伽利略卫星导航系统的发展历程及其现代化计划

杨子辉，薛 彬

（天津大学 海洋科学与技术学院，天津 300072）

0 引言

1990年8月2日，伊拉克大举入侵其东南部的邻国科威特，以期控制科威特的石油。面对伊拉克的侵略行径，美国和联合国安理会要求伊拉克总统萨达姆·侯赛因（Saddam Hussein）从科威特撤出伊拉克军队，但遭到了萨达姆总统的拒绝。为此，以美国为首的34个国家的联盟军，从1991年1月17日至2月28日，开始对伊拉克的战略要地进行密集轰炸，在进行连续6个星期的轰炸后，联盟军出动地面部队对伊拉克军队进行了为期 4天的打击。1991年2月底，萨达姆总统签署了停火协议并从科威特撤军，同时萨达姆总统还同意在战后，伊拉克接受国际检查，以确保伊拉克没有化学武器或其他大规模杀伤性武器。这次以美国为首的联盟军对伊拉克的战争称为“沙漠风暴行动（Operation Desert Storm）”，亦称为“第一次海湾战争（The First Gulf War）”。虽然当时的美国全球定位系统（global positioning system, GPS）只有13颗在轨卫星，但是 GPS还是为联盟军的战机、导弹及地面部队提供了二维和三维的位置数据，为联盟军取得胜利及减少战斗人员伤亡起到了巨大作用。

科索沃战争（Kosovo war）是一场由科索沃的民族矛盾直接引发的局部战争。在 1999年 3月24日至6月10日的这78天里，以美国为首的北大西洋公约组织简称北约（North Atlantic Treaty Organization，NATO）成员国，对南斯拉夫进行了“外科手术式”的空袭，空袭给南斯拉夫带来了巨大的财产损失和人员伤亡，而 NATO却是“零伤亡”。在这78天里的空袭时间里，NATO共出动38 004架次战机，发射23 614枚导弹，在这些导弹中，有35%的导弹是GPS制导的精确制导导弹。

GPS在战争中的作用，让欧洲联盟简称欧盟（European Union,EU）非常清晰地认识到，星基导航系统是系国家安全、国民经济于一身的重要基础设施，必须立即采取行动，建设属于欧洲的全球卫星导航系统（European global satellite navigation system, European GNSS），European GNSS亦称为萨特纳芙（Satnav）系统。Satnav系统包括两个发展阶段：1）在2005年前，建成欧洲地球同步卫星导航增强服务系统（European geostationary navigation overlay service, EGNOS）并向用户提供高精度导航定位服务，EGNOS为星基增强系统（satellite based augmentation systems, SBAS），用户采用EGNOS的导航信号进行定位，其水平位置的定位精度在3 m以内，高程方向的定位精度在4 m以内；2）建立拥有完全自主、服务全球的民用全球卫星导航系统（global satellite navigation system, GNSS），即伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo），Galileo原计划于2011年进行试运行，为全球用户提供全天时全天候的公开服务 (open service, OS)、搜救支持服务（search and rescue support service, SAR）及公共授权服务（public regulated service, PRS）。但由于各种原因，到2016 年12月15日，Galileo才具备了试运行能力（initial operational capability,EOC），比原计划晚了好几年。

1 Galileo的艰辛发展历程

1.1 欧美长达4年的导航频率之争[8-9]

冷战结束以后，美国作为世界的唯一超级强国，其独霸世界的方式引起了很多欧洲国家的不满；星基卫星导航是维系国家安全、国民经济的重要基础设施，而且美国一再发出威胁，在必要时可以关闭或者干扰GPS的导航信号，为确保欧洲国家自身的国防及经济安全，欧盟决定建设Galileo。法国前总统雅克·希拉克（Jacques Chirac）甚至表示，如果欧盟不投资建造欧盟自己管控的星基卫星导航系统Galileo，欧盟将成为“美国的附庸”。

