“伽利略”卫星导航系统概述

赵大海,宗 刚

(北京工业大学经济管理学院,北京100124)

0 引 言

2005年12月18日,由斯达西姆公司经营的俄制联盟-弗雷盖特运载火箭从拜科努尔发射场升空,将欧洲“伽利略”全球卫星导航系统的第一颗验证卫星送入轨道。标志着由欧空局和欧盟联手建造的“伽利略”系统向全面投入使用迈出了第一步。

“伽利略计划”的酝酿开始于1990年,欧空局(ESA)决定研制“全球导航卫星系统(GNSS)”。GNSS分为两个阶段:第一阶段是建立一个与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统以及三种区域增强系统均能相容的第一代全球导航卫星系统(GNSS-1);第二阶段是建立一个完全独立于GPS和GLONASS之外的第二代全球导航卫星系统(GNSS-2),也就是伽利略系统。伽利略系统将实现欧洲拥有自己独立的全球导航卫星系统的长远目标。

“伽利略”原计划的实施可分为三个阶段。包括前期论证工作、研制和鉴定阶段(2001-2005年),有三项工作,即整合任务要求、研制卫星及地基设施和对系统进行在轨鉴定。部署阶段(2006-2007年)的任务有两项,即建造和发射卫星以及全面安装地面段。从2008年起,项目进入商业运行阶段(因各种原因,已推迟)。

“伽利略”将是欧洲自己的全球导航卫星系统,可在民用部门控制下提供高度精确的、有保障的全球定位服务。它将与另两个全球卫星导航系统——美国的“全球定位系统”(GPS)和俄罗斯的“全球导航卫星系统”(GLONASS)兼容。用户可利用同一接收机从不同组合的卫星获得定位信息。不过,通过把双频工作作为标准配置,“伽利略”将提供高达米级的定位精度,民用精度可达6 m,这是以往面向公众的系统从未达到过的[1-6]。

1 系统组成

全面部署后的“伽利略”系统由30颗卫星组成,其中27颗为工作星,3颗为在轨热备份星。按设计,卫星将分布在地球上空23222 km的圆形中地轨道(MEO)面上,各轨道面相对于赤道面的倾角为56°。卫星全部部署到位后,“伽利略”的导航信号即便对纬度高达75°(与北角对应)乃至更高的地区也能提供良好的覆盖。由于卫星数量多,星座经过优化,加上有3颗热备份星可用,系统可保证在有一颗卫星失效的情况下也不会对用户产生明显影响。

该系统将在欧洲设立两座伽利略控制中心(GCC),以对卫星进行控制,并对导航任务进行管理。由20座伽利略传感器站(GSS)构成的一个全球网络所提供的数据将通过一冗余通信网传送给伽利略控制中心。控制中心将利用传感器站的数据来计算完好性信息,并对所有卫星和地面站时钟的时间信号进行同步。控制中心与卫星间的数据交换将通过所谓的上行站来完成,为此将在全球各地建设5座S波段和10座C波段上行站。

“伽利略”系统另一个特点,就是具有全球搜索与救援(SAR)功能。这项功能利用了现有的“科斯帕斯-萨尔萨特”搜救卫星系统。为实现这一功能,每颗卫星要配备一台能把遇险信号从用户发射机发给救援协调中心以启动救援行动的转发器。同时,该系统还能向用户发送信号,告知其所处险境已被探测到及救援工作已经展开。这项功能属于新发明(中国COMPASS系统的短信功能与此类似),被认为是对现有系统的一项重大改进。现有系统不能向用户提供反馈信息。

2 系统特点

伽利略系统可以实现与GPS和GLONASS的兼容,其接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。

伽利略系统确定目标位置的误差将控制在1 m之内,明显好于现在使用的GPSⅡ提供的3 m的定位精度,比俄罗斯的GLONASS提供的10 m的军民两用信号更优,与未来建设的GPSⅢ技术指标接近[3-5]。伽利略系统仅用于民用,并且为地面用户提供3种信号:免费使用的信号;加密且需要交费使用的信号;加密并且需满足更高要求的信号。免费服务信号与GPS民用信号相似;收费信号主要指为民航和涉及生命安全保障的用户服务。

