星鐘之殤—“伽利略”系統(tǒng)與“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”都面臨重大難題

Major Problems Faced by Galileo and IRNSS

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

進(jìn)入2017年，發(fā)生了2件可能影響未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展的大事件，歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)與“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（lRNSS）先后發(fā)生大規(guī)模的星鐘故障，6部氫鐘、6部銣鐘共12部星載原子鐘先后發(fā)生故障，涉及5顆Galileo衛(wèi)星、1顆lRNSS衛(wèi)星等6顆衛(wèi)星，其中1顆lRNSS衛(wèi)星的3部銣鐘全部發(fā)生故障，印度計(jì)劃2017年下半年發(fā)射補(bǔ)充衛(wèi)星；歐洲航天局（ESA）也將原計(jì)劃于2017年8月進(jìn)行的Galileo衛(wèi)星發(fā)射暫時(shí)推遲到了11月。

1 事件概況

“伽利略”系統(tǒng)星鐘故障

2017年1月19日，歐洲航天局官方發(fā)布Galileo衛(wèi)星星鐘故障通告，通告稱：歐洲Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模星上原子鐘運(yùn)行故障，涉及到在軌運(yùn)行的2種型號(hào)的5顆衛(wèi)星和2種類型的9部星載原子鐘（1部氫原子鐘被成功啟動(dòng)，未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)）。

2016年12月15日，歐盟與歐洲航天局宣布Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備初始運(yùn)行能力，開始提供初始服務(wù)，并發(fā)布了星座運(yùn)行狀態(tài)。截至目前，歐洲航天局已經(jīng)發(fā)射了20顆Galileo系列導(dǎo)航衛(wèi)星，除2顆早期的Galileo試驗(yàn)衛(wèi)星正式退役外，其余18顆衛(wèi)星均作為在軌運(yùn)行衛(wèi)星，包括4顆“伽利略-在軌驗(yàn)證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星和14顆“伽利略-全運(yùn)行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星。但實(shí)際投入導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星僅有11顆，另有2016年11月新發(fā)射的4顆Galileo-FOC衛(wèi)星處于入軌測(cè)試階段，1顆2012年10月發(fā)射的Galileo-IOV衛(wèi)星因電源故障正處于挽救之中，2014年8月發(fā)射的2顆Galileo-FOC衛(wèi)星因火箭故障未準(zhǔn)確入軌，主要用于技術(shù)試驗(yàn)。

每顆Galileo-IOV和Galileo-FOC衛(wèi)星均帶有2部銣鐘和2部氫鐘。因此，目前Galileo系統(tǒng)在軌運(yùn)行的18顆衛(wèi)星共裝備72部星鐘，其中銣鐘36部、氫鐘36部。正常運(yùn)行時(shí)，以1部氫鐘作為主鐘，為衛(wèi)星提供精確時(shí)間；以1部銣鐘作為熱備份鐘，保證導(dǎo)航服務(wù)的連續(xù)性；以另一部銣鐘和另一部氫鐘作為冷備份，在工作鐘發(fā)生故障后接替其工作。

從歐洲航天局發(fā)布的星鐘故障通告情況看，6部氫鐘發(fā)生了故障，其中5部氫鐘涉及3顆Galileo-IOV衛(wèi)星，1部氫鐘涉及1顆Galileo-FOC衛(wèi)星，因此至少有2顆Galileo-IOV衛(wèi)星星上的2部氫鐘全部發(fā)生故障；3部銣鐘發(fā)生了故障，涉及2顆Galileo-FOC衛(wèi)星。其中1顆Galileo-FOC衛(wèi)星銣鐘和氫鐘都發(fā)生了故障。歐洲航天局官員簡(jiǎn)·沃納（Jan Woerner）表示，任何1顆Galileo衛(wèi)星故障星鐘的數(shù)量不超過2部。

Galileo衛(wèi)星在軌狀態(tài)

