小学僧: 太空外挂–北斗导航 |2020-11-30

2020年11月30日13:06:29 发表评论
卫星是个好东西,可以让我们一窥家乡全貌。

在卫星之前,如何定位?

 

首先,得有一只精准的钟表,然后用指南针找着东南西北,接着利用太阳的影子(日晷)计算出维度和当地时间,再比对钟表时间,计算出经度。

        

到了晚上没太阳咋办?测量天上特定几颗星星的方位,大致也能计算自己的经纬度。

        

既没太阳又没星星的阴雨天咋办?得了,这是天要亡你,这会找科学家不如找算命先生管用!

        

其实光看这些定位原理,就能猜到精度有多粗糙了,可即便是这些连猜带蒙的糙技术,探索过程也极尽曲折,以至于当年连牛顿都认为利用钟表在海上定位是不可能的。感兴趣的同学可以搜一搜“经度之战”,保准你大跌眼镜。

导航与精确打击

        

如果定个位如此繁琐,那导弹和咸鱼有什么区别?除了核武器,即便是常规武器之最的“炸弹之父”,爆炸半径也就两三百米,普通武器大多只有几十米,所以为了保证打击效果,只能采用火力覆盖。这词听着霸气,但实际上非常败家,看二战时,美帝如何炸东京:

 

        

你数数,为了炸几十个目标,扔了多少炸弹?后来美帝发扬勤俭节约精神,在海湾战争中向全世界的土鳖们演示了教科书般的GPS精确打击,指出了现代战争的发展方向。

        

若是每件武器都能自己找到目标,那打仗就等于开了外挂啊!尤其是远程打击,再也不用派飞机去开雷达引导,只管在后方使劲扔。再往远了看,导航和无人机的结合,可能会改变未来的常规战争形态,这茬内容多,先不说。

 

中国彩虹无人机挂载的卫星制导炸弹

伽利略与北斗

        

所以,当众人看着美帝的GPS在天上转悠时,心里别提有多馋了!这种宝贝,谁见了都眼红啊!人家欧萌堂堂贵族出身,论辈分还是美帝长辈,心底里是不服气的,于是也想折腾自家的全球卫星定位系统,取名“伽利略计划”。
        
打个岔。16世纪葡萄牙西班牙两个莞尔小国就能瓜分世界的时代一去不返,这年头想稍微折腾个动静大点的,都要有足够的体量做支撑。于是,裂成一地的欧洲处境越来越尴尬,虽然欧洲历史上出过无数猛人,但始终未能完成统一大业,个中原因不探究了。后来七拼八凑整出个欧萌,经济一体化差强人意,但政治一体化遥遥无期,于是退而求其次,就经常以项目合作的形式开展多国合作。“伽利略计划”便是其中之一。
        
尽管美帝一再表示,欧萌可以和自己人一样使用GPS,但欧萌最终还是决心建设“伽利略系统”。美帝那叫一个恼羞成怒,各种打压,写信给欧洲15国的防长,明确要求小弟们不要瞎参合,甚至有一次开会吵急眼了,美代表直接叫嚣要击落伽利略卫星。
        
欧萌为了反抗美帝的打压,积极拉兔子入伙。美帝对兔子的军事技术封锁可谓丧心病狂,而欧萌相对通融一些。兔子历来只有被孤立的份,哪有享受过这等待遇,瞬间感觉世界充满爱,乐呵呵交了2.7亿美元的入伙费,还成立“中国伽利略卫星导航有限公司”表示诚意,公司主页还在这:

  

欧洲人做事历来有相互扯皮的传统,兔子这么上进的青年如何闲的住,一天到晚刨东西。欧萌叫兔子入伙也就为了恶心一下美帝,结果真被兔子刨了不少好东西,据说在“地面差分定位”上捞到不少干货。

  

中国明着暗着被列强削了上百年,兔子现在一副红着眼拼命刨回来的架势,谁看了都怕啊!于是,2007年欧萌说为了安全问题,你兔子就别参加重大决策了。这尼玛谁能忍?一开始是你叫我来参加,交了钱又把我甩了!这明摆着羞辱人啊!有没有点契约精神!兔子一气之下,不再指望外人,削尖脑袋搞北斗。

  

当时,比利时航天机构主席说:“真令人难以置信!中国人确定主次,做出决策,没有争论,没有谈判,这与欧洲不同,欧盟做什么事之前,必须统一27种不同意见。”这话多少能体会到一些欧洲人的酸味。
  

伽利略计划原计划2008年开始商业运作,现在么,预算超了3倍不说,2005年升了颗实验卫星占茅坑,真正首批两颗卫星2011年才升空。2014年搭载俄罗斯联盟号火箭发射第三批2枚卫星,因上节火箭喷灌发生燃料冻结导致未能入轨。后因资金等多种原因不断搁置,2015年再度重启,2020年之前肯定是指望不上了。要全球导航,没几十颗卫星上天就别想了。

