几十年来,美国在卫星导航技术方面一直处于领先地位。美国全球定位系统(GPS)最初被设计为军事工具,用于导弹制导和无人机操作等。
但科技也成为平民生活中不可或缺的一部分,其用例远远超出了点对点导航的范围。GPS是唯一用于航空的星座,包括国际航班。
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全球有60亿用户使用GPS。GPS应用于日常生活的各个方面,包括电信、金融交易、农业,甚至乘车共享服务。
在过去的十多年里,已经产生了数万亿美元来自GPS的经济活动。2019年的一项研究估计,GPS服务的损失每天将对美国造成10亿美元的损失。
如果系统受到攻击,会给很多领域带来影响,包括物流和供应链、农业、交通系统和飞机系统。但美国并不是唯一开发卫星导航技术的超级大国。
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2020年,中国发射了完成自己的全球导航系统所需的最后一颗卫星。在过去的20年里,中国已经不再把卫星放在中国上空,到2020年在该地区安装卫星以提供全球覆盖。
这是一个非常快速的进步。美国于1978年开始发射自己的导航卫星系统,如今有四个不同的主要全球体系:俄罗斯的格洛纳斯系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗,以及最早的美国GPS。
今天的GPS星座由31颗卫星组成,绕地球运行的高度约为12,550英里。这些卫星与地面站网络协同工作,天线用于监视、控制和发送数据到星座。
配备GPS接收器的设备可追踪每颗卫星发射的无线电信号,根据这些信号到达所需的时间来确定用户的位置。设备可以看到的卫星越多,GPS定位就越准确。
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而中国北斗的建设并非一帆风顺。2007年4月14日,西昌卫星发射中心成功将北斗二号首颗试验星送入太空,4月17日顺利完成信号发射,成功抢下宝贵的国际电联频率资源。
可到2007年底,这颗在轨运行的卫星在经过某区域时,突然遭到复杂电磁环境干扰,信号被淹没,卫星跟地面之间间歇性失联。如果不解决这个问题,后面几十颗卫星都不敢发射。
就在这个危急关头,36岁的王飞雪站了出来,他是国防科技大学卫星导航定位技术工程研究中心的主任。团队采用了两套核心技术:一套是自适应调零天线,能自动识别干扰信号方向并形成"零点"滤掉干扰;另一套是动态干扰对消,生成反相信号把干扰抵消掉。
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整套优化方案前后推翻了三十余次,团队模拟了上千种极端干扰场景逐一测试。原定三个月的工期,他们只用了70天就完成研发,卫星抗干扰性能直接提升了1000倍。
时任北斗工程总设计师孙家栋院士称赞这支队伍是"李云龙式攻坚团队"。解决了抗干扰问题,后面的北斗卫星就可以放心发射了。
第一批北斗卫星于2000年发射,仅服务于中国大陆。目前,中国北斗星座由45颗运行卫星组成,其中30颗是最新一代的北斗三号卫星。
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与GPS一样,北斗卫星与全球约120个地面站组成的网络协同工作。据中国官方媒体报道,到2022年,北斗系统将服务超过11亿用户。
专家表示,这种广泛采用的原因之一是中国已经积极补贴地面基础设施并向GPS服务不完善的国家提供服务。发展中国家的部分地区,特别是非洲、亚洲的部分地区,有时是南美洲,那里不仅看不到美国的系统,因为美国星座比北斗系统小。
对于GPS来说,并不存在能够放大和提高信号精度的地面站,但对于北斗来说可能存在并且越来越多地存在。北斗最新卫星的一项功能,美国GPS机群中缺少,称为双向消息传递。
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简而言之,GPS信号是单向发出,双向消息传递意味着可以发回消息。目前,该功能主要在中国推出,允许用户在没有地面网络小区覆盖的地区发送短信。
中国政府大力宣传使用该技术作为搜救任务的工具。专家称中国北斗扩容远远超出了军事范畴。
就像GPS之于美国一样,北斗正在推动中国经济的大规模发展。
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北斗还帮助中国确保全球影响力。
中国已将许多其他形式的基础设施的出口与由北斗提供的定位、导航和授时数据挂钩。并将其与中国的5G产品相结合,通过"一带一路"和数字丝绸之路倡议提供补贴。
作为最古老的全球定位系统,GPS需要更新。政府一直在努力使其现代化,但卫星和地面基础设施的技术问题导致了延误。
目前组成GPS星座的31颗卫星中,迄今为止只有6颗是最新的称为GPS 3的一代。美国还没有将这些系统送入轨道,而中国已经做到了。
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