中国特色的GPS系统：北斗卫星的战略运用(组图)

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　　- 编者按：本文编译自英国《简氏情报评论》2003年10月号，作者杰弗里·费登(Geoffrey Forden)原为联合国监督、检验及核查委员会下属的的多学科分析中心主任，现为MIT安全研究项目的高级研究科学家。在本文中，他全面探讨了中国导航卫星系统的效能，并分析了该系统在增加中国战略导弹精度方面的潜在作用。本刊特编译此文，仅供读者参考。

　　随着2003年5月24日第三颗北斗-1号卫星的发射升空，中国宣称它已经建立了一个由三颗导航卫星组成的卫星体系。前两颗分别于2000年10月31日和12月21日发射升空。“北斗”卫星系统与美国的全球卫星定位系统(GPS/NAVSTAR)和俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)以及欧洲计划中的“伽利略”系统有很大的区别。它是由三颗地球同步轨道卫星组成，覆盖范围只能以地区为基础，而不像其它系统具备了全球覆盖能力。

　　作者认为，近年来中国一直在采取渐进的步骤发展空间导航卫星系统。它所宣称的第一颗导航卫星，也就是北斗-1A号于2000年10月30日发射升空，卫星定位于东经140度的地球同步轨道，大约在新几内亚岛上空，这也是处于整个星座最东面的一颗工作星。两个月后的12月20日，中国又发射了第二颗地球同步导航卫星——北斗-1B号，它位于东经180度印度洋中部上空。在近两年半的时间里，它们构成了中国仅有的导航卫星，直到第三颗卫星的发射升空。北斗-1C号属于导航定位系统的备份星，它位于东经110.5度，处于前两颗工作星的中间，与前两颗一起组成了中国自己完整的卫星导航定位系统。在相隔两年半的时间里中国才发射第三颗卫星，看起来中国很可能利用了这段时间来测试卫星电子设备和熟悉系统的操作。

　　通常，导航卫星的位置对于确定用户和卫星的距离以及此后的位置非常重要。这三颗卫星众所周知处于地球同步轨道，它们位置的变化对于导航的影响是巨大的。在卫星工作的这段时间里，北斗卫星的经度偏差一直保持在加减0.1度，这也是国际电信联盟所提出的标准范围，在地球同步轨道的高度上，这个偏差与地球的对应值为150公里。每经过大约一个月，当负责保持卫星在轨位置的发动机点火期间，这种经度变化就会发生一次。因此，每日的变量相对要小，只有2至3公里。

　　然而，由于存在着卫星轨道赤道倾角以及卫星轨道并不是真正的圆形，所以地球同步卫星每天在轨道的位置也是有变化的。前两颗卫星的轨道赤道倾角为0.06度，对应每天南北方向50公里的差额，最新的第三颗卫星轨道赤道倾角大约0.014度。倾角的不同是由于太阳和月亮(以及地球不是一个真正的圆球形状这样一个事实)在过去两年半时间中对前两颗卫星的辐射压力所致，最后，地球同步卫星轨道并不是真正的圆形，每天会引起40公里的径向偏差。

　　所有这些偏差，在距离地面35000公里的轨道看起来微不足道，但在定位方面如果不对参数修正的话却能引发巨大失误。现有以卫星为基础的导航系统通过向用户播发当前轨道参数及授时信号解决这类问题，然后用户计算出精确卫星位置用于自己位置估算。看起来中国“北斗”系统很可能使用的是同样的工作原理。

　　◆ 系统精度的估算

　　卫星系统的用户可以测算出自己在地球上的位置，如果他知道自己与三颗卫星或更多卫星之间的距离的话。估算的精确度取决于一系列因素包括电子设备的精度、信号穿越大气层的影响以及已知的卫星位置到底有多精确和其几何排列的顺序。

　　使用更多的卫星可以增加位置估算的精度，然而如果卫星广泛地分布于用户的上空也可以增加定位精度。实际上四颗卫星就也可以取得理论上的最大定位精度，这就要求其中三颗要均匀地分布在水平面上。换句话说就是以120度为间隔，第四颗卫星位于用户的正上方。从这种最佳几何排列中转移任何一颗卫星都将降低用户定位的最佳精度。

　　由于“北斗”卫星导航系统总共只有三颗卫星在轨，因此就要求用户装有一台高精度原子钟。或者其它的必要条件也行，如用户处于海平面位置，这种条件使得该导航系统除了用于舰船导航之外在陆上几乎毫无用武之力。由于在这种情况下即使没有卫星导航也可以得到一个合理的定位精度，因此本文在此不予具体论述。我们将假设用户携带了一只作工粗糙的小型高精度时钟或是一台同步的价格不贵误差也不是很大的时钟。

　　近年来原子钟越来越普及，中国肯定已经将或是自己制定或是购自国外的高精度时钟安装在导航卫星上了。不管怎么样，虽然我们对中国的一个步兵排甚至是一辆坦克能否在野外成功地操作这一装置持怀疑态度，但是我们绝对有理由相信中国的飞机能够携带原子钟并做到时钟与卫星的同步化，以此来确保导弹发射后数分钟时间里所最必需的精度。

　　卫星的几何排列，就像用户所看到的，在决定系统的精确度方面起着非常重要的角色。中国位于地球同步轨道上的三颗卫星远远没有达到最佳化的几何排列。如果用户靠近赤道的位置，这三颗卫星看起来就像是从头顶穿过的一条直线。这种几何排列虽然能够很好地决定经度，但在测量纬度或高度方面却存在着很大的缺陷。实际上在赤道平面上，美国的GPS系统测量经度的精确度要比北斗卫星强一千倍，这个比较是建立在假设两个系统都存在着电子设备、大气失真及其它来源所引发的相同的误差基础之上的(另外，用户的原子钟不可避免也存在着误差，除非也像卫星上安装的原子钟一样经常进行数据更新，在此我们不予考虑)。因此，北斗星座的用户在赤道上测量纬度的误差范围至少是一个东西10米、南北3000米的大椭圆。同样，在高度的测量方面，美国的GPS系统精度也要超出中国10倍。

　　当用户向北方移动时，纬度和高度的精确度实际上在某种程度上得到了改善，这是因为北斗星座的几何排列看起来更加合理一些。当用户越向北前进，卫星看起来越靠近水平线，也就是说星座越逼近它的最佳几何排列。台湾台北的一个用户使用该系统时，经度精确度大约10米，而纬度精度大概只能有100米左右了。虽然这比赤道附近的用户有了极大的改进，但要想靠这种精度制导航空炸弹却还远远不够。用户越往北，精度就会增加，直到北纬80度线，在那里“北斗一号”卫星系统的经度测量精确度可以与GPS系统相媲美。这个比较也是建立在两个系统存在着所有其它来源误差相同的假设基础之上的。更加有趣的是，如果用户所处的海拔高度增加上百公里，那么系统在北纬地区的精确度还会随之相应增加。

　　◆ 未来的改进？

　　中国国家航天局已经宣布，“北斗”卫星系统的精度并不能满足绝大多数的陆上用途，包括铁路和公路运输，而且肯定也不会为其所接受。然而，中国很有可能继续发射卫星以充实目前的星座数量，来获取可接受的精度。如果中国希望继续发展这一地区性导航系统，一个方法就是向所谓的“闪电”轨道再发射另外4颗卫星。“闪电”轨道指的是一种大椭圆轨道，范围从近地点高度的1000公里到远地点高度40000公里，卫星运行周期为12小时。入轨时卫星的轨道倾角大约63度，这样可以防止卫星向东或向西漂移出轨道。保持4颗这样的卫星将确保用于导航目的时至少有一颗卫星处于最佳位置。

　　如果这样一个附属星座加入到“北斗”系统，它仍然是一个区域性卫星导航系统，精度也只有GPS/NAVSTAR系统的二分之一或三分之一。然而这样用户却再也没有必要随身失事携带原子钟了，因为用户在任何时候它都可以接收到4颗卫星发射出的信号。尽管中国肯定已经具备了将这种卫星送入“闪电”轨道的能力，但它以前却没有这样做过。考虑到中国在发展武器系统方面一贯深思熟虑的作法，估计中国首先可能会入轨一颗单独的北斗卫星，然后经过一段时间对这颗卫星的多种功能进行测试，例如高度控制-保持卫星的一个表面始终朝向地球，而太阳电池板的表面则指向太阳，以及对卫星在这种大椭圆轨道上进行至少一年的位置保持和跟踪。只有当时机成熟时，中国才会将另外3颗卫星送入“闪电”轨道。

　　作者认为，对于中国来讲，高度控制和轨道位置保持这两个环节才是操纵“闪电”轨道卫星最困难的事情。就像上文所提到的，导航卫星的运行轨道必须非常精确，否则轨道测量的任何失误都将对用户定位产生直接而巨大的影响。

　　地面控制站可以利用多种方法测算出地球同步卫星更加精确的轨道位置。通过向卫星发射定时信号，然后接收应答信号，这样就能很容易地算出卫星的径向距离，另外采用“波瓣”技术-在两张坐标稍有不同的天线方向图上测量无线电相对往返的过程，也能够得出卫星的角位置。毫无疑问，中国在过去两年时间里一直在发展这两种技术，但是要测算“闪电”轨道卫星的位置，中国还须要做出更大的努力，采取新式不同的操作技巧。

　　◆ 战略武器的使用

　　作者认为，如果中国打算建立一个精度更加接近GPS系统的地区性卫星导航系统，那么在卫星的数量上至少翻上一番，而且还要将它们送入无任何经验可寻的“闪电”轨道。

　　精度不足以制导常规弹药的一个系统，却可以改进战略武器的精度，这看起来有点自相矛盾。然而，“北斗”系统就是如此。它可以使用两种方法将中国的战略弹道导弹(ICBM)的精度极大提到到1公里以内。一种方法是通过速度测量来决定主发动机的关闭点，这在后来证明是行不通的。第二种方法是对助推段后飞行器或总线实施制导，这种方法不但可以将导弹的精度提到到1公里以内，而且也使得中国得到了多弹头分导再入飞行器(MIRV)的技术。

　　美国和苏联的经验说明，导弹精度、核武器当量以及核态势这三个不可分割因素构成了核威慑的整体。因此，在探讨“北斗”导航系统如何能够在现有的3颗卫星几何排列的基础之上改进战略弹道导弹的精度之前，有必要考虑中国核态势的主要内容。

　　中国的核威慑依赖的是一支目标对准对手人口中心的小规模、生存能力较强的报复性力量。该国目前的核武库据估计包括大约20枚能够使用的战略弹道导弹，打击距离可达美国本土。这些导弹均为东风-5A(北约称为CSS-4)二级液体助推导弹，射程13000公里，每枚导弹据信携带有一枚热核弹头，威力为2-3百万吨TNT当量。尽管有报道称中国取消了几个多弹头再入飞行器技术的研究项目，但东风-5A导弹具有着很强的机动性和生存能力。这种导弹平时未加注燃料储存在坑道内，一旦需要它可以迅速转移出来进入发射平台，整个发射准备工作能在60分钟内完成。一些分析人士相信中国正在对其核力量实施现代化，最早可能在2005年，东风-5A型导弹将会被一种更先进的固体燃料弹道导弹所取代。

　　关于东风-5A导弹的精度有不同的报道，范围从500米的径向概率偏差(CEP)-表示来袭导弹将降落在这些半径范围以内，至3500米CEP不等。数百万吨级的核弹头无论击中此范围以内的任何一点都会毁坏整个城市(一枚300万吨级的核弹头可以夷平半径6.5公里以内的所有建筑，并引发大火和重大的人员伤亡)。然而，如果中国确实在其战略弹道导弹上安装了多弹头分导再入飞行器，那么它就需要生产和部署更小、更灵活的核装置，其核弹头的当量相应也会更小。这样一枚分弹头可能的当量也许只有150至350千吨TNT，如果是这样的话，仅仅一枚也会破坏半径2.5公里以内的所有建筑，同样也会引起火灾和严重的人员伤亡。当量越小，中国可能愈加感觉到有必要加强导弹的精度，然而即使导弹的径向概率偏差比较接近外电报道的500米最小估计值，如果中国打算使用这些低当量核武器对多个城市进行打击，它还需发展一种制导精度大致相同的总线技术。