按照“伽利略计划”的最初设想,系统的定位精度将达到厘米级,人们将其与GPS再次做了对比,形象的比喻说:如果GPS能找到街道,那么伽利略则可以精准得找到车库门。因此通过伽利略系统,精准的定位已经不是一句空话。伽利略系统由于采用了许多较GPS和GLONASS更高的新技术,使得系统更加灵活、全面、可靠,并且可以提供完整、准确、实时的数据信号。伽利略系统的卫星发射信号功率较GPS的大,所以在一些GPS系统不能实现定位的区域,伽利略系统可以很容易克服干扰并进行信号接收,例如高纬度地区、中亚以及黑海等地区。

总之,伽利略系统的建设是一个经济、实用、高效、先进的系统,它的建立与应用,将给美国GPS一统天下的局面带来很大的冲击。

3 提供服务项目

虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间,但是伽利略提供的服务种类远比GPS多,GPS仅有标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS)两种,而伽利略则提供6种服务,他们是:

1)公开服务(Open Service)

与GPS的SPS相类似,这种服务免费提供给全球的使用者。

2)商业服务(Commercial Service)

商业服务是对公开服务的一种增值服务,以获取商业回报。比如,在公开服务中添加加密的数据,通过伽利略导航定位系统和无线通讯网络的结合实现航空通信等。

3)生命安全服务(Safe-of-Life Service)

它可以同国际民航组织(ICAO)标准和推荐条款(SARs)中的“垂直制导方法”相比拟,并提供完好性信息,这种服务一般只用于交通运输、船只入港、铁路运输管制和航空管制等。

4)公共规范服务(Public Regular Service)

这种服务只提供给欧盟成员国。提供了与欧洲密切相关的军事、工业和经济服务,比如:国家安全、紧急救援、治安、警察、警戒,以及紧急的能源、交通和通讯等。其卫星信号更为可靠耐用,受成员国控制。

5)地区性组织提供的导航定位服务(Navigation Services to be Provided by Local Components)

这种加强的导航定位服务根据用户的特殊要求通过区域性增强的系统向用户提供。该服务可以提供更精确的定位和授时服务。

6)搜索与救援系统

伽利略搜索救援系统与国际通用的卫星搜索救援系统(COSPAS-SARSAT)原理相同。但在性能上有了很大的提高。

4 关键技术

星上的两种原子钟—铷原子频标钟和无源氢脉泽钟属于其中的关键技术。将为卫星提供时间基准的这两种时钟利用的是原子水平上的振荡,每天产生的时间误差将保持在百万分之几秒以内。

现今,我们已能通过测量导航卫星广播的信号到达我们所在位置所用的时间来确定我们在地球表面上的位置。信号是以光速传播的,这意味着我们要能非常准确地测定远远小于1 s的时间。为此,就需要精确地知道信号是何时离开卫星的,也需要精确地知道它是何时到达接收装置的。我们可以听听欧洲空间研究与技术中心(ESTEC)时钟专家和导航工程师佛朗哥◦埃玛的说法:“对于导航来说,时钟是实现精确定位的决定性因素。以优于每小时10亿分之一秒的精度,‘伽利略'卫星上的时钟将能以不到45 cm的误差进行定位,无论你身处地球上的任何地方。”

“伽利略”系统的每颗卫星都将携带两台时钟,一台基于铷原子频标,另一台则利用无源氢脉泽(即微波激射器)。这两种时钟所用技术不同,但原理是一样的——若将原子从一个能态跃迁到另一能态,则原子便会以极其稳定的频率辐射出相关的微波信号。这一频率对铷钟来说约为6吉赫,而对氢钟来说则约为1.4吉赫。星上其它装置可把这一频率作为非常稳定的基准,借以生成精确的信号,以供“伽利略”卫星播发。所广播的信号又可作为基准,使稳定性较差的用户接收机时钟能不断地重设其时间。

欧空局选用铷钟和氢脉泽钟是因为它们可在数小时内保持很高的稳定性,同时也是因为相关技术能够应用到伽利略”卫星上。若任由它们无限期地运行,其精度会发生漂移,所以需借助更稳定的地基基准时钟定期地对它们进行同步。这些地基时钟包括基于铯频标的时钟,其长期稳定性要远高于铷或氢脉泽钟。地面上的时钟还要生成所谓的“伽利略系统时间”。

