導航系統科學家徐穎：來自星星的燈塔

出品：中國科普博覽 SELF格致論道講壇

導語：曾經，北斗七星閃爍夜空，標示方向，引領著人類「身在何處 心向何方」的最初夢想；如今，北斗衛星導航系統經天緯地，星耀蒼穹，指點著華夏大地的「中國方向」。這是一個有使命、有責任、有擔當的國家重器，也是一個有開拓、有探索、有創新的科學理想。徐穎從事北斗相關研究工作十餘年，是中科院光電研究院建院以來最年輕的研究員和博士生導師。從古時指路的星星到閃耀全球的導航系統，從不分東西南北的小女生到研究精準導航的女科學家，我們一起來探尋北斗和她的成長之路。

前幾天我去一個同學家裡玩，他們家小姑娘來問我說，「阿姨，我怎麼才能讓我爸爸看不到我的手機位置信息呢？如果把我的手機卡取下來之後，我的手機還能夠定位嗎？」

在這裡，我可以明確地告訴大家，取下手機卡以後，手機依然能夠定位的。這是因為我們大家都知道我們手機當中定位採用的是衛星導航系統，與我們手機移動系統沒有關係的。

徐穎 中科院「SELF格致論道」講壇第六期

衛星導航系統，它是距離我們一群兩萬公里的星星，它們不會發光也不會發熱，甚至肉眼沒有辦法觀察到它們，為我們提供著位置服務。衛星導航系統簡稱為GNSS系統，在GNSS俱樂部中一共有4位VIP會員，除了大家所熟知的美國GPS系統以外，包括俄羅斯的GLONASS系統、歐盟的伽利略系統以及我們國家自主建設的北斗衛星導航定位系統。

北斗衛星導航定位系統，是我們國家自主建設的衛星導航定位系統，現在正處在建設和應用推廣的階段，由五顆靜止軌道衛星，和30顆非靜止軌道衛星組成，北斗衛星導航系統預計將在2020年左右提供一個全球性的服務。

在GNSS俱樂部中，會員小夥伴們最關心的是什麼？大家最關心的頻率資源問題。頻率資源是一種國際上公用的資源，頻率資源不是你想買，想買就能買的，所有頻率資源都要向國際電聯提出申請，由國際電聯進行劃分。就像我們高速公路車道一樣，每一個系統都有它自己的車道，不然的話大家會發生撞車的情況。

在衛星導航系統建設的初始階段頻率資源相對比較充沛，建設相對比較早的GPS系統和GLONASS系統不存在頻率資源的衝突問題。到了北斗系統和伽利略系統建立的時候，頻率爭奪戰就非常明顯了。當時伽利略系統其實提前申請了這個頻率資源，但是大家知道後來歐洲出現了經濟危機，所以伽利略系統資金鏈斷了，他們當時發射了這個衛星，佔領了這個軌位，但是並沒有發射這個頻率的信號。根據國際電聯「先到先得」的規定，哪一個國家能夠先把這顆衛星發射上去，並且這個衛星向下發射了這個頻率的信號，以後這個頻率資源就是你的了。

在這樣情況下， 2007年4月17號就是北斗所申報的頻率資源的最後期限，所以要求北斗試驗星必須提前發射，這在我國航天史上是非常罕見的。

通常衛星發射只有延遲，沒有提前，因為提前會帶來一系列的問題。但是經過各個部門的配合之後，為了爭奪這個頻率，在4月14號的時候，這一顆火箭已經成功在發射中心準備進行發射了。在4月14號的凌晨4點07分，現場又發現新的問題，火箭有一個連接器沒有按照規定脫落，如果三分鐘內不能解決這個問題的話，對火箭、衛星甚至發射場都會是滅頂之災。當時的發射指揮員在一分鐘之內下了7道指令，4點07發現的問題，4點11分的時候，火箭帶著我們北斗試驗星成功升空。4月14日發射了北斗試驗星，4月15號時候衛星實現變軌，4月16號衛星開始向下發送信號，在距離4月17號北斗申請的頻率資源失效前24個小時內，中國正式啟用了北斗申報的頻率資源，也就此拉開了北斗全球系統建設的帷幕。

在一個風雨交加，電閃雷鳴的夜晚大家喜歡做什麼事情？我自己比較喜歡看恐怖片，那樣比較有感覺。雷電和恐怖片更配哦，那麼雷電和什麼不般配呢？不錯，就是衛星發射。衛星發射的時候，火箭箭體中裝滿了燃料，一點點火花就能引起箭體的爆炸。1987年，美國大力神火箭就曾在大雨中發射，升上天空一分鐘後就在空中遭到雷擊，發生了爆炸。

所以，通常遇到雷電的時候，衛星發射是會推遲的，但是在2011年7月，北斗第9顆衛星發射時也是一個電閃雷鳴的天氣，它卻在等待著發射，為什麼明知山有虎偏向虎山行呢?

