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军工女学霸:美国想破解北斗系统还不如造时光机

中国科普博览   · 2016-06-27 · 来源:中国科普博览  

  北斗导航系统科学家徐颖: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。

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  北斗导航系统科学家徐颖 中科院“SELF格致论道”讲坛第六期

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  北斗导航系统科学家徐颖

  北斗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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