“伽利略”卫星上所用的时钟是由欧洲研制制造的首批同类时钟。埃玛说,美俄已有同类时钟(如用在GPS和GLONASS上的时钟),但欧洲需要有其自主的能力。无源氢脉泽钟实际上是首台用于飞行的同类时钟。先期发射的两颗试验卫星将对这两种星钟进行验证。

5 星座建设规划

如上所述,全面投入使用的“伽利略”全球卫星导航系统将有30颗卫星,部署在倾角56°的三个中地轨道面上,每个轨道面布设10颗卫星。卫星绕地球运行的轨道周期为14 h。每个轨道面上设1颗热备份星,以防有工作星失效。欧空局规划和工程技术人员是在经过充分考虑后才选择这样一个星座构造的。把30颗卫星部署到这样的高度上,地球上任何地方的任何人总能“看”到至少4颗卫星并利用其播发的测距信号实现定位的概率是很高的(超过90%)。所选的轨道倾角能保证对美GPS系统无法有效覆盖的高纬度极区有良好的覆盖。在大多数地方,用户总能看到6～8颗卫星,从而能实现非常精确的定位,精度可达数厘米。在有高大建筑的城市里,路上的用户有很大的把握能有足够的过顶卫星可用,尤其是“伽利略”系统还与拥有24颗卫星的GPS兼容。

那么如何来建设这样一个卫星星座,并保证每颗卫星随时都精准地处在正确的位置上呢?这项精细的工作将分几个阶段来完成。

首先,欧空局要在2005年底用联盟号火箭发射一颗试验卫星(已发射),随后还将发射第二颗试验卫星。“伽利略”卫星上配有磁力矩器和反作用轮,可帮助卫星保持正确的轨道。但卫星上并未配备用于机动到正确轨道的发动机,因此就要求运载火箭必须把卫星直接送入正确位置。

试验卫星被部署在第一轨道面上,将在那里对星上设备和地面站功能进行试验。发射试验卫星还有一个目的,就是要保住国际电联分配给“伽利略”系统的频率资源。这项试验工作将持续两年半的时间。首先要测试星上两台原子钟的性能。随后信号发生器将开机工作,以各种调制特征提供试验信号。测试期间,星上的科学仪器将测量轨道面周围的各种空间环境参数,特别是辐射水平。那里的辐射水平要高于低地和静地轨道。

第二步,欧空局将利用两种运载火箭发射前4颗工作星。其中前2颗将部署到第一轨道面上,而后2颗将发射到第二轨道面上。这4颗卫星加上部分地面段将借助先进的系统仿真设备对“伽利略”系统进行总体鉴定。随后将有2颗卫星被送到第三轨道面。完成系统鉴定后,“伽利略”星座部署进入最后一个阶段,即尽快完成星座剩余部分的建设,以便能向用户提供全面的服务。剩下的卫星将由阿里安5等重型火箭发射。

6 项目进展

伽利略系统包括30颗导航卫星及其相关地面设施,按照欧盟的最初设想,“伽利略计划”的安排共分为4个阶段。

第一阶段:系统的可行性评估或者称之为定义阶段。2000年底已完成。

第二阶段:研发和在轨验证阶段。

此阶段的计划时间为2001年-2006年,主要是系统的研发和检测阶段。2005年12月28日,由英国萨瑞卫星技术公司研制的首颗在轨验证卫星的实验星GIOVe-A成功发射,标志着“伽利略计划”在轨验证阶段迈出重要一步。按计划,第二颗实验卫星GIOVe-B应于2006年4月发射以确保国际电信联盟把已分配给伽利略系统的频率继续保留给其使用,后来由于种种原因,该颗卫星推迟至2008年4月27日在位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心成功发射并入轨后运行良好。2009年6月15日,欧空局“伽利略计划”主任与阿里安航天公司CEO在巴黎航展上签署协议:使用两枚“联盟”火箭从欧洲的法属圭亚那发射场发射首批4颗“伽利略”卫星,到2010年底,4颗“伽利略”卫星将进入2.36万公里高空的椭圆轨道运行。4颗伽利略工作星发射成功后才标志着进行真正意义上的空间、地面和用户联合在轨验证试验[4]。

