gps是什么(gps是什么意思)

12月27日，在国务院新闻办公室新闻发布会上，中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布——

北斗三号基础系统27日建成并开始提供全球服务。这标志着北斗系统的服务范围从区域扩展到全球，北斗系统正式进入全球时代。

△新闻发布会现场

据介绍，北斗系统是中国自主建设运营的全球卫星导航系统，与世界其他卫星导航系统兼容共享。可以全天候为全球各类用户提供高精度、可靠的定位、导航和授时服务。

从上世纪90年代开始，北斗系统得到了发展。按照“三步走”发展战略，是主动先行、被动先行、区域先行、全球先行。北斗一号、北斗二号、北斗三号系统相继建成，走出了一条中国特色的卫星导航系统建设之路。

世界上有一个高大上的俱乐部，只有四个成员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶尖科学家、工程师的研究。这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统)，四个成员分别是美国的GPS、欧洲的伽利略GALILEO、俄国的GLONASS和中国的COMPASS。

中国北斗是新成员，也是发展势头最强的成员。北斗怎么了？对我们的生活有什么影响？这是一个很有趣的话题。学术期刊上关于北斗的文章很多，但专业文章中的术语太多。

而且媒体和网络上也有一些介绍性的文章，大部分比较零散，不方便读者完全理解。此外，许多文章是不准确的，显然是非专业人士写的。

因为专业原因，一直关注北斗，多年的通信专业基础课教学实践，培养了我用通俗语言描述复杂专业问题的特长。我利用两个月的业余时间，查阅了大量的公开资料，整理出这篇全面介绍北斗卫星的长篇科普文章。

一个

从GPS开始

1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了人类的空世纪。美国对此密切关注。一个叫比尔·盖伊的数学家和一个叫乔治·威芬巴赫的物理学家在赫普斯金应用物理实验室发现了一个现象，就是这颗卫星的频率发生了偏移，研究发现多普勒偏移效应是由相对运动引起的。

两位科学家对此进行了实验研究，发现如果在地面设置多个接收器，可以根据接收信号的不同频差计算出卫星的具体位置。他们高兴地告诉实验室主任弗兰克·麦克卢尔，他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位和跟踪。

弗兰克主任当时正在做一项海军研究。研究内容是五角大楼如何知道军舰在茫茫大海中的具体位置。听完两位科学家的报告，他的眼睛亮了起来。既然你能找到卫星在哪里，那你把问题反过来，卫星就能找到你在哪里。海军军舰定位问题有想法！

GPS系统就是根据这个思路启动的。方案首先要解决的问题是:卫星应该采用哪种轨道，低、中、高？如果采用低轨道，发射成本相对较低，精度相对较高，但如果覆盖全球，则需要200颗卫星，对于如此庞大的工程来说，实在是负担不起。

如果采用高轨道，理论上三颗卫星可以覆盖全球。但是除了高轨道卫星发射困难之外，最主要的原因是定位精度会很低。原因有二:一是轨道太高，会导致测量误差大；另一个是静止轨道与地面物体的相对速度很小，不利于多普勒频移解的使用。

中轨道是一个折中的方案。只需要24-36颗卫星就能覆盖全球。因为轨道是运动的，即使地面上的物体不动，相对卫星的速度也很高，所以可以充分利用多普勒频移的方法。

基于以上综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，1978年发射第一颗卫星，1995年投入全系统运行。目前有30颗卫星，分为军用和民用两种定位模式，其中民用模式面向全球开放。

2

美国是“活雷锋”吗？

GPS是个好东西，大大提高了人们的生活质量。比如汽车和手机导航就很重要。人们告别了在纸质地图上找路的历史。GPS对于探险导航就更重要了，关键时刻还能救命。这么好的东西，美国投入了巨资，却对全世界免费。美国政府是“活雷锋”吗？

其实就算GPS不免费，也收不到钱。为什么这么说？因为GPS是单向通信系统，类似于广播电视塔。大家都知道广播电视塔只是传输信号。是有一个电台听，还是一万个电台听，广播电视塔不知道，GPS系统也不知道。三十颗卫星不停地向地面发送信号。谁在接收和使用这些信号？它根本不知道。既然它不知道，那它怎么收钱？

