GPS PK 北斗
唐望

好友（兼車友）宗翰兄三月中轉來一則有關北斗衛星的視頻簡介，並問我的看法。由於剛好那時北斗完成佈署前倒數第二顆衞星順利升空，五月送最後一顆到太空後，這個系統就正式大功告成。這個北斗視頻簡介一定是中國宣傳大隊，號召他們的御用網軍，向全世界宣告美國全球衞星定位系統(Global Positioning System or GPS)已經落伍了，未來的霸主是北斗，真的是這樣嗎？

公元前六世紀西方社會就已經公認地球是圓的。公元十七世紀，牛頓在研究地球自轉的離心力對地球形體的影響時，推斷地球形狀不是標準球體，而是一個略為扁平的橢圓球體，就像一個排球，用兩手掌心上下一壓所形成的様子。但是地球到底有多扁？隨著科技的進步，二十世紀中之後，人類開始制定全球大地坐標系統（World Geodetic System or WGS)。這個座標系統以想像的地球質量中心為球心點，從那個中心點到赤道和通過格林威治天文台子午線(Meridian)的交點為x軸、從球心點到北極為z軸、而y軸則是和x、z兩軸正交。譬如說把右手的拇指、食指、中指這三指指向三個相互垂直的方向時，食指是x軸、中指是y軸、拇指則是z軸。這個橢圓球體的半徑在x軸和y軸所形成的赤道平面上較長，叫做長半徑（a)，在通過北極z軸的半徑較短，叫做短半陘（b)，其扁平率 = （a - b) / a 。在1984年所製定、而被GPS採用最新的坐標系統叫WGS84，這個坐標系統明定 a = 6378137m 、b = 6356752.3142m 、扁平率 = 1 / 298.257223563。

GPS太空部分由24顆以上環繞地球軌道運行的衞星組成，平均分佈在六個軌道平面上，每顆衞星都在高度同一是20,200km的軌道向地球發射相同頻率的無線電訊號。訊號的內容除定位用的數位碼之外，還包括可以精準算出衞星位置的軌道參數，用白話文說就是每顆衞星都全天候的告訴使用者它是什麼時間、在什麼地方。在地球表面附近的使用者收到四顆以上衛星的訊號後，可以量出這些訊號從衛星傳送到使用者所需的時間，再從這個時間乘上光速得到距離，由此來推算出使用者的位置(經度、緯度、高度)。那麼有人會問為什麼要四顆衛星的呢？不是只要有三顆衛星的訊號就可以解出使用者三度空間的位置嗎？這主要是因為衞星之間的時間，都經過地面控制中心的同步調整成一致，但是使用者的時間和衛星的時間有一個時間差，這是一個未知數，必須要有第四顆衞星的訊號才能解出來。早年只有第一代GPS衛星的時候，有些使用者不會太在意高度的資料（譬如海軍軍艦在大洋中），只要算出東西南北兩度空間的位置時，只要有三顆衛星的訊號就可以算出答案。現在全球任何角落、任何時間，都幾乎可以收到10顆以上衛星的訊號，這個問題已不再被提及了。

我1984年來聖地牙哥 General Dynamics Convair Division（GDC) 服務時，第一件工作就是設計一套以 GPS 接收機為主體，評估戰斧型巡弋飛彈(Tomahawk Cruise Missile)導航系統的精確度。當時太空中只有六、七顆 GPS 第一代衛星，而在聖地牙哥只有早上六點鐘左右才可以收得到四顆以上衛星的訊號，因此常要在早上六點，到 Camp Pendleton 海軍陸戰隊士兵宿舍的屋頂上，記錄 GPS 的數據。有一次我在屋頂的時候，突然有人從下面投擲空啤酒罐到屋頂，有一個還差點打到我，可見這個新工作有一點職業風險。

當年在GDC的 Guidance, Navigation & Control (GNC) 部門並沒有把 GPS 當成一個重要選項，大都專注在傳統的地形導航（Terrain-Aided Navigation or TAN)。我曾經參與一個計劃叫 Medium-range Stand Off Weapon or MSOW，除了美國之外，有四個 NATO 的國家參與：英國（BAE Systems)、法國（Aerospatiale)、德國（Dornier) 和義大利（Alitalia)（註：開始時西班牙有參加，但是後來退出。）我那時一直鼓吹 GPS 的優勢，強調 TAN 任務計劃（Mission Planning ）的費用太太貴了。但是那些友邦朋友們都堅持要用 TAN，因TAN是已經證實可行、並已佈署的系統，而且他們還全體一致的反駁我說，共同的敵人- 蘇聯會在全國每一根電線桿上裝 GPS 干擾器，讓我無話可說。（註：我曾在1983年3月在IEEE Transactions on Automatic Control 發表一篇有關 TAN 的論文，也因這篇論文，被一位GDC的獵頭者（head-hunter)相中，才搬到聖地牙哥。那篇論文可在此看到：https://ieeexplore.ieee.org/document/1103233）

對於GPS 是否會很容易的被干擾一事，我要解釋一下。開始純軍用的 GPS 有兩類數位碼：精確測碼P/Y code(10.23 MHz) 和粗捕獲碼C/A code(1.023 MHz)，頻率相差10倍。原始的設計中，粗捕獲碼C/A code 只是用來做為可以解碼精確測碼 P/Y code 的敲門磚，讓一週（week)都不會重複的數位碼，比較容易收尋到。舉例來說，如果要從高雄去登玉山，要先搭台鐵到嘉義、再搭糖廠小火車到東埔，乘大眾交通工具的這一段路，像用 C/A code 可把你很快的帶到東埔，再用 P/Y code 帶你從塔塔加鞍部徒步上山登頂。

