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标题: 军工女学霸：想破解北斗系统还不如造时光机 [打印本页]

作者: xman 时间: 2016-6-29 06:45
标题: 军工女学霸：想破解北斗系统还不如造时光机
　　

北斗导航系统科学家徐颖

资料图：中科院徐颖

原标题：导航系统科学家徐颖：来自星星的灯塔
出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

　　导语：曾经，北斗七星闪烁夜空，标示方向，引领着人类“身在何处心向何方”的最初梦想；如今，北斗卫星导航系统经天纬地，星耀苍穹，指点着华夏大地的“中国方向”。这是一个有使命、有责任、有担当的国家重器，也是一个有开拓、有探索、有创新的科学理想。徐颖从事北斗相关研究工作十余年，是中科院光电研究院建院以来最年轻的研究员和博士生导师。从古时指路的星星到闪耀全球的导航系统，从不分东西南北的小女生到研究精准导航的女科学家，我们一起来探寻北斗和她的成长之路。

　　前几天我去一个同学家里玩，他们家小姑娘来问我说，“阿姨，我怎么才能让我爸爸看不到我的手机位置信息呢？如果把我的手机卡取下来之后，我的手机还能够定位吗？”在这里，我可以明确地告诉大家，取下手机卡以后，手机依然能够定位的。这是因为我们大家都知道我们手机当中定位采用的是卫星导航系统，与我们手机移动系统没有关系的。

　　卫星导航系统，它是距离我们一群两万公里的星星，它们不会发光也不会发热，甚至肉眼没有办法观察到它们，为我们提供着位置服务。卫星导航系统简称为GNSS系统，在GNSS俱乐部中一共有4位VIP会员，除了大家所熟知的美国GPS系统以外，包括俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的伽利略系统以及我们国家自主建设的北斗卫星导航定位系统。

　　北斗卫星导航定位系统，是我们国家自主建设的卫星导航定位系统，现在正处在建设和应用推广的阶段，由五颗静止轨道卫星，和30颗非静止轨道卫星组成，北斗卫星导航系统预计将在2020年左右提供一个全球性的服务。

　　在GNSS俱乐部中，会员小伙伴们最关心的是什么？大家最关心的频率资源问题。频率资源是一种国际上公用的资源，频率资源不是你想买，想买就能买的，所有频率资源都要向国际电联提出申请，由国际电联进行划分。就像我们高速公路车道一样，每一个系统都有它自己的车道，不然的话大家会发生撞车的情况。

　　在卫星导航系统建设的初始阶段频率资源相对比较充沛，建设相对比较早的GPS系统和GLONASS系统不存在频率资源的冲突问题。到了北斗系统和伽利略系统建立的时候，频率争夺战就非常明显了。当时伽利略系统其实提前申请了这个频率资源，但是大家知道后来欧洲出现了经济危机，所以伽利略系统资金链断了，他们当时发射了这个卫星，占领了这个轨位，但是并没有发射这个频率的信号。根据国际电联“先到先得”的规定，哪一个国家能够先把这颗卫星发射上去，并且这个卫星向下发射了这个频率的信号，以后这个频率资源就是你的了。

　　在这样情况下， 2007年4月17号就是北斗所申报的频率资源的最后期限，所以要求北斗试验星必须提前发射，这在我国航天史上是非常罕见的。

　　通常卫星发射只有延迟，没有提前，因为提前会带来一系列的问题。但是经过各个部门的配合之后，为了争夺这个频率，在4月14号的时候，这一颗火箭已经成功在发射中心准备进行发射了。在4月14号的凌晨4点07分，现场又发现新的问题，火箭有一个连接器没有按照规定脱落，如果三分钟内不能解决这个问题的话，对火箭、卫星甚至发射场都会是灭顶之灾。当时的发射指挥员在一分钟之内下了7道指令，4点07发现的问题，4点11分的时候，火箭带着我们北斗试验星成功升空。4月14日发射了北斗试验星，4月15号时候卫星实现变轨，4月16号卫星开始向下发送信号，在距离4月17号北斗申请的频率资源失效前24个小时内，中国正式启用了北斗申报的频率资源，也就此拉开了北斗全球系统建设的帷幕。

　　在一个风雨交加，电闪雷鸣的夜晚大家喜欢做什么事情？我自己比较喜欢看恐怖片，那样比较有感觉。雷电和恐怖片更配哦，那么雷电和什么不般配呢？不错，就是卫星发射。卫星发射的时候，火箭箭体中装满了燃料，一点点火花就能引起箭体的爆炸。1987年，美国大力神火箭就曾在大雨中发射，升上天空一分钟后就在空中遭到雷击，发生了爆炸。

　　所以，通常遇到雷电的时候，卫星发射是会推迟的，但是在2011年7月，北斗第9颗卫星发射时也是一个电闪雷鸣的天气，它却在等待着发射，为什么明知山有虎偏向虎山行呢？

　　这是因为北斗系统不是一个单颗卫星，而是一个组网星座。对于组网星座而言，每一颗卫星都要有既定位置，北斗系统不仅要求把这颗卫星发射到哪一个轨道，还要求这一颗卫星在轨道中的既定位置，要满足这样的条件必须有发射窗口，而这一天就是一个不可多得的发射窗口，如果错过这天的机会，有可能推迟四个月，甚至推迟一年才能够迎来新的一个窗口。