從上述情況判斷，4顆在軌Galileo-IOV衛(wèi)星中，除1顆因電源故障停止工作外，另外3顆衛(wèi)星中，2顆衛(wèi)星裝備的2部氫鐘全部故障，1顆衛(wèi)星損失了1部氫鐘；發(fā)生星鐘故障的2顆Galileo-FOC衛(wèi)星中，1顆損失了2部銣鐘，另一顆則為1部銣鐘和1部氫鐘故障。目前，歐洲航天局和工業(yè)界已經(jīng)取得一致意見，認(rèn)為目前在研的Galileo-FOC衛(wèi)星星上銣鐘需要待故障原因查明后進(jìn)行技術(shù)修改。因此，初步?jīng)Q定原計(jì)劃于2017年8月進(jìn)行的Galileo-FOC衛(wèi)星“一箭四星”發(fā)射暫推遲至11月。

lRNSS系統(tǒng)星鐘故障

繼歐洲Galileo系統(tǒng)星鐘爆發(fā)大規(guī)模故障后，2017年1月30日印度空間研究組織（ISRO）主席基蘭·庫馬爾（Kiran Kumar）向媒體透露，2013年7月發(fā)射的印度IRNSSS系統(tǒng)首顆衛(wèi)星—IRNSS-1A的3部銣鐘全部發(fā)生故障，雖仍可播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，但精度已無法保證，計(jì)劃于2017年下半年發(fā)射IRNSS-1H衛(wèi)星進(jìn)行替換。

IRNSS系統(tǒng)星座狀態(tài)

2 故障分析

歐洲Galileo系統(tǒng)和印度IRNSS系統(tǒng)均采用由瑞士斯派特泰公司（Spectratime）研制的磁選態(tài)星載原子鐘，區(qū)別在于IRNSS衛(wèi)星僅裝備3部銣鐘，而Galileo衛(wèi)星則裝備2部銣鐘、2部被動(dòng)氫鐘。

Galileo衛(wèi)星被動(dòng)氫鐘

磁選態(tài)被動(dòng)氫原子鐘是Galileo衛(wèi)星的主原子鐘，其研發(fā)活動(dòng)于1998年啟動(dòng)。最初歐洲航天局計(jì)劃研發(fā)主動(dòng)氫原子鐘，但研究結(jié)果表明：以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平與能力，主動(dòng)氫原子鐘的質(zhì)量、體積、功耗等均過高，不能滿足Galileo衛(wèi)星小型化與空間飛行的要求。最終，歐洲航天局于2000年決定調(diào)整研發(fā)方向，研發(fā)被動(dòng)氫原子鐘。

2003年初，賽萊斯·伽利略公司（Selex Galileo）完成了被動(dòng)氫鐘工程樣機(jī)的研制，并在斯派特泰公司的支持下開展了工業(yè)化生產(chǎn)工作。2003年6月-2005年6月對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行了連續(xù)的試驗(yàn)與測(cè)試，以確定其長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性和壽命。2003年1月啟動(dòng)Galileo被動(dòng)氫鐘的產(chǎn)品化工作，賽萊斯·伽利略公司負(fù)責(zé)電子部分，斯派特泰公司負(fù)責(zé)物理部分。產(chǎn)品化工作的重點(diǎn)是確定被動(dòng)氫鐘制造的可重復(fù)性、產(chǎn)品的可靠性，降低質(zhì)量、體積、功耗（即小型化），以及相關(guān)的專用設(shè)備。2005年中，被動(dòng)氫鐘原型飛行樣機(jī)研制完成，并進(jìn)行了初始驗(yàn)證和測(cè)試。

Galileo衛(wèi)星銣鐘

為保證Galileo系統(tǒng)的服務(wù)性能，歐洲航天局對(duì)銣鐘提出了較高的要求，基本達(dá)到了美國GPS-2F衛(wèi)星星載銣鐘的水平。

Galileo系統(tǒng)星載銣原子鐘的研制工作于1997年啟動(dòng)，主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：

1）初期發(fā)展銣原子鐘1（RAFS1）和用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-1和2（GNSS-1和2）項(xiàng)目預(yù)鑒定模型；

2）改進(jìn)后的用于壽命驗(yàn)證的銣鐘1（RAFS1）和用于Galileo系統(tǒng)的鑒定件；

Galileo被動(dòng)氫鐘主要指標(biāo)參數(shù)

Galileo銣原子鐘技術(shù)指標(biāo)

3）用于提高銣鐘2（RAFS2）和Galileo系統(tǒng)有效載荷接口兼容性。

在利用Galileo試驗(yàn)衛(wèi)星完成銣鐘的飛行測(cè)試與地面試驗(yàn)后，斯派特泰公司又對(duì)Galileo銣鐘進(jìn)行了2項(xiàng)改進(jìn)：其一，進(jìn)一步優(yōu)化物理部分，降低溫度系數(shù)，提高了銣鐘10000～50000s的中期穩(wěn)定度；其二，在遵循歐洲航天局要求的前提下，將直流/直流轉(zhuǎn)換器以及跟蹤、遙測(cè)和遙控（TT&C）面板安裝在銣鐘內(nèi)部。