第三阶段:部署与建设阶段

此阶段的计划时间为2006年-2008年,主要任务是卫星的发射布网、地面站的架设、系统的整机联调。显然,此阶段已经推迟进行,并且此阶段是整个计划耗资最大的阶段。由于计划所需的20亿～22亿欧元的经费迟迟没有落实,“伽利略计划”的建设进程一拖再拖,直至2007年11月23日,欧盟财长达成一致意见,同意从欧盟农业补贴预算余款中支取24亿欧元填补“伽利略计划”的资金空缺。这一举措最终解决了实施“伽利略计划”的资金问题。

第四阶段:系统商业运行阶段。

此阶段计划于2008年底开始,系统原先预计到2014年达到收支平衡、实现独立运转的计划将会被推迟。按照目前的系统建设情况,此阶段肯定会推迟到2011年以后。

7 “伽利略”项目与中国合作

“伽利略计划”本身就是一个国际合作的产物,是欧盟内的经济和科技大国联合打造的一个国际项目,美国和俄罗斯也都参与了合作,欧盟与他们的合作主要是为了满足伽利略系统的信号与GPS及GLONASS系统兼容。美国已经和欧盟签署了协议,协议除了就双方在卫星导航频率、信号结构、信号调制方案的选择与设计方面达成共识外,欧盟作出了更多的让步,例如:同意在公共特许服务(PRS)信号频率协调中做出让步;承诺不向第三方转让卫星导航关键技术及其PRS准军用信号服务;允许美国在危机或战争时期对局部地区的伽利略信号进行干扰等。俄罗斯对“伽利略计划”的态度与美国形成鲜明的对比,并且表现出积极的态度,不仅积极参与合作,而且提供了一定的技术支持。

中国于2003年9月18日与欧盟在北京签署了合作协议,并于2004年10月9日,由国家遥感中心代表国家科技部与代表欧盟的欧洲伽利略联合执行体签署了《关于伽利略计划合作协议》,进一步明确了中欧双方在“伽利略计划”中的合作范围与内容。至此,中国成为“伽利略”中的第一个非欧盟国家,标志着中欧“伽利略计划”的合作进入实质性的操作阶段。加入“伽利略计划”,将使中国拥有该系统20%的所有权和100%的使用权,并能派团队参与整个计划的管理和运行。目前我国独立研制的北斗卫星导航系统短期内还无法建成并投入使用,而美国GPS系统的安全性又无法满足我国的使用要求,因此,参与“伽利略计划”是一项明智且具有政治意义的重要举措,它不仅使我国能够分享世界先进科学技术的研究成果,而且还将带动我国卫星导航技术的进步,培养一大批高科技人才[5]。

8 结 论

卫星导航已成为世界经济发展的强大发动机,在美国和欧洲等发达国家得到广泛应用的导航系统已产生了巨大的经济效益。“伽利略”系统是欧盟为了打破美国GPS卫星导航定位系统在该领域的垄断地位而自主研发的系统,它具有更高的精度与可靠性,能够满足更多用户的需求。中国对该项目的参与,必然能对COMPASS系统的技术进步和市场开发积累宝贵的经验。

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

[2] 王克平,边少锋,翟国君,等.Galileo与GPS卫星导航系统的性能比较研究[J].海洋测绘,2008,28(6):74-78.

[3] 王杰华.国外卫星导航定位系统最新进展及发展趋势[J].数字通信世界,2008(10):58-61.

[4] 陈俊勇,党亚明.全球导航卫星系统的新进展[J].测绘科学,2005,30(2):9-12.

[5] 黄爱民.伽利略(GALILEO)系统对美国GPS的冲击[J].测绘与空间地理信息,2007(3):41-44.

[6] 何绍改.凝心聚力再启航—欧洲伽利略全球卫星导航系统计划重新启动[J].国防科技工业,2008(5):59-61.

[7] 彭木根,程 煜,王文博,等.欧洲伽利略卫星导航系统和定位技术[J].数据通信,2006(3):18-21.