卖高价解码芯片能收钱吗？答案是否定的，因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制，这是加密传输的固有障碍。就算加密了，过几天也会被破解。尤其是民法典要求简单易用，接收设备要求成本低，这就使得加密更加困难。

如果GPS免费，一定会在全世界形成一个巨大的市场。依托这个体系会产生新的国际产业，同时会形成强大的国家软实力。所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

免费GPS在全世界都是民生之利，但在军事上却是挑战。当然，它可以安装在美国敌对国家的军机和军舰上，美国人不能禁止。这是对美国的威胁吗？其实GPS开的只是民用码，精度比美军用的军用码差十倍，从出生就下降了很多。更有甚者，万一和美国发生战争，如果人家给你GPS码，你已经在依赖GPS了，甚至会失去指南针，这会让你失明。如果美国不给你停GPS，而是发一个欺骗码，瞄准美国的导弹可能会飞到自己的位置，那就更可怕了。

所以其他国家的军备一定不能用美国的GPS。一旦产生依赖性，他们就会像吸毒者一样上瘾，必须发展自己的定位导航系统。当然，发展自己的定位导航系统只是少数大国的权利。至于泰国、墨西哥等小国，就不用担心了，因为全球定位导航系统如此庞大，综合国力弱的小国根本建不起。还不如老老实实继续用GPS，也省心。

三

北斗一代的起源

中国是一个有野心的大国，不可能为定位导航卫星发愁。其实从70年代开始就麻烦了。七五提出了“新四星”计划，随后是一星、双星、三星至五星的区域系统计划和多星的全球系统思想。研究、论证、再研究、再论证……从未停止。

上世纪80年代初，以“两弹一星”创始人程院士为首的专家组提出了双星定位方案，是当时公认的最佳方案，但因经济条件等各种原因搁置了十年。1991年是一个重大转折点。海湾战争唤醒了中国人民。美国在作战中应用GPS非常成功。决策层深刻认识到，未来没有它真的打不起来，于是搁置了十年的二星定位方案立即启动。

为什么不像美国那样建立30颗卫星的系统？当时我们国家没有经验，也没有钱，所以一开始就要悠着点。先说小打小闹，一上来就容易乱。有网友会问，在空里只能定位三个坐标，两颗卫星不够。这个问题问得好。双星定位方案中有高度计。用户需要自己测量高程，并将结果作为第三坐标。就像在地心安装了一颗虚拟卫星，实现了三星定位。那为什么不直接发射三颗卫星呢？原因很简单，高度表很便宜，这个方案更经济。

只有两颗卫星。当然，它们不可能像美国的GPS一样在中轨。如果轨道低，覆盖范围就小。大部分时间，两颗中轨卫星会在中国空以外的地方飞行，那么中国大陆怎么用呢？所以它只能在高轨道，而且必须是静止的，这样才能恰当地停在中国大陆的空上。

高静止轨道是双星定位的必要选择。从技术上来说，这无疑是正确的，但却埋下了性能薄弱的隐患。这是下一个要讨论的问题。北斗一代饱受诟病。

四

北斗一代被诟病

MH370失联后，出现了很多科普，让大众对多普勒效应这个术语很熟悉。多普勒效应对卫星是好事还是坏事？这要看是什么样的卫星了。多普勒效应对于导航定位卫星来说是好事，因为卫星相对于地面物体的相对速度越大，多普勒效应越明显，定位就会越精确。这甚至是定位导航卫星的核心原理依据。

但是多普勒效应对于通信卫星来说是一件坏事，因为频率偏移会导致通信失败，这是必须要纠正的。比如位于印度洋的亚太国际通信卫星空相对于地面是固定的。失联的MH370在最后阶段发出的7个搜索信号的频偏都是这个卫星测出来的，应该是修正过的。没想到，这成了猜测飞机飞行轨迹的唯一证据。一句话，可以总结为:利用通信卫星定位卫星，把原本是坏事的多普勒效应变成了好事。

由于我国这两颗卫星都在地球静止轨道上，自然可以像国际通信卫星一样完成通信任务。因此，定位和通信能力已被设计为北斗一代的技术特征，而GPS等其他定位导航系统不支持通信功能。

美国的GPS不具备北斗那样的通信功能。真的不能说人家技术落后，因为他们的卫星系统各司其职，定位卫星和通信卫星系统的性能都很优秀。中国的北斗一代有两个工作，听起来比较全面。实际上，中国已经把定位卫星送入了通信卫星的轨道，自然可以收割通信的副业。

毕竟定位是北斗一代的主业，大部分信道资源都要给定位数据的传输，留给通信的信道资源不多。它不能完成实时语音交流，只能完成短信功能。

由于这两颗卫星轨道较高，地物与卫星的相对速度很低，多普勒效应不明显，其定位精度自然远不及GPS。所以官方宣传的北斗一代虽然在通信和定位上都有独特优势，但实际上它的通信功能比国际海事卫星差很多，定位功能比GPS卫星差很多。虽然沟通定位什么都能做，但是表现不好。

平心而论，北斗一代已经达到了设计目标，项目非常成功。毕竟只有两颗卫星。怎么能和几十颗海事通信卫星，GPS卫星比呢？这就好比你花了800块买了个双卡双待的山寨机，说它不如苹果手机，其实是不公平的。

我们来做个假设。如果没有国际海事卫星和GPS卫星，能定位能通信的北斗一代会光芒四射。但问题是北斗一代出来的时候，这两个卫星系统已经相当成熟了。在他们的对比下，当然都挨骂了，R&D的人员也是灰头土脸。

五

与伽利略计划联姻

北斗体验差，怎么办？这个时候，中国看中了欧洲的伽利略计划，这是欧洲国家联合开发的全球定位导航卫星系统项目。因为这个项目太贵了，欧洲没人负担得起，但又不得不做。尽管欧洲国家与美国关系良好，但它们不能将其国家安全与美国政府联系在一起。

欧洲有技术但缺钱，于是他们把目光投向了土豪中国。中国担心北斗一代的失败。自然就一拍即合了。据悉，中国加入了伽利略科技，并慷慨支付了2亿元的加盟费用。然而，中国越来越觉得不对劲。欧洲甚至让日本和印度加入了这一伙伴关系。他们付的钱少，但有很多权利。这不是把中国当冤大头吗？多掏点钱不是问题。关键在于这两个国家应该在军事上防范。难道我们在国防上要用和他们一样的体系吗？中国发现不对劲，下定决心后就点了出来。退出后，它单干，开始研发北斗二代。

北斗二号计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球定位导航系统，比GPS多5颗。增加的五颗卫星是赤道上的地球同步高轨道卫星at 空其他30颗卫星和美国的30颗GPS卫星一样，都是中轨道运动卫星。

北斗二号的规模与GPS相当，应用的轨道和频率与欧洲的伽利略一致，这就不可避免地产生了卫星轨道和频率竞争的问题。卫星轨道和空频率是人类共有的资源，如何分配？国际通行的规则是，既不按国家也不按人口划分，而是谁带头谁算。

先到先得原则是西方发达国家制定的。他们认为所有国家机会均等是公平的原则。理由是:如果有能力，也可以玩卫星。我没有阻止你。不玩是你自己的事。如果你从来不玩，你能说轨道和频率要永远为你保留吗？听起来也有道理。更重要的是，即使你认为不合理，也不能阻止发达国家占用轨道和频率。

2005年，伽利略的第一颗卫星发射升空，但没有打开。只占了轨道没占频率。为什么没开？原因是没钱，开起来要花钱，欧洲有点缺钱。中国第二代北斗的第一颗星也上天了，上去就开了，现在占用轨道和频率。

伽利略在欧洲慢工出细活，而中国这边的北斗一颗一颗不停地打卫星。后来有了双星。但伽利略计划和北斗二号的部分频率重合，双方都向国际电信联盟备案。谁领先谁就是第一。中国的快节奏让欧洲感到焦虑。通过美国给中国施压，让中国慢下来等等。

过去欧美国家凭借技术和经济优势攫取资源。中国的技术和经济很弱，所以这只是一个愚蠢的损失。你从来都不谦虚。现在，我为什么要谦虚？中国无视欧美的抗议，继续按既定节奏打卫星。