Galileo项目是继空中客车（Airbus）项目及阿里亚纳太空（Arianespace）计划之后，欧盟计划进行的一个重大项目。Airbus及Arianespace都取得了巨大成功，是两个能够与美国进行竞争的项目。美国对于Galileo这样能够对GPS构成竞争及冲击的项目，当然是希望将其扼杀在摇篮之中。美国反对 Galileo的理由如下：1）Galileo的导航信号与美国 GPS的一个军用信号频率接近，在发生紧急情况时，美国将对Galileo的导航信号进行干扰，这样同样会干扰到GPS的军用导航信号，会使美国的作战终端处于风险之中；2）欧盟各国应该将经费用到更新自己的军事装备上，而不要用在建立新的星基卫星导航系统上，在科索沃战争中，美国发现 NATO成员国的武器装备已经远远落后，满足不了现代化战争的要求，需要立即更新军事装备，而且GPS可以保证为欧盟各国提供需要的导航定位服务，因此，欧盟没有必要去建立一个新的卫星导航系统；3）他国可以利用Galileo的导航信号为其战机及导弹导航，欧盟一直宣称 Galileo是纯粹的民用系统，即使在战时也可以为民用设备提供导航信号，但Galileo本身无法保证其导航信号不被他国用到作战装备上，从而影响到美国的利益。

Galileo计划虽然遭到了美国的反对，但欧盟发展Galileo的决心一直未变。在经过4年的谈判之后，美国和欧盟于2004年6月26日签署了合作协议，主要内容包括：1）Galileo与GPS均为独立运行的卫星导航系统；2）制定全球导航服务标准，实现GPS与其他卫星导航系统之间的互操作；3）民用信号不收取任何费用；3）用户可以按照自己的意愿选择任意一个导航系统的导航信号；4）开放接收机制造市场，容许仪器生产厂家在全球范围内进行市场竞争；5）保护美国的国家安全利益，其他卫星导航系统的导航信号不得干扰 GPS的无线电频谱。

1.2 Galileo与我国北斗卫星导航系统的频率之争

1.3 英美之间的专利之争

从 2003年开始，英国国防科学技术实验室（Defence Science and Technology Laboratory,DSTL）所属的普劳沙雷创新有限公司（Ploughshare Innovations Limited）就开始对卫星导航信号的二进制偏移载波（binary offset carrier, BOC）调制方法、在世界各地进行专利布局申请。2012年7月31日，美国对英国的一项有关 BOC的专利进行了授权，这项专利的专利权人是英国的国防采购大臣菲利普·邓恩（Philip Dunne）。BOC调制方法是不同卫星导航系统间进行兼容与互操作的核心技术。

2011年，当普劳沙雷创新有限公司得知BOC调制方法将在美国获得专利授权时，他们便开始联系美国、欧洲和其他国家的GNSS 接收机和导航芯片生产厂家，要求这些生产厂家支付BOC调制方法的专利权使用费。英国人索取BOC调制方法专利权使用费的行为，震惊了美国朝野，引发了历时一年半的关于GNSS导航信号专利权的纠纷。美国人甚至威胁要终止GPS与Galileo之间的互操作，以捍卫 GPS 信号的权利。迫于制造业界的压力，美国政府最后不得不动用外交手段，于2013年1月17日与英国签署了联合声明。联合声明规定：英美两国将会共同确保GPS民用信号永远免费；英国将把政府持有的所有涉及美国GPS民用信号的专利权无偿奉献给公共服务领域。

文献[15]报道，英国与欧盟之间就英国政府拥有的 BOC调制方法专利免费给 Galileo使用达成了协议，该协议规定：GNSS接收机及导航芯片生产厂家，可以免费使用英国政府拥有的BOC调制方法专利权。

3) 缩小阀门口径，由上述计算公式可知，CV值减小，qm也减小，为保证通过阀门的流量不变，必须加大阀门开度，避免了阀门在小开度工作。该方案在经费允许的情况下，可根据计算适当换成小口径阀门。

1.4 命运多舛，事故不断

早在2005年12月28日，为抢占ITU分配给Galileo导航卫星的频率，欧盟从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射了Galileo第一颗试验卫星GIOVE-A，近 3年后的 2008年4月 26日，才发射了第二颗试验卫星 GIOVE-B。由于资金困难及管理体制的原因，导致发射Galileo组网卫星的速度缓慢，特别是2014年8月22日，在法属圭亚那库地区的欧洲圭亚那航天中心发射的两颗组网卫星 Galileo-FOC FM1及 Galileo-FOC FM2未能够进入预定轨道，更是延缓了Galileo组网卫星的布设计划。原计划于 2011年进行试运行的 Galileo，被迫推迟到 2016 年才具备了试运行的能力，到2019年才具备了完全运行能力（full operational capability, FOC），计划到2021年低，将完成Galileo导航卫星星座的布设，Galileo导航卫星星座由30颗导航卫星组成，包括24颗提供服务的导航卫星及6颗备用卫星。在建设Galileo的进程中，有以下两件典型事件值得我们借鉴：

