之後,各國政府想一想都被美國牢牢控制不禁一身冷汗啊,然後都掀起了搞自己導航系統的熱潮──

蘇聯 / 俄羅斯的格洛納斯原本能和美國抗衡,後來蘇聯解體就沒有經費了,去年俄羅斯又接二連三的發射失敗,這個系統已經殘疾了;

歐洲的伽利略,我們都無語了,原來要當北斗的參考指標,現在毫無進展,都要找中國參考了;

法國做了自己的多普勒系統,但特別有侷限性,除了他們自己用幾乎沒人用了;

日本和印度也在發揮特長,建立地域性的類似 GPS 系統,但沒接上美國的 GPS 基本上也是癈了。

目前真的只有中國的北斗跟美國 GPS 有得一拚了,多方面的技術上一點都不落後。北斗的技術實力有一定的水準,接下來的定位系統可能就剩中國的斗系統與美國的 GPS 兩大系統的拚奪了。

註:本文作者毛新願,荷蘭台夫特理工大學航太工程專業博士,主攻低軌衛星定軌,北斗 / GPS。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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