　　北斗系统当时正在如火如荼建设过程当中，如果推迟发射的话，进程必然会延误，带来的经济损失不可估量。当时的指挥系统决定冒雨发射，在两次雷电的间隙，发了。非常幸运，北斗第9颗卫星升空了。在同年年底北斗开始试运行。现在，北斗系统已经发射了22颗卫星，已经能够为中国以及我们周边地区提供非常稳定的导航定位服务。

　　大家可能会问北斗系统已经发射这么多颗卫星，北斗到底有什么用呢？首先，业内有这样一句名言：“卫星导航定位系统的应用只受想象力的限制”，毫不夸张的说，作为典型的国家重器，它就像我们水、电、还有公路一样，是我们社会建设基础的保障。欧盟曾经做过估算，卫星导航服务中断2天就会给整个欧洲带来超过10亿欧元的损失。下面我们来看一下北斗应用的相关视频。

　　这是北斗系统一些典型应用，这个是藏羚羊迁徙，北斗系统保护野生动物；大兴安岭发生火灾，北斗系统能够为营救人员提供方位和方向的服务；这是北斗系统用于精确打击；这是北斗用于海洋渔业，在海洋上我们所用的通信定位手段都非常少，有了北斗卫星导航，能够有效保障渔民的生命安全；这是北斗系统用于大型车辆定位和监控；这是北斗系统用于我们精准农业，在农业现代化当中我们可以用北斗系统非常精密的控制；这是北斗系统用于我们大型集装箱航运和海运。

　　以上这些只是北斗系统应用非常基本的方面，在这里，我想重点强调一下我们刚才看到的海洋渔业的应用。在这个应用中，北斗系统不仅提供了位置、导航和授时这样的功能，而且还提供通信功能，渔民在海上能够用北斗系统发短信，报平安。通信功能到底有什么用呢，这里我想引用一下美国GPS之父帕金森教授的一句名言，他曾经这样盛赞北斗的导航通信一体化功能：“既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里，这是多么美妙的体验。”

　　那么通信到底有什么用呢？给大家举一个简单的例子，大家都看过鲁宾逊漂流记吧，如果有一天一个人漂流到了孤岛上，能怎么办呢？如果这个时候他选择的是GPS，他只能知道自己在什么位置，无法通知别人前来救援，所以他还是只能够在荒岛上求生。如果我们用的是北斗系统，情况完全不一样了，我们既可以知道自己位置在哪里，而且还能够把我们位置发送到方圆几十公里、几百公里甚至千里之外的人。相信我，如果你选择了北斗定位系统，你很快就可以在救援船上和你手持GPS的小伙伴说拜拜了~

　　我们讲了这么多北斗系统非常好用，而且可用，为什么现在好像在生活当中我们大家似乎很少用北斗，好像GPS多一点。GPS卫星导航定位系统比北斗系统早建设了大约20年，20年的历史鸿沟不是我们一朝一夕技术能够填补的，GPS系统的应用推广都已经非常成熟，比如现在最便宜的GPS芯片可能大约两美元左右，而北斗系统的芯片价格由于量产等原因可能仍然普遍在百元左右。用不起制约着北斗发展，但是用不起不是制约主要因素，不敢用、不想用，这才是制约北斗发展的重要原因。

　　北斗系统从诞生到现在，虽然已经通过多方面证明，精度和可靠性，完全不输GPS导航系统，但是人们对北斗系统有着种种质疑。这是网上大概2011年左右传得比较沸沸扬扬的新闻，当时媒体使用的标题是“清华女生破解北斗送给美国”，或者是“北斗上百亿的投资打水漂”等等，比较耸人听闻。那么北斗真的如此不堪一击吗？当然不是。事实上真正不可靠的是GPS系统。因为GPS系统只被我们开放了民码，而且GPS民码信号战争时候很容易说变就变，为了保障自主权，欧盟建设了伽利略系统。对我们来讲也是如此，为了保障我们的可靠性，我们国家开始建设属于我们自己的北斗系统。

　　我们回到清华女生破解北斗这个新闻上，实际上她只是破译了北斗的民码信号的伪码序列。首先第一点，北斗建设过程当中，民码的设计和GPS、伽利略都是一脉相承的，并没有特殊设计。我国希望全世界人民都能使用北斗，不仅是中国的北斗，也是世界的北斗。她想破解这个没有经过加密的民码信号，首先是没有技术难度的。从科学研究的角度来讲就是一个信号检测与估计的问题。事实上2012年的时候，我们国家已经公布了北斗的ICD文件，告诉了大家我们的民码格式。

　　除了民码之外，北斗还有军码，军码经过了加密等特殊设计等，这是稳定可靠的。如果想破解军码系统，我们可能建议一些更简单的方式。那就是造时空穿越机穿越回到北斗军码设计的时候在旁边偷听好了。这个技术难度都比从技术上来破解北斗军码更容易一些。所以，大家要相信我们北斗系统非常好用，而且非常稳定的。

　　作为一个卫星导航的普通科研工作者，我们相信北斗这一艘巨轮在大家支持下，在我们的不懈努力下一定可以继续乘风破浪走向世界，谢谢大家。
　　

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