1）2017年1月的星载原子钟故障。到2017年1月，Galileo在轨运行的导航卫星有18颗，每颗卫星上搭载了两台铷原子钟和两台被动型氢原子钟（passive hydrogen maser, PHM），2017年1月18日，在Galileo导航卫星搭载的72台原子钟里，有9台原子钟发生了故障，包括3台铷钟和6台氢原子钟，这里面不包括一台氢原子钟在发生故障后，又成功重新启动了的氢原子钟。虽然Galileo星载原子钟失效的事件没有影响到Galileo卫星的正常工作，但Galileo星载原子钟的失效事件，也给人们一个警示：保证导航卫星的载荷质量是非常重要的，即使是成熟的铷钟，也有可能发生故障；采用新技术的氢原子钟，更需要在地面进行严格的实验测试后，才能够应用到生产实践中。

2）2019年的服务中断事件。2019年7月11—17日，Galileo的广播星历没有得到连续更新，导航卫星一直处于“不可用（NOT USABLE）”状态，导致导航定位服务中断近7天，给Galileo的声誉带来了严重影响。据欧盟委员会发言人说，这次事故是在Galileo地面控制中心的设备升级过程中，由于一些地面设备无法正确计算并注入卫星的轨道参数才发生的偶然事故，Galileo导航卫星本身没有发生故障。欧盟委员会发言人反复强调，这次事件发生在Galileo试运行期间，出现各种故障是完全可能的。

2 Galileo的特点

与其他3个GNSS一样，Galileo也是由空间段、地面段和用户段组成，其定位原理也是利用导航卫星发送的导航信息，接收机接收 4个以上导航卫星的信号来实现定位的。Galileo的星座由24颗工作卫星及6颗备用卫星组成，这些卫星都是中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）卫星，卫星距地面的距离为23 222 km，绕地球运行的时间为14 h 4 min 42 s，这24颗工作平均分布在与赤道成 56°角的3个轨道平面上，每个轨道面上有8颗工作卫星和2颗备用卫星，当工作卫星出现故障时，启动备用卫星，以保证Galileo的导航定位服务不受影响，其星座示意图如图1所示。

图1 Galileo卫星星座[18]

Galileo地面段由两个 Galileo控制中心（Galileo control centres, GCC）组成，这两个控制中心分别位于德国的奥伯普法芬霍芬（Oberpfaffenhofen）和意大利的富齐诺（Fucino），每个 GCC 管理具有“控制”功能的地面控制段（ground control segment, GCS）和具有“任务”功能的专用地面任务段（ground mission segment,GMS）。

地面控制段通过在全球分布的遥测、跟踪（telemetry, tracking, TT）站和控制站（control stations, CS）形成的 Galileo卫星监控网络，对Galileo卫星的星务进行管理并对Galileo卫星的星座进行维持，包括控制和监测Galileo卫星及其有效载荷，若Galileo卫星发生故障时，地面控制段能够对Galileo卫星进行自动管控。

地面控制段通过所有的 Galileo监测站（Galileo sensor stations, GSS）获取的Galileo导航卫星数据，确定Galileo卫星的导航电文和授时数据，并通过Galileo上行链路站（Galileo uplink stations , ULS）实现ULS与Galileo导航卫星间的通信，地面控制段和地面任务段将Galileo导航卫星与全球所有的Galileo地面站连接成网络，实现对Galileo导航卫星的监测和控制。Galileo地面段如图2所示。图2中：GRC（Galileo Reference Centre）为 Galileo 参考中心；GSC（European GNSS Service Centre）为欧洲 GNSS服务中心；GSMC（Galileo Security Monitoring Centre）为Galileo安全监测中心；GSS（Ground Sensor Station）为地面监测站；IOT（In Orbit Test Center）为在轨测试中心；LEOPCC（Launch and Early Operations Control Centre）为发射及早期运行控制中心； SAR MEOLUT（Search and Rescue – Medium Earth Orbit Local User Terminal）为搜救–中圆地球轨道本地用户终端；SGS（SAR/Galileo Ground Segment）为SAR/Galileo地面段；TGVF（Timing and Geodetic Validation Facility）为授时及大地测量验证设施；TT&C（Telemetry, Tracking and Control Stations）为测控站。

