导航卫星靠得住吗？

文/迟惑

▲伽利略系统在德国的控制中心

2019年7月，欧洲伽利略卫星导航系统突然发生了严重的故障，连续170个小时不能工作，这对于一个雄心勃勃的全球卫星导航系统来说，无论从技术上还是从声望上都是沉重的打击。幸好除了伽利略之外，这个世界上还有美国的全球定位系统（GPS），俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）和中国的北斗卫星导航系统在正常工作。因此，用户们似乎没有感觉到自己的应用受到什么损害。然而，在卫星导航界看来，这却是一个空前严重的事件。那么，人类还能够相信和依靠卫星导航系统吗？

是谁惹了麻烦

伽利略系统曾经发生过星上原子钟大面积失效的严重事故。不过这次系统服务中断倒不是星钟的问题，而是地面系统惹了麻烦。

在解释这个问题之前，我们首先还是要回到卫星导航系统的原理上。每颗导航卫星所发射的信号内容，简单说起来，就是“我这里现在X点了”。这个时间信息由星上的原子钟生成，应该说是相当精确的。然而30多颗卫星的原子钟，彼此之间多少会有一些差异。这些原子钟和地面生成的标准时间也会有一些差异。如果不做干预，随着时间积累，差异会越来越大。电磁波的传播速度是每秒30万公里。那么，即使是1个纳秒的时间误差，也会造成0.3米的测距误差。因此，各个卫星导航系统都要定时用地面标准时间来修正星上原子钟，让它们尽量保持同样的走时。

▲伽利略系统地面段全球部署

伽利略系统的时间修正工作属于地面段，它分布在几个国家。地面段由地面控制段和地面任务段两大部分组成。地面控制段主要负责星座控制和卫星管理，对卫星平台和有效载荷的控制、监视、计划和自动化运行都在地面段进行。地面段由两个地面控制中心和6个分布在全球的遥测、跟踪和控制站组成。这两个地面控制中心分别位于意大利富西诺和德国奥博珀法芬霍芬，两个站互为备份。伽利略地面段的各个功能站通过各种有线网络、无线网络和电话网连接到这两个地面控制中心，遥测、跟踪和控制站正常情况下用S频段13米口径天线和卫星交换信息。

▲伽利略系统在德国的控制中心大厅

伽利略任务段的主要设施就部署在控制中心里，外加一些任务上行站和敏感器站，部署在世界各地。敏感器站用来生成和上传导航电文的有关信息。因此，敏感器站需要全球组网，各站之间用通信卫星和电缆相互联系。而敏感器站与伽利略卫星之间的信息交互就通过任务上行站来实现。伽利略系统一共有5个任务上行站，采用3米口径的天线。

▲ 伽利略系统德国控制中心内景

具体来说敏感器站有两个使用模式。首先是轨道确定和时间同步功能，每10分钟对所有卫星进行一次观测，并计算出每颗卫星的精确轨道和时钟漂移数据，并预测出未来几个小时的空间信号精度数据。每隔100分钟，就向所有卫星上传一次有关的数据。

很显然，这次的故障就是因为轨道确定和时间同步功能出了错。但诡异的是，无论欧空局，还是国外主要航天媒体，对这次故障都讳莫如深,既不讨论故障原因，也不分析故障的影响。负责运行伽利略系统的欧洲GNSS局只是在服务恢复之后，发布了一条极为简短的通知。只有少数来源透露了有限的消息。英国皇家导航研究所在通知中称，“控制中心的一台负责计算时间和轨道的设备发生了异常，对两个中心的多台设备造成了影响”。而zdnet网站的报道则称，欧洲GNSS局还在查找故障原因当中。

作为这样全球性的战略性基础设施，一台设备的异常就导致全系统瘫痪,这在系统设计上应该是不允许的。可以看出，欧洲航天的跨国协调机制虽然运行了几十年，在多数型号工程上行之有效，但如果是应对这种分秒必争的紧急情况，效率实在是太差了。这不仅仅是欧空局的问题，更是欧盟的问题。相比之下，美国、俄罗斯和中国可以更加高效地应对类似情况。

导航卫星靠不住了怎么办？

这次伽利略发生故障，并没有对全球卫星导航服务造成什么影响。原因在于，当今的卫星导航定位接收机基本上都是多模式、兼容互操作的，可以同时接收GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略的信号，并用于生成导航解，少一个系统并不会带来显著的影响。从这个意义上说，伽利略系统的这次故障，也证明四大系统兼容互操作的做法是正确而有必要的。

那么，会不会发生四个导航系统全都失灵的情况呢？理论上说，这是不可能的。四大系统在规划设计的时候，考虑到了各种人为和自然因素，除非发生极端宇宙现象，例如太阳剧烈活动、大规模陨石群袭击地球轨道，大部分导航系统是不会丧失功能的。然而这次事件向人们证明，事情可能没有那么乐观。而且，就算在全球范围内的导航定位授时服务不会中断，在局部地区、特殊时段发生中断的可能性还是不小的，我们还是要考虑一下卫星之外的导航定位授时手段。

▲伽利略系统地面段架构

▲伽利略系统的氢原子钟

▲ 惹麻烦的伽利略系统意大利控制中心

实际上，美国在GPS系统的发展历程中，就经历了这样一个认识过程。早在上世纪90年代后期，GPS的应用迅速推开。各方发现，GPS的表现比人们预想的更好，因此美国提出了以GPS为唯一导航手段的想法。当时人们担心这成为美国推行霸权的手段，因此应者寥寥。不过很快，美国自己也不再提及这个想法。其中原因是，GPS在使用中遇到了各种信号干扰、遮挡问题，在水下、地下空间、强干扰环境下，GPS的性能急剧下降。而且，很多应用所需要的定位精度非常高，GPS未必能满足要求，哪怕加上北斗和格洛纳斯也不行。例如我们在路面上开车的时候，卫星导航并不能分辨汽车在哪条车道上，甚至分不清我们在主路还是辅路。所以，当需要经过岔路口的时候，导航软件会弹出一个指示窗口，帮助我们用肉眼来分辨和导航。

因此，美国很快提出了综合导航定位授时的概念，把人类目前正在使用的所有时间、空间测量手段都纳入其中，除了卫星系统，还包括了各种雷达、光学测量手段，以及惯性器件和普通的时钟，当然也有天然的导航星——脉冲星。在这当中，惯性器件和时钟得到了高度重视，因为它们完全不需要从外界获得信号就可以工作，能够提供稳定的时间和空间信息。在卫星或者其他导航定位授时信号无法工作的时候，可以提供基本的服务。

激光雷达、图像识别和毫米波雷达技术则是最近几年的新宠。激光雷达的优点是精度非常高，对近距离地形地物的测量精度甚至可以达到毫米级。它也成为诸多无人驾驶车辆的必备技术。图像识别的关键在于人工智能技术，自动识别出图像中的道路、其他车辆、人员等目标，用于支持导航方案的制定。不过激光雷达在雨雾环境下表现不好，图像识别还需要充足的光照条件。而毫米波雷达不受气候和光照限制，是一种全天候的感知手段。而且最近几年民用毫米波雷达的成本急剧下降，家用小轿车上也装得起。

▲ 用阿里安5火箭四星发射的伽利略

因此，未来人们所使用的导航定位服务将是多源融合的。包括卫星在内的各种手段将提供丰富而无缝隙的导航服务，这些服务彼此支持、彼此校正，为我们提供无处不在、无时不在的导航服务。