  

欧洲人干的这破事,让伽利略知道可以气活过来了。当然这中间肯定少不了两大流氓的黑手。

        回头看看扫地出门的兔子:

 

2010年中国的北斗导航系统频段正式采用与欧洲“伽利略”一样的PRS频段。最好的频段被美帝用了,次好的被老毛子抢了,剩下的兔子自然不会客气。(好的频段更利于穿透大气层,信号衰减的少)
  
这频段可不是收音机,转转旋钮就可以调整的,欧萌打扮了半天新娘子,结果直接被兔子洞房了。老牌帝国的颜面没地儿搁啊,于是立马跳脚了。但是本着“谁抢了归谁”原则(这是国际公认原则),兔子并无法律责任让出频段,于是欧萌磨了8年嘴皮子,来中国开会基本没啥技术议题,都是讨要频段,一直磨到2015年才勉强达成共识。
  
美国《InsideGNSS》杂志专门为这个事情写过一篇文章,颇具玩味心态:《欧洲为出卖中国付出了代价!中国重创伽利略计划》

卫星定位与相对论

        

卫星定位的原理极为简单:通过自己与卫星的距离来计算自己的位置。距离的测量方法就是:信号速度×接受信号的时间,所以时间测量的精度就代表了卫星的定位精度。比如,如果定位精度要达到1米,时间测量精度必须达到4纳秒。
        
好了,终于轮到相对论登场了,相对论“时间膨胀效应”为数不多的应用,就是用来校准卫星上的原子钟。GPS卫星以4km/s的速度飞行,根据狭义相对论,每天的时间会慢上:(4×4)/2(c×c)×60×60×24=7.68微秒
卫星距地面20000km,引力比地面小的多,根据广义相对论(卫星与地面引力势之差)/(光速的平方),每天的时间会快上:
[(GM/6371km)-(GM/26371km)]/c/c=45.58微秒
  
每天一加一减要快上38微秒,对应的距离大约是10公里。也就是说,如果卫星不校准,每天会增加10km的定位误差,因此,GPS地面控制中心每隔1.5秒校准一次原子钟。
        
当然,这种误差校准找个小学僧拿笔算算就能摆平,不稀罕。而整个系统处理信号产生的时间误差和原子钟精度,考验的才是硬功夫。

北斗的核心技术

如果把“原子钟”比作北斗的心脏,那么“通信链路”就是北斗的血管。在这种半导体领域,想把美帝摁着打,几乎不可能。正好相反,事关国家安危的半导体,是兔子和美帝差距最大的领域之一,这也是北斗升空之初饱受诟病的原因。后来随着北斗芯片和原子钟的不断突破,到了最近两年的北斗三号才逐渐缓过劲来。
        
常见的原子钟有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟,其中,铷钟便宜但精度低,铯钟精度高但寿命短,氢钟中短期性能较出色。总的来说,铯钟是原子钟中的战斗机,甚至连国际单位“秒”的定义都是按铯原子定的,不幸的是,铯钟的技术难度也最高。
        
目前只有美帝的GPS用了铯钟加铷钟,欧萌和毛子都是铷钟加氢钟,而北斗一直只有铷钟。后来航天科工二院203所终于把氢原子钟搞定,北斗三号立马用氢钟取代了原先的铷钟,精度直接飙升一个数量级。在原子钟这个领域,虽然美帝依然一骑绝尘,但兔子至少把欧萌摁到下面了。

顺便提一下,三哥一直以大流氓标准严格要求自己,所以最近也凑热闹发射了导航卫星。凭着良好的人缘,阿三的科技公关基本靠“买”解决,这回买的是欧萌的瑞士货,于是,6颗卫星也挂了4颗。

中国第一台铷原子钟

最新的天宫二号的原子钟

原子被困在激光光阱柱里

        北斗的芯片和板卡也基本实现了自主生产。早先的北斗二号确实有些寒碜,最近升空的北斗三号,在硬件上算是熬出头了,可以满足亚米级的定位要求,并正式开始全球组网,所以还得过些时间才能逐渐发挥出优势。

与众不同的北斗

虽然北斗的硬件被GPS甩了一条街,但设计理念却把GPS甩了两条街,到头来,不见得谁比谁差。

        

打个比方,GPS就是个大广播,持续向地球播送“时间”和“位置”两个信息,地面接收器就根据这个信号计算自己的坐标。

        

于是就有问题了,信号从天上到地面是单向传输,就好像你蒙着眼睛站在楼上喊,不知道底下是谁在听、多少人在听、在哪里听、听的人是死是活,你能做的其实很有限,无非就是朝哪边喊,声音重点还是轻点,要不要加些暗语。