　　◆ 定位与速度控制

　　对战略弹道导弹进行制导与控制是一项非常复杂而艰巨的工作。在发动机点火4分钟后，导弹燃尽时速度即主动段结束时的速度超过7000米/秒，经历7次重力速度后，导弹载荷的速度必须控制在原定速度加减6厘米/秒的速度隙缝范围以内。速度上的这种微小差别会对导弹的飞行弹道造成极大的影响。例如，将弹头燃尽时的速度增加6厘米/秒，弹头的最大飞行高度就会相应地增加100米，而且在飞行弹道的其它阶段，这种高度上的差别还会继续增加，造成了射程上的最终区别。

　　由于中国的东风-5A导弹并没有安装助推段后飞行器用于对第二级火箭燃尽后的弹头速度进行修正，因此导弹上的制导与控制系统必须将第二级火箭的推力终止在一个精确的水平上，这就是人们常说的发动机停车。控制弹头的射程就要控制燃尽时速度，如果指令要求精度在500米，那么燃尽时速度最好是在10000米/秒。与更现代化的固体燃料弹道导弹相比，液体燃料的东风-5A导弹做到这一点可能更为容易，因为液体发动机在飞行的最后几秒钟时间里会降低速度，因此也就减少了加速度，决定正确的发动机关闭时间也会更加容易。

　　如果中国为东风-5A导弹改装固体燃料助推器，作为对其实施现代化改进的一部分，那么在精确控制燃尽时速度方面难度可能会增大。想法做到发动机精确停车，中国可以采取美国民兵和海神弹道导弹曾经使用过的原理：在导弹发动机的上未端加装连接有爆破引信的发动机停车阀柱(塞)或气门，用于突然减少发动机内部的压力以及燃气和推力。当然导弹的制导和控制系统必须非常精确地决定发动机停车的正确时间，并且还要在当发动机处于最高加速度时，否则将会加剧弹道的速度偏差。

　　中国可能利用其卫星导航系统改善导弹精度的一个方法将包括测量卫星射向地球信号所产生的多普勒频移。卫星向地面实际发出的无线电频率与用户接收到的信号频率有差额，这个差额就称作多普勒频移。这种微小差额与导弹的速度是成正比的，当导弹达到理想的速度和方向时，就在这一精确时间点上做到发动机停车。另外，“北斗”星座内的3颗卫星也使中国具备了测量导弹速度所有3个要素的能力，这不仅包括弹道上任何一点的速度，而且还能测量横向距离偏差。

　　这种方法以前曾经被使用过。二战期间的德国在其V-2导弹上不但进行了使用多普勒频移技术来关闭发动机的试验，而且实际上也部署了一些具备这种能力的V-2导弹。中国的战略弹道导弹与德国短程V-2导弹的一大区别是两者要求的速度测量精度。像上文所提到的，如果中国打算使用多普勒频移来决定发动机关闭时间，就需要测量出每秒只有几公分的速度差别。然而，测量一个多普勒频移就只有短短的有限的时间，这个过程就像是在两条类似的电波上作比较，寻找出它们的差别所在。导弹上的测量装置必须要在半秒钟的时间里测量出导弹速度，而且精度不能低于6厘米/秒。假设“北斗”卫星是在6兆赫的波段上向外发送信号——我们知道这是中国卫星的工作频率，如果中国想使用更低的频率或是要求更高的的精度——比如对应地面50米的径向概率偏差，那么测量多普勒频移所要求的时间就会增加。

　　要想在这半秒钟时间里，测出所需精度的东风-5A导弹的速度，那么导弹的速度变化将会达到35米/秒，这就极大地超出了6厘米/秒的精度。而且要想测出主动段结束时所需精度的弹头速度甚至也会变得更加困难，因为在测量多普勒频移的同时，光是重力就会引起4.5米/秒的速度变化。这样，如果中国想在一定的时间里测出所需精度的弹头速度，它必须将其导航卫星的频率提高至少1000倍。从这里我们可以得出结论，目前中国的导航卫星还无法利用测量所需精度的弹头速度这种方法来提高其战略弹道导弹的精度。

