歐洲伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)全面投入運(yùn)行

□ 劉春保

歐洲伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)全面投入運(yùn)行

□ 劉春保

2016年12月15日，歐空局宣布：伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式投入初始運(yùn)行，至此聯(lián)合國(guó)確定的四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部投入運(yùn)行，全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域多系統(tǒng)共存格局初步形成，全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)進(jìn)入了新紀(jì)元。

從1998年11月歐空局啟動(dòng)伽利略系統(tǒng)開(kāi)始，歐洲人用18年的時(shí)間完成了伽利略系統(tǒng)初始運(yùn)行能力建設(shè)，共發(fā)射衛(wèi)星20顆，耗資數(shù)十億歐元。伽利略系統(tǒng)投入初始運(yùn)行使歐洲具有了完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航能力，使歐洲在政治、外交等方面更具獨(dú)立性，也使歐洲在航天高技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中擁有更廣闊的天地。

伽利略系統(tǒng)空間星座

伽利略系統(tǒng)組成

伽利略系統(tǒng)由空間段、地面控制段和用戶段組成。其空間段由30顆部署在中地球軌道（MEO）的衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星部署在3個(gè)軌道面，軌道高度23222千米，軌道傾角56度，軌道周期14小時(shí)4分鐘，地面軌跡重復(fù)周期10天，軌道面間夾角120°，每個(gè)軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。伽利略系統(tǒng)地面控制段由2個(gè)控制中心、

伽利略系統(tǒng)地面控制段部署5個(gè)任務(wù)上行站、5個(gè)遙測(cè)跟蹤與控制站、2個(gè)發(fā)射與早期操作中心、1個(gè)在軌測(cè)試中心和16個(gè)～20個(gè)伽利略敏感器站組成，實(shí)現(xiàn)了伽利略系統(tǒng)測(cè)控弧段的全球覆蓋，從而較好保證了伽利略系統(tǒng)測(cè)控與導(dǎo)航信息的精度。

控制中心是伽利略地面控制段的核心，2個(gè)控制中心部署在德國(guó)和意大利，由軌道同步與處理設(shè)施、精確授時(shí)設(shè)施、完好性處理設(shè)施、任務(wù)控制設(shè)施、衛(wèi)星控制設(shè)施和服務(wù)與產(chǎn)品設(shè)施組成。主要功能是：控制衛(wèi)星星座，保證星上原子鐘的同步，完好性信號(hào)處理，監(jiān)控衛(wèi)星及其衛(wèi)星提供的服務(wù)，同時(shí)還進(jìn)行內(nèi)部與外部信息的處理。

遙測(cè)跟蹤與控制站負(fù)責(zé)伽利略系統(tǒng)星座衛(wèi)星的測(cè)量、跟蹤與控制；伽利略上行站負(fù)責(zé)將控制中心生成星歷等導(dǎo)航信息注入到空間段的衛(wèi)星；發(fā)射與早期操作中心和在軌測(cè)試中心主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星發(fā)射、入軌初期的衛(wèi)星測(cè)控與測(cè)試，衛(wèi)星測(cè)試完成后，衛(wèi)星的測(cè)控與管理由控制中心負(fù)責(zé)。

伽利略系統(tǒng)空間段由30顆部署在中地球軌道衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。考慮到高緯度地區(qū)（如歐洲北部）的信號(hào)覆蓋和一箭多星發(fā)射的要求，與GPS系統(tǒng)星座相比，伽利略系統(tǒng)星座采用3軌道面、軌道傾角56°的設(shè)計(jì)，以保證對(duì)緯度75°地區(qū)的信號(hào)覆蓋和星座的快速部署。

GIOVE-A衛(wèi)星

GIOVE-B衛(wèi)星

Galileo-IOV衛(wèi)星

伽利略系統(tǒng)研發(fā)三階段

為保證伽利略系統(tǒng)研發(fā)與建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，伽利略衛(wèi)星的研發(fā)分為三個(gè)階段，即試驗(yàn)衛(wèi)星（GIOVE）、在軌驗(yàn)證衛(wèi)星（Galileo-IOV）和全運(yùn)行能力衛(wèi)星（Galileo-FOC）。

試驗(yàn)衛(wèi)星共發(fā)射2顆，分別為GIOVE-A與GIOVE-B，其任務(wù)是：確保國(guó)際電信聯(lián)盟分配給伽利略系統(tǒng)的導(dǎo)航頻率、MEO軌道空間環(huán)境探測(cè)、有效載荷關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、伽利略空間信號(hào)的測(cè)試與驗(yàn)證，完成信號(hào)的最終定義工作。