這是因為北斗系統不是一個單顆衛星，而是一個組網星座。對於組網星座而言，每一顆衛星都要有既定位置，北斗系統不僅要求把這顆衛星發射到哪一個軌道，還要求這一顆衛星在軌道中的既定位置，要滿足這樣的條件必須有發射窗口，而這一天就是一個不可多得的發射窗口，如果錯過這天的機會，有可能推遲四個月，甚至推遲一年才能夠迎來新的一個窗口。

徐穎 中科院「SELF格致論道」講壇第六期

北斗系統當時正在如火如荼建設過程當中，如果推遲發射的話，進程必然會延誤，帶來的經濟損失不可估量。當時的指揮系統決定冒雨發射，在兩次雷電的間隙，發了。非常幸運，北斗第9顆衛星升空了。在同年年底北斗開始試運行。現在，北斗系統已經發射了22顆衛星，已經能夠為中國以及我們周邊地區提供非常穩定的導航定位服務。

大家可能會問北斗系統已經發射這麼多顆衛星，北斗到底有什麼用呢?首先，業內有這樣一句名言：「衛星導航定位系統的應用只受想像力的限制」，毫不誇張的說，作為典型的國家重器，它就像我們水、電、還有公路一樣，是我們社會建設基礎的保障。歐盟曾經做過估算，衛星導航服務中斷2天就會給整個歐洲帶來超過10億歐元的損失。下面我們來看一下北斗應用的相關視頻。

這是北斗系統一些典型應用，這個是藏羚羊遷徙，北斗系統保護野生動物；大興安嶺發生火災，北斗系統能夠為營救人員提供方位和方向的服務；這是北斗系統用於精確打擊；這是北斗用于海洋漁業，在海洋上我們所用的通信定位手段都非常少，有了北斗衛星導航，能夠有效保障漁民的生命安全；這是北斗系統用於大型車輛定位和監控；這是北斗系統用於我們精準農業，在農業現代化當中我們可以用北斗系統非常精密的控制；這是北斗系統用於我們大型集裝箱航運和海運。

以上這些只是北斗系統應用非常基本的方面，在這裡，我想重點強調一下我們剛才看到的海洋漁業的應用。在這個應用中，北斗系統不僅提供了位置、導航和授時這樣的功能，而且還提供通信功能，漁民在海上能夠用北斗系統發簡訊，報平安。通信功能到底有什麼用呢，這裡我想引用一下美國GPS之父帕金森教授的一句名言，他曾經這樣盛讚北斗的導航通信一體化功能：「既能夠知道你在哪裡，也能夠知道我在哪裡,這是多麼美妙的體驗。」

那麼通信到底有什麼用呢？給大家舉一個簡單的例子，大家都看過《魯賓遜漂流記》吧，如果有一天一個人漂流到了孤島上，能怎麼辦呢？如果這個時候他選擇的是GPS，他只能知道自己在什麼位置，無法通知別人前來救援，所以他還是只能夠在荒島上求生。如果我們用的是北斗系統，情況完全不一樣了，我們既可以知道自己位置在哪裡，而且還能夠把我們位置發送到方圓幾十公里、幾百公里甚至千里之外的人。相信我，如果你選擇了北斗定位系統，你很快就可以在救援船上和你手持GPS的小夥伴說拜拜了

我們講了這麼多北斗系統非常好用，而且可用，為什麼現在好像在生活當中我們大家似乎很少用北斗，好像GPS多一點。GPS衛星導航定位系統比北斗系統早建設了大約20年，20年的歷史鴻溝不是我們一朝一夕技術能夠填補的，GPS系統的應用推廣都已經非常成熟，比如現在最便宜的GPS晶元可能大約兩美元左右，而北斗系統的晶元價格由於量產等原因可能仍然普遍在百元左右。用不起制約著北斗發展，但是用不起不是制約主要因素，不敢用、不想用，這才是制約北斗發展的重要原因。 北斗系統從誕生到現在，雖然已經通過多方面證明，精度和可靠性，完全不輸GPS導航系統，但是人們對北斗系統有著種種質疑。這是網上大概2011年左右傳得比較沸沸揚揚的新聞，當時媒體使用的標題是「清華女生破解北斗送給美國」，或者是「北鬥上百億的投資打水漂」等等，比較聳人聽聞。那麼北斗真的如此不堪一擊嗎？當然不是。事實上真正不可靠的是GPS系統。因為GPS系統只被我們開放了民碼，而且GPS民碼信號戰爭時候很容易說變就變，為了保障自主權，歐盟建設了伽利略系統。對我們來講也是如此，為了保障我們的可靠性，我們國家開始建設屬於我們自己的北斗系統。

我們回到清華女生破解北斗這個新聞上，實際上她只是破譯了北斗的民碼信號的偽碼序列。首先第一點，北斗建設過程當中，民碼的設計和GPS、伽利略都是一脈相承的，並沒有特殊設計。我國希望全世界人民都能使用北斗，不僅是中國的北斗，也是世界的北斗。她想破解這個沒有經過加密的民碼信號，首先是沒有技術難度的。從科學研究的角度來講就是一個信號檢測與估計的問題。事實上2012年的時候，我們國家已經公布了北斗的ICD文件，告訴了大家我們的民碼格式。

除了民碼之外，北斗還有軍碼，軍碼經過了加密等特殊設計等，這是穩定可靠的。如果想破解軍碼系統，我們可能建議一些更簡單的方式。那就是造時空穿越機穿越回到北斗軍碼設計的時候在旁邊偷聽好了。這個技術難度都比從技術上來破解北斗軍碼更容易一些。所以，大家要相信我們北斗系統非常好用，而且非常穩定的。

作為一個衛星導航的普通科研工作者，我們相信北斗這一艘巨輪在大家支持下，在我們的不懈努力下一定可以繼續乘風破浪走向世界，謝謝大家。

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