　　◆ 测量位置，推力速度

　　中国能利用它的3颗卫星来改善其战略弹道导弹的精度，通过对助推段后飞行器的位置进行多次测量。速度稍有差别的弹头，它的弹道在空间的飞行路线也是不同的。这种方法就是充分利用了这样一个理论。在这种情况下，中国将会使用其生产或外购的标准加速仪来终止导弹的推力，最终速度精度可能只有1米/秒左右，与之相对应的目标精度几乎达到10公里。

　　如果中国的弹道导弹装备了助推段后飞行器，而且它所携载的弹头速度能够在一秒钟的时间内改变几米的话——这一数值是一台先进发动机及其相关燃料容积所必须要求的，那么中国还是可以承受弹道导弹速度上的不精确性的。在主助推器燃尽时，卫星总线将首先经过一段时间来确定导弹的位置，这一时间要足够卫星来区别出速度差只有每秒几公分区别的弹道轨迹。这一过程最多不能超过600秒，可能会更少。到那时，总线将解锁特别设计的加速仪，并将其设置在卫星导航系统所确定的环境中，或者只需要重新启动主惯性制导装置也行。任何一种方法都能避免导弹制导系统在主助推器动力飞行阶段可能产生的计算失误。新的制导装置届时将由卫星总线启动用于控制发动机以此来修正速度，另外它也能够多次改变总线速度。如果总线运用的是多弹头分导再入飞行器技术的话，那么每到一个新弹道，总线都会释放出一枚弹头。

　　弹头或助推段后飞行器在其飞行的27分钟时间里，都处于所有3颗卫星的监测之下。这就使得卫星总线可以长时间、多次对其位置进行测量，进而推断出精确度非常高的导弹速度。地基导航系统不可能有这么长的测量时间，因为导弹很快会消失在地球圆形表面之下。很明显，如果助推段后飞行器想要达到所需的精度的话，它就需要这段时间来决定本身的速度。卫星在主动段结束后的前几百秒估计的偏差与导弹的实际偏差大致相同。然而，由于系统每隔一秒或两秒时间测量一次总线的位置，因此它最终还是能够分别出速度上的差别。另外，系统还可将弹道高度差别纳入速度差别的分析当中。

　　◆ “北斗”系统对中国核作用的影响

　　作者认为，一个系统理论上的能力并不能决定其是否可以用于特殊场合。中国的北斗卫星导航系统尽管不适合常规及陆上用途，但却很适合战略弹道导弹的制导与控制。如果北斗卫星系统的目的就是用于改进中国弹道导弹精度，那么西方就有必要考虑中国的核态势。

　　在美国和苏联的核较量中，改善核弹头精度一直与第一次核打击能力联系在一起，打击的目标要么针对对方的核力量(在发射前毁坏对方导弹发射井)，要么是对方的指挥与控制设施。然而，如果中国打算获得第一次打击能力，它就不得不实施一项大规模采购项目，而不仅仅是现代化这么简单。对美国民兵战略弹道导弹进行第一次打击至少需要500枚核弹头：在《第二阶段消减核武器协议》的限制下实现“一对一”打击。即使中国为每枚战略弹道导弹安装3枚分导弹头，那么它的导弹数量至少还需要增加8倍，更不用提500枚核弹头了。当然，美国还有数量不斐的战略轰炸机及三叉戟弹道导弹核潜艇作为报复力量。即使中国想对美国的指挥及控制设施实施第一次核打击也成问题，因为美国为了抵抗苏联的第一次核打击相继兴建了许多预备指挥中心。

　　作者认为，中国致力于的一个选择性战略，可能是运用“北斗”卫星导航系统为安装有分导弹头的战略导弹提供制导，这也不需要对导弹精度作多大的改进。中国可能正在努力增加目标瞄准美国城市的导弹数量。“北斗”卫星这样一个用于战略弹道导弹的导航系统，也可以看作是中国对抗美国部署更加现代化的国家导弹防御系统而作出的一个反应。实际上由于启动该系统耗时较长，因此在美国的天基追踪系统确定了一个飞行弹道，第一枚拦截导弹就要击中目标之前，此时助推段后飞行器可能还正在作机动飞行。这样的机动飞行，再加上中国肯定已经掌握的廉价的弹头诱饵技术，对付美国地基拦截导弹无疑非常有效。□ 赵国栋 编 译

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