GIOVE-A衛(wèi)星由英國(guó)薩里公司研制，采用該公司的MEMINI小衛(wèi)星平臺(tái)，衛(wèi)星尺寸1.3米×1.8米×1.65米，發(fā)射質(zhì)量600千克，三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，有效載荷功率700瓦，設(shè)計(jì)壽命2年，2005年12月發(fā)射。衛(wèi)星的主要有效載荷包括：2部磁選態(tài)銣原子鐘、信號(hào)發(fā)生器、星上轉(zhuǎn)換器、放大器和天線，以及用于MEO軌道空間環(huán)境探測(cè)的宇宙射線能量累積試驗(yàn)裝置（CEDEX）和QinetiQ公司提供的墨林（Merlin）探測(cè)器，用于帶電粒子監(jiān)視、質(zhì)子流測(cè)量和電離狀態(tài)評(píng)估。

GIOVE-B衛(wèi)星由阿斯特留姆德國(guó)公司研制，泰萊斯·阿萊尼亞空間公司（意大利）負(fù)責(zé)衛(wèi)星的總裝與測(cè)試，有效載荷由阿斯特留姆德國(guó)公司（英國(guó)）研制，采用泰萊斯·阿萊尼亞空間公司（法國(guó)）的海神（Proteus）平臺(tái)，衛(wèi)星質(zhì)量530千克，尺寸0.95米×0.95米×2.4米（收縮狀態(tài)），設(shè)計(jì)壽命2年，2008年4月發(fā)射。主要有效載荷包括：1部磁選態(tài)被動(dòng)氫原子鐘和2部磁選態(tài)銣原子鐘、時(shí)鐘監(jiān)測(cè)與控制單元、導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生器、固態(tài)功率放大器等，以及用于軌道環(huán)境探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)輻射環(huán)境探測(cè)器（SREM）和俄羅斯研制的激光反射器。

Galileo-IOV衛(wèi) 星 由 歐 洲 宇航防務(wù)公司研制，采用經(jīng)改進(jìn)的PROTEUS小衛(wèi)星平臺(tái)，衛(wèi)星重700千克，功率1600瓦，衛(wèi)星尺寸3.02米×1.58 米×1.59米（收縮狀態(tài)），設(shè)計(jì)壽命12年。主要有效載荷包括：2部磁選態(tài)被動(dòng)氫原子鐘、2部磁選態(tài)銣原子鐘，導(dǎo)航信號(hào)生成器、固態(tài)功率放大器、導(dǎo)航天線等，導(dǎo)航有效載荷總重115千克，功率780瓦；搜索救援載荷重20千克，功率100瓦。

Galileo-IOV衛(wèi)星的首次發(fā)射于2011年10月進(jìn)行，采用俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)運(yùn)載火箭，發(fā)射方式為一箭雙星。

Galileo-IOV衛(wèi)星的主要任務(wù)包括：空間段、地面控制段與用戶段的聯(lián)合驗(yàn)證、系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化、確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行控制程序和降低系統(tǒng)的部署風(fēng)險(xiǎn)。具有伽利略衛(wèi)星的全部功能，播發(fā)伽利略系統(tǒng)的全部導(dǎo)航信號(hào)。因此，在完成在軌測(cè)試、驗(yàn)證后，Galileo-IOV衛(wèi)星以工作星的方式加入伽利略系統(tǒng)空間星座。

2010年1月，歐洲空間局將Galileo-FOC衛(wèi)星的首個(gè)研發(fā)合同授予了由德國(guó)不萊梅軌道科學(xué)公司（OHB）和英國(guó)薩里公司（SSTL）組成的團(tuán)隊(duì)；其中OHB公司為主承包商，負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)、組裝、測(cè)試等；英國(guó)薩里公司為有效載荷分包商，負(fù)責(zé)全部有效載荷的研發(fā)。目前，Galileo-FOC衛(wèi)星的采購(gòu)數(shù)量為22顆，以滿足伽利略系統(tǒng)投入全面運(yùn)行服務(wù)的需求。Galileo-FOC衛(wèi)星的首次發(fā)射于2014年8月進(jìn)行，采用俄羅斯聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭一箭雙星發(fā)射。截至2016年底，歐洲已經(jīng)完成14顆Galileo-FOC衛(wèi)星的發(fā)射，其中一箭雙星發(fā)射5次，一箭四星發(fā)射1次，除首次發(fā)射部分成功外，其余5次發(fā)射全部成功。

Galileo-FOC衛(wèi)星采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)衛(wèi)星分為7個(gè)模塊，分別為：有效載荷核心模塊、時(shí)鐘系統(tǒng)模塊、天線模塊，上述三個(gè)模塊構(gòu)成Galileo-FOC衛(wèi)星的有效載荷單元；另外4個(gè)模塊為別為：平臺(tái)核心模塊、中心模塊、推進(jìn)模塊和太陽(yáng)電池模塊，上述4個(gè)模塊構(gòu)成Galileo-FOC衛(wèi)星平臺(tái)單元。

Galileo-FOC衛(wèi)星的主要有效載荷包括：時(shí)間子系統(tǒng)、任務(wù)上行子系統(tǒng)、導(dǎo)航信號(hào)生成子系統(tǒng)、射頻放大子系統(tǒng)、搜索救援子系統(tǒng)和激光反射器陣列等。

時(shí)間系統(tǒng)由2部磁選態(tài)被動(dòng)氫原子鐘、2部磁選態(tài)銣原子鐘和時(shí)鐘監(jiān)測(cè)與控制單元組成，采取產(chǎn)生10.23MHz的基準(zhǔn)頻率。星上溫度控制系統(tǒng)保證時(shí)間系統(tǒng)的環(huán)境溫度在很小的范圍內(nèi)變化，以改善其穩(wěn)定性。

Galileo-FOC衛(wèi)星

歐洲伽利略系統(tǒng)演進(jìn)路線圖

伽利略系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

至2016年底，歐洲空間局已經(jīng)完成了14顆Galileo-FOC衛(wèi)星的發(fā)射，使在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到18顆（加上4顆Galileo-IOV衛(wèi)星），并完成了伽利略系統(tǒng)地面控制段的部署。2016年12月8日，歐洲空間局宣布：2016年5月24日發(fā)射的2顆Galileo-FOC衛(wèi)星（第9、10顆）已正式播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，但尚未有11月 17日發(fā)射4顆Galileo-FOC衛(wèi)星投入運(yùn)行的報(bào)道。因此，我們有理由相信，12月15日正式投入初始運(yùn)行的伽利略系統(tǒng)最多由14顆在軌運(yùn)行的伽利略衛(wèi)星組成，而11月發(fā)射的4顆Galileo-FOC衛(wèi)星仍處于調(diào)試、測(cè)試狀態(tài)，有可能于2017年6月底前加入伽利略系統(tǒng)星座，而改善伽利略系統(tǒng)的初始運(yùn)行能力。

按照目前的計(jì)劃，歐洲空間局將于2017年、2018年各進(jìn)行一次Galileo-FOC衛(wèi)星的一箭四星發(fā)射，屆時(shí)伽利略系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到26顆。按照歐洲空間局對(duì)伽利略系統(tǒng)全面運(yùn)行能力的最新定義（24顆工作星+在軌備份衛(wèi)星。伽利略系統(tǒng)全面運(yùn)行能力最初的星座定義為：27顆工作星+3顆備份衛(wèi)星），2020年前伽利略系統(tǒng)將具備全面運(yùn)行能力，并投入全面運(yùn)行。

歐洲空間局首次公開(kāi)宣布于2015年啟動(dòng)了新一代伽利略系統(tǒng)的論證與定義研究工作。按照新一代伽利略論證、研究路線圖，需求征詢與調(diào)研工作已經(jīng)基本完成，進(jìn)入到需求固化階段。需求固化階段計(jì)劃于2017年完成，歐盟的主要任務(wù)是建立任務(wù)需求；歐洲空間局負(fù)責(zé)研究與確定系統(tǒng)想定；歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)局則負(fù)責(zé)新一代伽利略系統(tǒng)的成本效益分析。第2代伽利略衛(wèi)星的設(shè)計(jì)工作將于2019年啟動(dòng)。預(yù)計(jì)星間鏈路、新一代原子鐘，甚至是信號(hào)增強(qiáng)等有可能成為新一代伽利略系統(tǒng)與衛(wèi)星的發(fā)展重點(diǎn)。

歐洲空間局在伽利略系統(tǒng)只有11顆在軌工作衛(wèi)星的條件下宣布伽利略系統(tǒng)投入初始運(yùn)行，既表明歐洲急于獲得完全自主的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的迫切心情，也表明歐洲希望伽利略系統(tǒng)能夠搶在印度IRNSS系統(tǒng)之前投入運(yùn)行愿望，在落后于北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)的條件下，歐洲不希望再落后于印度。★