六

亚太网络

尽管35颗卫星尚未全部建成，但亚太地区的北斗二代定位导航网已经建成并投入使用。GPS和北斗都有30颗中轨卫星，各自在Tai 空上织网。最密的GPS网在美国的空上，最密的北斗网在中国的空上。当然很容易理解，为当地人民提供服务是第一要务。加拿大和墨西哥肯定会选择GPS，但对于亚太国家来说，北斗比GPS更有优势。

亚太地区国家已经认识到北斗覆盖的优势，中国政府积极推动北斗二代在亚太地区的应用。于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国派出19名专家于2014年7月访问中国北斗二号，研究讨论合作事宜。

第一站是武汉光谷北斗集团，参观了中国最大的遥感卫星地面接收站；第二站是黄石，参观了正在建设中的中国-东盟北斗示范城市；第三站是北斗地球空国际工业学院；第四站是“2014北斗技术与应用国际培训班”，我在两院院士李德仁带领下的武汉大学测绘遥感国家实验室连续学习了半个月。

行程很精致。首先，带他们四处看看。行程安排非常密集，不能有丝毫的思想懈怠。一个北斗产业园比一个高端的先进，让他们的眼睛瞪得越来越大。国际著名科学家李德仁院士在震撼了他们的心灵后，将亲自授课，回答所有关于北斗在贵国使用的问题。

泰国专家表示，部分GPS卫星信号在泰国无法接收，而所有北斗卫星信号都可以接收。当然要参加北斗的“天眼”计划，泰国现在已经建成了第一批CORS(连续运行卫星定位服务综合系统)。马来西亚将是北斗“田燕”下一个落户的国家。

七

在渔业中的应用

北斗第一次成功应用是2008年5月12日汶川地震。别看我们平时交流。电话、短信、互联网等手段很多，但都高度依赖光纤和基站。当这些基础设施大面积受损时，你会发现QQ、微信、微博、短信…所有平时方便的沟通手段全部用完了，除了大喊大叫根本没有办法。

当时北斗还是第一代系统。虽然因为性能指标不如GPS和海事卫星而被骂，但北斗一代系统发挥了地震时不受地面影响的优势。其定位和短报文能力充分发挥作用，成为救援指挥部队和一线救援人员最有效的通信助手，最大限度保证了“72小时黄金救援时间”的有效利用，凸显了北斗服务民生的技术优势。

远洋捕鱼是一个危险的行当，在遇到风险时及时获得帮助非常重要。存钱的渔民会有两种电子设备，一种是GPS，一种是海事卫星电话，这样遇到风险时可以及时求助。

万一有风险，你需要帮助。你先用GPS定位，然后用海事卫星电话通知岸上的救援队，告诉他们我遇险的GPS坐标，让他们来救我。当然也有电台，但是电台的可靠性不如海事卫星电话。生死都过不去，就瞎了。然而，保持一部海事卫星电话是非常昂贵的，但许多渔民正在为此而挣扎，因为他们在关键时刻为了保命而不敢保持它。

第二代北斗在亚太地区布网后，渔民有了新的选择，那就是安装北斗卫星终端。北斗的双向短报文功能在渔船救援中得到了完美的应用。遇到危险时，终端会自动将带有定位信息的求救信息通过卫星发送给岸上的救援队，实现了GPS+海事卫星电话的功能，更加方便。

这个终端贵吗？政府将其作为安全机械设备大力推广，并享受农机补贴政策。政府额外支付1亿元，为辽宁、山东、浙江和海南的1万艘渔船免费安装北斗终端。后续重新安装的直接补贴是90%，渔民只需要象征性的10%的钱来安装。

海事电话很贵。北斗卫星短信贵吗？答案是三毛钱！这是有史以来最便宜的卫星信息。为什么这么便宜？有政府补贴。其实根本不考虑成本。这项指控是象征性的。本来有专家建议免费，但是怕渔民没事发段子，太浪费卫星频道资源，只能随便定个三毛钱的价格。