        

相比于GPS的“广播式”,北斗相当于“对讲机式”,其最大的原创在于信号的双向传输。这不仅仅是发个求救短信那么简单,双向信号意味着北斗可以实时监控接收机的位置,未来如果要进行无人机编队飞行啦,装甲战车的协调指挥啦……好了,点到为止。

       

除此之外,北斗也比GPS更聪明些,星间链路技术据说相当可以,各卫星之间可以相互通信相互测距,并自动保持队形,只要有一颗连着地面,就等于所有卫星都连着地面。

        

北斗除了天上的卫星,在地面建了很多地面增强基站(相当于基准点),定位精度可以精确到1厘米,哪个手指涂了指甲油都可以分辨!这在应用上多了很多想象空间,比如监测地面沉降、汽车无人驾驶等。南京已经投入运营,6个基站就可覆盖全市,以兔子的德性,不把全国建满基站是不会罢休的,哦,应该是不把全球建满是不会罢休的。

 

泰国的北斗增强基站已经启用

北斗被破解?

        

前几年有个新闻,清华毕业生高杏欣,在斯坦佛大学读博士的时候破解了北斗二代的“信道编码规则”,并获得了美国航空无线电委员会的表彰。这女娃确实牛,2006年伽利略首颗试验卫星激活没几个小时,就被她破解了。

 

具体咋回事呢?先了解一下基本原理。

        

信号就是用特定的电磁波发射“1和0”,但卫星几万公里,信号衰减的厉害,经常会把“1和0”搞丢,因此卫星普遍采用“扩频技术”。意思就是用成千上万个“1和0”来代表原来的一个“1或0”。

        

能明白不?看个例子:我在人山人海的广场找不到妹子,于是找了100个特征明显的人围着妹子,就算100个人被挤走几个,我还是能知道妹子在哪里。而这100人的特征就是找妹子的关键,破解就是破这个。

        

北斗这100个人的特征原本就是打算开放给民用的,没有特意做防破解处理,所以选了三头六臂这种特征比较好找的,只要你看到一堆奇形怪状的人围着一个妹子,没跑了,这就是要找的信号。

        

北斗一上场就被人猜中了谜底,面子上是有点挂不住,但也不用过于慌张。第一,无线电的频率不能随意更改(就是土共和欧萌抢的那个频段),但编码和算法(就是这100人的特征)是可以任意重设的,在重大军事行动之前,肯定会重设。第二,军用信号就不是找100个奇形怪状的人了,而是把妹子藏在10000个区别不大的人当中,比如找1000个身高均匀的男人,1000个胖瘦均匀的女人,1000个小男孩,1000个小女孩……,要在这群人中找妹子,还是考虑研制一个时光穿梭机吧。

83年的女博导,负责北斗导航增强技术

        其实,“广播式”的GPS比“对讲机式”的北斗更容易干扰破解,当年伊朗就是干扰了GPS信号,捕获了一架美帝无人机。这些年美帝一直在测试卫星导航干扰技术,预计这技能未来也会成为大国标配。哎,无聊的人类,总是把战争形态越弄越复杂。

产业化是关键

北斗是“国家重大战略项目”,这官话听着很乏味,这么说吧,美帝独霸全球,GPS是一个非常重要的技术依托。某种意义上说,两弹一星是保家卫国,北斗是星辰大海第一步。

  

北斗和GPS作为长期运行的系统,维护和升级都需要大量的钱,所以竞争的关键是产业化,有利润就良性循环,没利润就恶性循环。

        

目前,北斗、GPS、毛子的格洛纳斯导航,还有脚盆的卫星差分信号,都实现了民用信号的兼容和互操作,相当于一部接收机可以同时使用多种信号。

        

以本僧使用的华为手机为例,在山区、平原等多种地区的搜星测试,GPS依然是霸主地位,其次是毛子,没办法,谁让人家占了最佳的通讯频段,脚盆的差分信号也不错。收到北斗的信号往往是最慢的,而且卫星数量也最少。当然,如果是手持式的北斗导航仪,情况就不会这么尴尬了。

        

搜星测试虽然不能说明太多技术问题,但至少说明北斗的产业化依然还在起步阶段,尽管北斗芯片的出货量已经非常可观了。

        

北斗导航的主力不是目前的北斗二号卫星,而是北斗三号卫星。2017年11月发射了2颗北斗三号,2018年还会密集发射18颗,这都需要钱啊!所以,吃瓜群众们,为祖国做贡献的机会又来了,快快使用北斗导航吧!

 

  • 不失联请加本站微信
  • 这是我的微信扫一扫
  • weinxin
  • 资助本站
  • 个人运营,服务器带宽费用还请大家资助
  • weinxin

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: