趙大海,宗 剛

(北京工業(yè)大學經濟管理學院,北京100124)

0 引 言

2005年12月18日,由斯達西姆公司經營的俄制聯(lián)盟-弗雷蓋特運載火箭從拜科努爾發(fā)射場升空,將歐洲“伽利略”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第一顆驗證衛(wèi)星送入軌道。標志著由歐空局和歐盟聯(lián)手建造的“伽利略”系統(tǒng)向全面投入使用邁出了第一步。

“伽利略計劃”的醞釀開始于1990年,歐空局(ESA)決定研制“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)”。GNSS分為兩個階段:第一階段是建立一個與美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)以及三種區(qū)域增強系統(tǒng)均能相容的第一代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS-1);第二階段是建立一個完全獨立于GPS和GLONASS之外的第二代全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS-2),也就是伽利略系統(tǒng)。伽利略系統(tǒng)將實現(xiàn)歐洲擁有自己獨立的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的長遠目標。

“伽利略”原計劃的實施可分為三個階段。包括前期論證工作、研制和鑒定階段(2001-2005年),有三項工作,即整合任務要求、研制衛(wèi)星及地基設施和對系統(tǒng)進行在軌鑒定。部署階段(2006-2007年)的任務有兩項,即建造和發(fā)射衛(wèi)星以及全面安裝地面段。從2008年起,項目進入商業(yè)運行階段(因各種原因,已推遲)。

“伽利略”將是歐洲自己的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng),可在民用部門控制下提供高度精確的、有保障的全球定位服務。它將與另兩個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)——美國的“全球定位系統(tǒng)”(GPS)和俄羅斯的“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”(GLONASS)兼容。用戶可利用同一接收機從不同組合的衛(wèi)星獲得定位信息。不過,通過把雙頻工作作為標準配置,“伽利略”將提供高達米級的定位精度,民用精度可達6 m,這是以往面向公眾的系統(tǒng)從未達到過的[1-6]。

1 系統(tǒng)組成

全面部署后的“伽利略”系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成,其中27顆為工作星,3顆為在軌熱備份星。按設計,衛(wèi)星將分布在地球上空23222 km的圓形中地軌道(MEO)面上,各軌道面相對于赤道面的傾角為56°。衛(wèi)星全部部署到位后,“伽利略”的導航信號即便對緯度高達75°(與北角對應)乃至更高的地區(qū)也能提供良好的覆蓋。由于衛(wèi)星數量多,星座經過優(yōu)化,加上有3顆熱備份星可用,系統(tǒng)可保證在有一顆衛(wèi)星失效的情況下也不會對用戶產生明顯影響。

該系統(tǒng)將在歐洲設立兩座伽利略控制中心(GCC),以對衛(wèi)星進行控制,并對導航任務進行管理。由20座伽利略傳感器站(GSS)構成的一個全球網絡所提供的數據將通過一冗余通信網傳送給伽利略控制中心?？刂浦行膶⒗脗鞲衅髡镜臄祿碛嬎阃旰眯孕畔?并對所有衛(wèi)星和地面站時鐘的時間信號進行同步?？刂浦行呐c衛(wèi)星間的數據交換將通過所謂的上行站來完成,為此將在全球各地建設5座S波段和10座C波段上行站。

“伽利略”系統(tǒng)另一個特點,就是具有全球搜索與救援(SAR)功能。這項功能利用了現(xiàn)有的“科斯帕斯-薩爾薩特”搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。為實現(xiàn)這一功能,每顆衛(wèi)星要配備一臺能把遇險信號從用戶發(fā)射機發(fā)給救援協(xié)調中心以啟動救援行動的轉發(fā)器。同時,該系統(tǒng)還能向用戶發(fā)送信號,告知其所處險境已被探測到及救援工作已經展開。這項功能屬于新發(fā)明(中國COMPASS系統(tǒng)的短信功能與此類似),被認為是對現(xiàn)有系統(tǒng)的一項重大改進?，F(xiàn)有系統(tǒng)不能向用戶提供反饋信息。

2 系統(tǒng)特點

伽利略系統(tǒng)可以實現(xiàn)與GPS和GLONASS的兼容,其接收機可以采集各個系統(tǒng)的數據或者通過各個系統(tǒng)數據的組合來實現(xiàn)定位導航的要求。

伽利略系統(tǒng)確定目標位置的誤差將控制在1 m之內,明顯好于現(xiàn)在使用的GPSⅡ提供的3 m的定位精度,比俄羅斯的GLONASS提供的10 m的軍民兩用信號更優(yōu),與未來建設的GPSⅢ技術指標接近[3-5]。伽利略系統(tǒng)僅用于民用,并且為地面用戶提供3種信號:免費使用的信號;加密且需要交費使用的信號;加密并且需滿足更高要求的信號。免費服務信號與GPS民用信號相似;收費信號主要指為民航和涉及生命安全保障的用戶服務。

按照“伽利略計劃”的最初設想,系統(tǒng)的定位精度將達到厘米級,人們將其與GPS再次做了對比,形象的比喻說:如果GPS能找到街道,那么伽利略則可以精準得找到車庫門。因此通過伽利略系統(tǒng),精準的定位已經不是一句空話。伽利略系統(tǒng)由于采用了許多較GPS和GLONASS更高的新技術,使得系統(tǒng)更加靈活、全面、可靠,并且可以提供完整、準確、實時的數據信號。伽利略系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射信號功率較GPS的大,所以在一些GPS系統(tǒng)不能實現(xiàn)定位的區(qū)域,伽利略系統(tǒng)可以很容易克服干擾并進行信號接收,例如高緯度地區(qū)、中亞以及黑海等地區(qū)。

總之,伽利略系統(tǒng)的建設是一個經濟、實用、高效、先進的系統(tǒng),它的建立與應用,將給美國GPS一統(tǒng)天下的局面帶來很大的沖擊。

3 提供服務項目

雖然提供的信息仍還是位置、速度和時間,但是伽利略提供的服務種類遠比GPS多,GPS僅有標準定位服務(SPS)和精確定位服務(PPS)兩種,而伽利略則提供6種服務,他們是:

1)公開服務(Open Service)

與GPS的SPS相類似,這種服務免費提供給全球的使用者。

2)商業(yè)服務(Commercial Service)

商業(yè)服務是對公開服務的一種增值服務,以獲取商業(yè)回報。比如,在公開服務中添加加密的數據,通過伽利略導航定位系統(tǒng)和無線通訊網絡的結合實現(xiàn)航空通信等。

3)生命安全服務(Safe-of-Life Service)

它可以同國際民航組織(ICAO)標準和推薦條款(SARs)中的“垂直制導方法”相比擬,并提供完好性信息,這種服務一般只用于交通運輸、船只入港、鐵路運輸管制和航空管制等。

4)公共規(guī)范服務(Public Regular Service)

這種服務只提供給歐盟成員國。提供了與歐洲密切相關的軍事、工業(yè)和經濟服務,比如:國家安全、緊急救援、治安、警察、警戒,以及緊急的能源、交通和通訊等。其衛(wèi)星信號更為可靠耐用,受成員國控制。

5)地區(qū)性組織提供的導航定位服務(Navigation Services to be Provided by Local Components)

這種加強的導航定位服務根據用戶的特殊要求通過區(qū)域性增強的系統(tǒng)向用戶提供。該服務可以提供更精確的定位和授時服務。

6)搜索與救援系統(tǒng)

伽利略搜索救援系統(tǒng)與國際通用的衛(wèi)星搜索救援系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)原理相同。但在性能上有了很大的提高。

4 關鍵技術

星上的兩種原子鐘—銣原子頻標鐘和無源氫脈澤鐘屬于其中的關鍵技術。將為衛(wèi)星提供時間基準的這兩種時鐘利用的是原子水平上的振蕩,每天產生的時間誤差將保持在百萬分之幾秒以內。

現(xiàn)今,我們已能通過測量導航衛(wèi)星廣播的信號到達我們所在位置所用的時間來確定我們在地球表面上的位置。信號是以光速傳播的,這意味著我們要能非常準確地測定遠遠小于1 s的時間。為此,就需要精確地知道信號是何時離開衛(wèi)星的,也需要精確地知道它是何時到達接收裝置的。我們可以聽聽歐洲空間研究與技術中心(ESTEC)時鐘專家和導航工程師佛朗哥?埃瑪的說法:“對于導航來說,時鐘是實現(xiàn)精確定位的決定性因素。以優(yōu)于每小時10億分之一秒的精度,‘伽利略'衛(wèi)星上的時鐘將能以不到45 cm的誤差進行定位,無論你身處地球上的任何地方?！?/p>

“伽利略”系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星都將攜帶兩臺時鐘,一臺基于銣原子頻標,另一臺則利用無源氫脈澤(即微波激射器)。這兩種時鐘所用技術不同,但原理是一樣的——若將原子從一個能態(tài)躍遷到另一能態(tài),則原子便會以極其穩(wěn)定的頻率輻射出相關的微波信號。這一頻率對銣鐘來說約為6吉赫,而對氫鐘來說則約為1.4吉赫。星上其它裝置可把這一頻率作為非常穩(wěn)定的基準,借以生成精確的信號,以供“伽利略”衛(wèi)星播發(fā)。所廣播的信號又可作為基準,使穩(wěn)定性較差的用戶接收機時鐘能不斷地重設其時間。

歐空局選用銣鐘和氫脈澤鐘是因為它們可在數小時內保持很高的穩(wěn)定性,同時也是因為相關技術能夠應用到伽利略”衛(wèi)星上。若任由它們無限期地運行,其精度會發(fā)生漂移,所以需借助更穩(wěn)定的地基基準時鐘定期地對它們進行同步。這些地基時鐘包括基于銫頻標的時鐘,其長期穩(wěn)定性要遠高于銣或氫脈澤鐘。地面上的時鐘還要生成所謂的“伽利略系統(tǒng)時間”。

“伽利略”衛(wèi)星上所用的時鐘是由歐洲研制制造的首批同類時鐘。?，斦f,美俄已有同類時鐘(如用在GPS和GLONASS上的時鐘),但歐洲需要有其自主的能力。無源氫脈澤鐘實際上是首臺用于飛行的同類時鐘。先期發(fā)射的兩顆試驗衛(wèi)星將對這兩種星鐘進行驗證。

5 星座建設規(guī)劃

如上所述,全面投入使用的“伽利略”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)將有30顆衛(wèi)星,部署在傾角56°的三個中地軌道面上,每個軌道面布設10顆衛(wèi)星。衛(wèi)星繞地球運行的軌道周期為14 h。每個軌道面上設1顆熱備份星,以防有工作星失效。歐空局規(guī)劃和工程技術人員是在經過充分考慮后才選擇這樣一個星座構造的。把30顆衛(wèi)星部署到這樣的高度上,地球上任何地方的任何人總能“看”到至少4顆衛(wèi)星并利用其播發(fā)的測距信號實現(xiàn)定位的概率是很高的(超過90%)。所選的軌道傾角能保證對美GPS系統(tǒng)無法有效覆蓋的高緯度極區(qū)有良好的覆蓋。在大多數地方,用戶總能看到6～8顆衛(wèi)星,從而能實現(xiàn)非常精確的定位,精度可達數厘米。在有高大建筑的城市里,路上的用戶有很大的把握能有足夠的過頂衛(wèi)星可用,尤其是“伽利略”系統(tǒng)還與擁有24顆衛(wèi)星的GPS兼容。

那么如何來建設這樣一個衛(wèi)星星座,并保證每顆衛(wèi)星隨時都精準地處在正確的位置上呢?這項精細的工作將分幾個階段來完成。

首先,歐空局要在2005年底用聯(lián)盟號火箭發(fā)射一顆試驗衛(wèi)星(已發(fā)射),隨后還將發(fā)射第二顆試驗衛(wèi)星?！百だ浴毙l(wèi)星上配有磁力矩器和反作用輪,可幫助衛(wèi)星保持正確的軌道。但衛(wèi)星上并未配備用于機動到正確軌道的發(fā)動機,因此就要求運載火箭必須把衛(wèi)星直接送入正確位置。

試驗衛(wèi)星被部署在第一軌道面上,將在那里對星上設備和地面站功能進行試驗。發(fā)射試驗衛(wèi)星還有一個目的,就是要保住國際電聯(lián)分配給“伽利略”系統(tǒng)的頻率資源。這項試驗工作將持續(xù)兩年半的時間。首先要測試星上兩臺原子鐘的性能。隨后信號發(fā)生器將開機工作,以各種調制特征提供試驗信號。測試期間,星上的科學儀器將測量軌道面周圍的各種空間環(huán)境參數,特別是輻射水平。那里的輻射水平要高于低地和靜地軌道。

第二步,歐空局將利用兩種運載火箭發(fā)射前4顆工作星。其中前2顆將部署到第一軌道面上,而后2顆將發(fā)射到第二軌道面上。這4顆衛(wèi)星加上部分地面段將借助先進的系統(tǒng)仿真設備對“伽利略”系統(tǒng)進行總體鑒定。隨后將有2顆衛(wèi)星被送到第三軌道面。完成系統(tǒng)鑒定后,“伽利略”星座部署進入最后一個階段,即盡快完成星座剩余部分的建設,以便能向用戶提供全面的服務。剩下的衛(wèi)星將由阿里安5等重型火箭發(fā)射。

6 項目進展

伽利略系統(tǒng)包括30顆導航衛(wèi)星及其相關地面設施,按照歐盟的最初設想,“伽利略計劃”的安排共分為4個階段。

第一階段:系統(tǒng)的可行性評估或者稱之為定義階段。2000年底已完成。

第二階段:研發(fā)和在軌驗證階段。

此階段的計劃時間為2001年-2006年,主要是系統(tǒng)的研發(fā)和檢測階段。2005年12月28日,由英國薩瑞衛(wèi)星技術公司研制的首顆在軌驗證衛(wèi)星的實驗星GIOVe-A成功發(fā)射,標志著“伽利略計劃”在軌驗證階段邁出重要一步。按計劃,第二顆實驗衛(wèi)星GIOVe-B應于2006年4月發(fā)射以確保國際電信聯(lián)盟把已分配給伽利略系統(tǒng)的頻率繼續(xù)保留給其使用,后來由于種種原因,該顆衛(wèi)星推遲至2008年4月27日在位于哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心成功發(fā)射并入軌后運行良好。2009年6月15日,歐空局“伽利略計劃”主任與阿里安航天公司CEO在巴黎航展上簽署協(xié)議:使用兩枚“聯(lián)盟”火箭從歐洲的法屬圭亞那發(fā)射場發(fā)射首批4顆“伽利略”衛(wèi)星,到2010年底,4顆“伽利略”衛(wèi)星將進入2.36萬公里高空的橢圓軌道運行。4顆伽利略工作星發(fā)射成功后才標志著進行真正意義上的空間、地面和用戶聯(lián)合在軌驗證試驗[4]。

第三階段:部署與建設階段

此階段的計劃時間為2006年-2008年,主要任務是衛(wèi)星的發(fā)射布網、地面站的架設、系統(tǒng)的整機聯(lián)調。顯然,此階段已經推遲進行,并且此階段是整個計劃耗資最大的階段。由于計劃所需的20億～22億歐元的經費遲遲沒有落實,“伽利略計劃”的建設進程一拖再拖,直至2007年11月23日,歐盟財長達成一致意見,同意從歐盟農業(yè)補貼預算余款中支取24億歐元填補“伽利略計劃”的資金空缺。這一舉措最終解決了實施“伽利略計劃”的資金問題。

第四階段:系統(tǒng)商業(yè)運行階段。

此階段計劃于2008年底開始,系統(tǒng)原先預計到2014年達到收支平衡、實現(xiàn)獨立運轉的計劃將會被推遲。按照目前的系統(tǒng)建設情況,此階段肯定會推遲到2011年以后。

7 “伽利略”項目與中國合作

“伽利略計劃”本身就是一個國際合作的產物,是歐盟內的經濟和科技大國聯(lián)合打造的一個國際項目,美國和俄羅斯也都參與了合作,歐盟與他們的合作主要是為了滿足伽利略系統(tǒng)的信號與GPS及GLONASS系統(tǒng)兼容。美國已經和歐盟簽署了協(xié)議,協(xié)議除了就雙方在衛(wèi)星導航頻率、信號結構、信號調制方案的選擇與設計方面達成共識外,歐盟作出了更多的讓步,例如:同意在公共特許服務(PRS)信號頻率協(xié)調中做出讓步;承諾不向第三方轉讓衛(wèi)星導航關鍵技術及其PRS準軍用信號服務;允許美國在危機或戰(zhàn)爭時期對局部地區(qū)的伽利略信號進行干擾等。俄羅斯對“伽利略計劃”的態(tài)度與美國形成鮮明的對比,并且表現(xiàn)出積極的態(tài)度,不僅積極參與合作,而且提供了一定的技術支持。

中國于2003年9月18日與歐盟在北京簽署了合作協(xié)議,并于2004年10月9日,由國家遙感中心代表國家科技部與代表歐盟的歐洲伽利略聯(lián)合執(zhí)行體簽署了《關于伽利略計劃合作協(xié)議》,進一步明確了中歐雙方在“伽利略計劃”中的合作范圍與內容。至此,中國成為“伽利略”中的第一個非歐盟國家,標志著中歐“伽利略計劃”的合作進入實質性的操作階段。加入“伽利略計劃”,將使中國擁有該系統(tǒng)20%的所有權和100%的使用權,并能派團隊參與整個計劃的管理和運行。目前我國獨立研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)短期內還無法建成并投入使用,而美國GPS系統(tǒng)的安全性又無法滿足我國的使用要求,因此,參與“伽利略計劃”是一項明智且具有政治意義的重要舉措,它不僅使我國能夠分享世界先進科學技術的研究成果,而且還將帶動我國衛(wèi)星導航技術的進步,培養(yǎng)一大批高科技人才[5]。

8 結 論

衛(wèi)星導航已成為世界經濟發(fā)展的強大發(fā)動機,在美國和歐洲等發(fā)達國家得到廣泛應用的導航系統(tǒng)已產生了巨大的經濟效益。“伽利略”系統(tǒng)是歐盟為了打破美國GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在該領域的壟斷地位而自主研發(fā)的系統(tǒng),它具有更高的精度與可靠性,能夠滿足更多用戶的需求。中國對該項目的參與,必然能對COMPASS系統(tǒng)的技術進步和市場開發(fā)積累寶貴的經驗。

[1] Heinw P.The European satellite navigation system Galileo[M].Institute of Geodesy and Navigation U-niversity FAF Munich,2003.

[2] 王克平,邊少鋒,翟國君,等.Galileo與GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能比較研究[J].海洋測繪,2008,28(6):74-78.

[3] 王杰華.國外衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)最新進展及發(fā)展趨勢[J].數字通信世界,2008(10):58-61.

[4] 陳俊勇,黨亞明.全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的新進展[J].測繪科學,2005,30(2):9-12.

[5] 黃愛民.伽利略(GALILEO)系統(tǒng)對美國GPS的沖擊[J].測繪與空間地理信息,2007(3):41-44.

[6] 何紹改.凝心聚力再啟航—歐洲伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃重新啟動[J].國防科技工業(yè),2008(5):59-61.

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