北斗卫星的短信功能很受欢迎。据浙江省2011年统计，浙江渔民利用北斗卫星发送短信1300万条，其中604万条与船舶通信，696万条与手机通信。

该省在岸边建设了基于北斗二号的渔业信息服务基础设施，通过卫星向渔船发送天气、海浪、赤潮和鱼季的实时消息，甚至当天的渔业市场价格，以帮助渔民决定捕捞哪种鱼。渔民可以在海上把渔获信息传到岸上，提前联系卖家。

八

“两客一危”与地基加固系统

“两客一危”是指道路客运、包车和危险品运输车辆，必须全部安装电子定位装置，并将运行信息及时接入全国联网联控系统。在交管部门的监控屏幕上，车辆的运动状态一目了然，超速、闯禁行等违法驾驶行为会自动报警，这是保护人民生命的法律。

“两客一危”的范围还在扩大。警车、公务车、校车也正在被纳入卫星定位监控系统，不仅是为了行车安全，也是为了监控公车私用。车辆行驶路线清晰，数据妥善存储在数据库中，不允许司机遮遮掩掩狡辩。

这种对特种车辆的卫星监控，以前需要使用GPS，现在政府明确要求使用北斗二代。有人为此质疑政府。过去基于GPS的系统可以完成任务，但现在很难推广国产北斗。这不是浪费钱和人吗？

这真的不是浪费钱，而是有长远规划的必要措施。中国正在计划发展北斗二代的地基增强系统，在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设备，形成北斗地基增强系统，通过与天基卫星配合，可以实现米级以下的实时定位精度。

一旦北斗二代的天基系统和地基系统成功结合，大货车就再也不会长期占据超车道。但是以前的GPS定位精度是10米，无法区分车道。孩子佩戴的定位手表会更加准确灵敏，定位信息不再是“某个地方附近”，而是精确到孩子站在哪个地砖上。

地基系统应与天基系统密切合作。如果全国各地的国家名称系统都是建立在美国GPS的基础上，那如果人家收费了怎么办？或者屏蔽底层数据，那我们就卡脖子了。我们已经有了完全自主产权的北斗二代，我们自己的地基加固系统当然要和我们自己的北斗二代配对。

九

变形监测和自动驾驶测试

北斗二号有很多用途。据统计，有200多项。比如有一项是变形监测，专门用来测量大坝、桥梁、公路等巨大结构物的沉降和变形。网友肯定会怀疑北斗和GPS的精度是10米。怎么才能做这么细致的工作？这来自于差分算法技术。

任何一次测量都会有误差，多次测量后的结果统计平均会有效减少误差。卫星定位的差分算法也是同样的原理。一次定位的精度是10米，但是把成千上万的定位数据结合起来，就有可能得到更精确的结果，甚至不到毫米。

显然，次数越多，测量时间越长，精度就越高，而建筑物的沉降变形是缓慢的，可以利用这些特点进行高精度测量。北斗设备固定在专用建筑上，可以自动接收定位信息。在积累了一个月的大量定位数据后，进行差分计算，计算出精度在毫米以下的定位数据，比人工测量方便、准确得多。

很多远程监控点都没有手机信号。基于GPS的变形监测必须手动采集。利用北斗进行变形监测还有一个好处，就是可以通过北斗短信功能将数据直接传回基地。如果给它装上太阳能电池板，它就会生活在一起。定位、差分计算和数据返回都是自动化的。

在地面设施的配合下，北斗的实时定位精度已经远远高于GPS，现在已经达到了80km/h时2cm的精度，这为另一项业务提供了技术手段，即基于北斗二代系统的无考官驾考。

现在，倒车、入库等驾考项目已经实现电子监控，压线时会报警，但路考还是需要考官。未来所有的驾驶课程考试都可能被北斗系统完全取代。如果在测试车上安装北斗接收机，系统会实时准确记录车辆轨迹并自动打分，会比考官的更严格、更公正。

10

北斗二代的政府推广

北斗二代是国家命名项目，政府当然会推广，但推广的方式和以前大不一样。大概七八年前，手机就有了Wi-Fi功能，中国政府觉得这个技术标准不好，于是推出了国家自主知识产权的WAPI标准，试图取代Wi-Fi。事实上，中国不是唯一这样做的国家。韩国也推出了自己的技术标准，抵制Wi-Fi。