故障分析

自2017年1月19日發(fā)布Galileo系統(tǒng)星載原子鐘故障通告至今，歐洲航天局仍未發(fā)布故障調(diào)查結(jié)果。上述情況表明歐洲航天局尚未完成故障原因調(diào)查，或尚未形成調(diào)查結(jié)論。實(shí)際上，歐洲航天局早在2016年11月采取“一箭四星”的方式發(fā)射4顆Galileo-FOC衛(wèi)星前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在軌衛(wèi)星星鐘故障問題，雖然當(dāng)時(shí)未意識(shí)到問題的嚴(yán)重性，仍按計(jì)劃進(jìn)行了發(fā)射，但故障調(diào)查工作已啟動(dòng)，組織了包括空客防務(wù)與航天公司、德國OHB公司、英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司、瑞士斯派特泰公司等衛(wèi)星研制企業(yè)聯(lián)合開展星鐘故障調(diào)查。

歐洲航天局在2017年1月19日發(fā)布的故障通告中稱：①經(jīng)過大量故障調(diào)查與分析工作，氫鐘故障原因調(diào)查上取得了較大進(jìn)展，已經(jīng)揭示了氫鐘的2種故障機(jī)理，一是部分氫鐘的特定運(yùn)行參數(shù)對(duì)工作環(huán)境變化的容忍裕度較低，從而導(dǎo)致故障發(fā)生，但并沒有公布引發(fā)故障的特定運(yùn)行參數(shù)。工程技術(shù)人員正在對(duì)溫度、電壓和電流等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。二是在長(zhǎng)時(shí)間冷備份后氫鐘加電啟動(dòng)發(fā)生問題。出現(xiàn)故障的6部氫鐘中，2部為第一種故障，4部為第二種故障。但對(duì)銣鐘的故障原因調(diào)查還未有明確結(jié)論。②銣鐘的故障原因調(diào)查還未有明確結(jié)論，但懷疑因地面測(cè)試的特定程序不當(dāng)引發(fā)了短路。

Galileo系統(tǒng)與IRNSS系統(tǒng)相繼發(fā)生星載原子鐘大面積故障很可能表明斯派特泰公司研發(fā)的被動(dòng)氫鐘與銣鐘在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試或其他相關(guān)方面存在缺陷，必須得到妥善解決，才能保證兩個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展。雖然，歐洲航天局表示“星鐘故障不會(huì)影響Galileo系統(tǒng)初始運(yùn)行服務(wù)能力”，但星鐘故障肯定會(huì)對(duì)故障衛(wèi)星的工作壽命產(chǎn)生影響，從而加大Galileo系統(tǒng)空間星座的更新與維持壓力；如果星載原子鐘再度發(fā)生故障，將使Galileo系統(tǒng)的發(fā)展面臨更加嚴(yán)峻的局面。3月1日歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）發(fā)布的Galileo系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通告表明：2015年9月發(fā)射的1顆Galileo-FOC衛(wèi)星處于不可用狀態(tài)。雖然原因沒有公布，但相信應(yīng)該不是一個(gè)好消息。

截至目前，歐洲僅采購了26顆Galileo工作星（4顆Galileo-IOV衛(wèi)星和22顆Galileo-FOC衛(wèi)星）。為保證2020年全系統(tǒng)投入運(yùn)行的目標(biāo)，歐洲航天局于2016年9月已將Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座標(biāo)準(zhǔn)配置由原來的“27顆工作星+3顆備份衛(wèi)星”調(diào)整為“24顆工作星+不定數(shù)量的備份衛(wèi)星”。如果此次星鐘故障最終引發(fā)衛(wèi)星失效將極有可能影響到Galileo系統(tǒng)全運(yùn)行能力的部署。

3 結(jié)束語

Galileo與IRNSS分別是歐洲與印度非常重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，星載原子鐘又是導(dǎo)航衛(wèi)星最重要的有效載荷，在一定程度上決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。因此，星鐘問題的解決是Galileo與IRNSS系統(tǒng)未來發(fā)展的重要保證。

陸征/本文編輯