1983年9月1日，一架大韓航空KAL007航班從紐約起飛、經過安克拉治，準備飛回漢城時，由於慣性導航系統的偏差，誤入蘇聯的領空，又被蘇聯的軍機誤認為是美國的間諜機，而遭空對空飛彈擊中，掉落在庫頁島和北海道之間的海域，共269人喪生，無人生還。雷根總統在1983年9月16日宣布，一旦GPS完成佈署後，將會開放C/A code 給全球民航客機，以免日後發生類似的意外。但是雷根總統為了國家安全，把C/A code 加入可選擇的可用性（Selective Availability(SA))就是把C/A code 故意加入一些人造的雜訊，增加誤差，使精確度從5 - 10m左右，降至100m，真是煞風景。幸好克林頓總統上任後，在2000年5月2日把SA拿掉，取消對民用訊號的干擾，並以總統之尊向全世界保證今後GPS系統永不改變。從那天所收集到的數據可以看出SA取消後，圓型誤差circular error 只有2.8m ，球型誤差spherical error 只有4.6m，真是大快人心。

1995年6月9日，李登輝總統以傑出校友的身分回到他的母校康乃爾大學參加畢業典禮，並已「民之所欲、長在我心」為題，發表演說，提出「中華民國在台灣」的國家定位，此舉引起中華人民共和國極度不滿，引發台灣海峽飛彈危機。1996年3月8日凌晨解放軍在福建永安發射四枚裝有GPS的東風15導彈，目標是高雄西南方約100海里的外海，前兩枚很精準的擊中目標，而後兩枚竟然有數十海里的誤差，讓解放軍百思不解，後來才發現原來是美國在後兩枚導彈發射後，立刻把附近的GPS訊號關掉，讓這兩枚導彈像無頭蒼蠅一樣亂飛。

受到美國這次的暗槓之後，美中在三年後發生了一件衝突 - 美軍轟炸中國駐南斯拉夫大使館事件。美國在1999年5月7日23:45從一架B-2隱形書轟炸機向中國駐南斯拉夫大使館投擲五枚聯合直接攻擊械彈（Joint Direct Attack Munition or JDAM)，造成三人死亡。據傳美國這次蓄意的轟炸，是因為美國有一架F-117 Nighthawk 隱形戰鬥轟炸機在1999年3月27日在南斯拉夫境內被一位南斯拉夫陸軍中校，用一種很落伍的俄製地空飛彈擊落 ，雖然機師在八小時後被救出，部分較敏感的飛機殘骸如有隱型塗料的表皮和可耐高溫的引擎噴口，則被送到中國駐南斯拉夫大使館的地下室，供中國軍事專家研究，這成為美軍轟炸中國駐南斯拉夫大使館不可吿人的原因。

中共解放軍發現美國的GPS不可靠之後，開始找尋擺脫對GPS依賴的替代方案。2000年啟動北斗衞星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System, 簡稱「北斗」或 BDS)的研究和開發，並完成北斗一號系統，該系統由三顆在靜止軌道衛星，向中國各行各業提供各式服務。2004年啟動北斗二號系統的建置，2012年完成14顆衞星發射組網，其中包括5顆地球靜止軌道衞星、5顆傾斜地球同步軌道衞星和4顆中圓地球軌道衛星，為亞太地區提供服務。2009年啟動北斗三號系統建設；2020年5月將完成30顆衞星組網，為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救服務。

和GPS相比，北斗有下列幾個特色：
1. 可傳送700字以內的短信。2008年汶川地震時，解放軍擕帶北斗導航系統深入災區，當時所有傳統的通訊手段都失效後，北斗短信的功能，成為對外唯一雙向溝通的管道。雖然這個功能廣被宣傳、而有GPS沒有的優勢，筆者對這項功能持保留態度，因為一般普羅大眾如果沒有事先註冊，加上又要付費，除了官方（如緊急救援）單位會使用外，它的作用實在有限。
2. 大量使用同步衛星來定位。這個功能可以強化中國大陸某些區域的精確度，但是因為同步（或靜止）衞星的軌道高度是35786km 而中圓地球軌道高度約21500km，要接收這兩類強度不同的訊號時，會增加接收機設計的複雜性。此外重視同步衛星的應用，表示北斗本身的設計，就把中國人和外國人區分開來、重本國人而輕外國人，這不是大國應有的風範。
3. 北斗三號衛星系統不是單顆衞星，而是組網衞星，衛星之間可相互連絡，組成網路，這是GPS目前所缺乏的。
目前北斗已經非常接近完工的時候，但是它在中國大陸的普及率還不到七成，絕大多數都用GPS，這是個非常現實的狀況，蘋果手機到現在iPhone X都一直不和北斗掛鈎其來有自。
第二代GPS在1993年底就已經完成基本建置，比北斗足足早了27年。2018年12月23日笫一顆第三代GPS衛星升空，2019年8月22日第二顆也進入軌道。第三代GPS將把第二代GPS民用的定位精確度從3m提升至1m，提升3倍，軍用的定位精確度也想當然成比例的提升。第三代GPS系統將提升8倍抗干擾度，衞星的壽命也延長到15年，第三代GPS完成建置後，我想又可再次領先北斗至少20年。