Wi-Fi技术简单，易于普及，这也是其风靡全球的重要原因。但是，它也有一个致命的缺陷，那就是单向安全机制不可靠。前阵子在3·15晚会上，网络安全人员带着眼罩现场表演劫持观众手机信息，媒体也经常刊登手机用户接入免费Wi-Fi造成损失的报道，都是Wi-Fi固有的技术缺陷造成的。

中国的WAPI标准是双向安全认证，确实比Wi-Fi安全。政府为了推广，阉割了行货手机的Wi-Fi功能。想要Wi-Fi功能，只能买水货手机。此举引来了很多人的不满，但最终并没有阻止Wi-Fi的普及。后来低调发布，行货手机上也有Wi-Fi。但是WAPI并没有普及，现在只在军队等有保密要求的地方使用。韩国政府抵制Wi-Fi也失败了。

显然，中国政府在推广北斗二代上有了新的思路。它没有使用行政权力来限制其竞争技术，而是使用免费或补贴的诱因。事实证明，这一招比较有效。比如渔船安装了北斗设备，政府不禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话。但对北斗设备提供大量补贴，卫星短报文只是象征性收费。显然北斗方案性价比更高，渔民当然会安装北斗而不是GPS和海事卫星电话。

北斗二代有200多项应用，需要全社会高科技企业研发，不断提供更好的北斗产品，把北斗产业做大做强。国内已经有很多从事定位导航的高科技企业，大部分都是以GPS起家的。政府科技部门请这些大佬开会，领导言简意赅:欢迎继续GPS的研发，政府绝不限制和干涉。但是搞北斗二号工程，享受高新技术企业免税政策，从某个地方拿扶持资金。

北斗二代的技术体制和GPS类似。从GPS换成北斗并不难。政府做了决定，企业老板都是神仙，纷纷表示要向北斗项目分流。政府的钱不会白付的。应邀参加会议的还有大学教授。领导说政府有北斗科研的基金。欢迎教授立项。教授们也纷纷表达了申请北斗科研项目的意向。谁还会傻傻的继续研究GPS？美国政府不会给钱的。

这位领导还说，企业有资金和设备优势，高校有人才和技术优势。不如联合起来，把教授带的研究生放到企业里做北斗科研，企业提供设备和资金。研究生的成果除了可以作为毕业和学位之外，还可以作为企业的技术创新。企业老板和大学教授觉得这是个好主意，于是在政府的帮助下结成了对子。领导把这个叫北斗产业促进联盟。

政府推动新兴产业的方式已经改变。它没有像WAPI那样强行阉割Wi-Fi，而是使用了利益杠杆。企业的老板，大学教授都获得了利润。政府成立产业联盟也是政绩。三方都很开心。

11

国际电信联盟(国际电联)

标准化是电信业的重中之重，国际电信联盟是负责制定国际电信规则和标准的国际组织，在信息时代发挥着越来越重要的作用。国际电信联盟(ITU)正在制定5G的关键技术、频段和技术标准，这是影响全球电信业发展的一件大事。此外，它还接受各国对卫星轨道和频率的申请，并予以记录和批准。这个国际组织有很大的影响力。

20多年前，中国政府选派了一名优秀的通信专业人员到国际电信联盟工作。他勤奋工作了几十年，他的成就备受推崇。他一直工作到副秘书长一职，并在新的选举中成功当选秘书长。他就是赵。

虽然赵是一个中国人，但他的组织服务于全世界。根据国际电信联盟官网领导的介绍，他们的简历中没有国籍，只有出生地。赵的出生地是江苏。

有一个江苏人当管理卫星轨道和频率的国际组织的负责人当然是好事，不会像以前一样吃哑巴亏。中国政府对北斗二号有很大的决心。它有足够的财力从事这种国字号项目，国内的推广政策非常有效。它在积极与外国谈合作方面取得了丰硕的成果，并在国际电信联盟的支持下，利用了有利条件和有利条件。预计5000亿新产业正在兴起，北斗二代的前景非常乐观。