图2 Galileo地面段示意[20]【审图号：GS（2022）2347号】

与其他3个GNSS相比，Galileo具有以下特点：

1）第一个独立于军方的民用卫星导航系统。无论是美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS），还是我国的BDS，军方都是建设、运营及操作这3个GNSS的主要力量，如果发生军事冲突等突发事件，这些系统都有可能不能够使用。而GNSS已经成为国民经济中的重要基础设施，一旦卫星导航系统出现故障，将会给国民经济建设和人民生活带来重大影响。即使在有军事冲突的地方，Galileo也会为冲突区域提供全天时、全天候的导航定位服务。

2）Galileo的导航卫星采用了许多新技术，例如精度非常高的星载原子钟、数字信号处理技术及长寿命卫星，地面监控站密布全球，这些有利条件使得Galileo的导航信号精度更高，可以为用户提供更为优良的导航定位服务。

3）由于Galileo的导航信号采用了BOC调制方法，更容易与其他卫星导航系统实现兼容与互操作，这等于直接增加了导航卫星的数量，可以在高楼林立的城市、山区峡谷及森林场景等不理想的环境场合，提高定位结果的精度。

4）Galileo的所有卫星，都在两个频段即L1/E1和 L5/E5 上发送民用信号，这样用户就可以采用双频接收机来接收Galileo的导航信号，从而减小电离层对测量结果的影响。

5）服务类型更加多元化。除了公开服务（OS）外，Galileo还提供E6频段上的加密导航信号，包括商业认证服务（commercial authentication service,CAS）、面向政府机构的公共特许服务（PRS）、搜救支持服务（SAR）及Galileo独创的返回链接消息（return link message, RLM）功能，RLM功能是指搜救中心在收到求救者的求救信号后，告知求救者搜救中心已经知晓了求救者的位置及求救信息。

3 Galileo的现代化计划

从 2005年底发射 Galileo第一颗试验卫星GIOVE-A以来，Galileo的事故就不断，有些事故官方进行了正式公布，有些事故官方并未进行公布，例如文献[22]就报道，Galileo的一颗导航卫星多次偏离了轨道近5 m，这对于对外宣称导航精度达 1 m的导航系统而言，导航卫星的轨道误差太大了。为了确保Galileo的导航定位精度，为全球用户提供满意的服务，近年来Galileo进行了一系列现代化工作。

3.1 管理机构更名

Galileo的管理机构“欧洲 GNSS管理局（European GNSS Agency，GSA）”更名为“欧盟空间规划局（EU Agency for the Space Programme,EUSPA）”，EUSPA仍然负责Galileo及EGNOS的日常管理、将积极布局Galileo及EGNOS的开发应用工作，为欧洲企业创造更多的商业机会，EUSPA的总部位于捷克共和国的首都布拉格，是由欧洲委员会（European Commission, EC）管理的一个机构。而由部分欧盟（EU）国家及英国组成的欧洲空间局简称欧空局（European Space Agency,ESA）则负责研发Galileo，加拿大与欧空局（ESA）间也具有特殊的合作关系。欧洲空间局（ESA）与欧盟空间规划局（EUSPA）具有纷繁复杂的关系，即并非所有欧盟（EU）成员国都是欧空局（ESA）的成员，欧空局（ESA）的成员国也并非都是欧盟（EU）成员国，欧空局（ESA）的经费则主要来自欧盟（EU），ESA与EUSPA的这种复杂关系，也是导致Galileo频繁出现问题的重要原因。

3.2 导航卫星的现代化

为了克服现有 Galileo导航卫星的缺点，EUSPA对Galileo导航卫星提出了新要求，要求第二代伽利略卫星导航系统（Galileo second generation, G2G）的导航卫星具备以下特点：

1）具有数字式可重构天线（digitally configurable antennas, DCA）。DCA可以根据控制系统的指令，实时改变工作频率、极化方式、覆盖区域等，这样就能够解决电磁兼容、卫星质量等问题；

2）搭载星间链路载荷，实现卫星间的通信和相互测距，对卫星位置和时间误差进行修正，从而在一定时间内保持精确的定轨能力和时间同步能力，增强卫星自主导航能力；

3）使用全电力推进系统对导航卫星的飞行状态进行调整，使导航卫星能够自动修正轨道到预设的轨道上；

4）第一代Galileo的星载原子钟，虽然采用了技术较为成熟的铷原子钟及精度更高的氢原子钟，但Galileo星载原子钟时常发生故障，给Galileo的声誉带来了不利影响，因此，研究寿命更长、性能更加稳定，故障率更低的新一代星载原子钟，也是G2G导航卫星需要解决的问题。

3.3 地面段设施的现代化

为了使Galileo能够提供更为多元化的服务，提高Galileo服务的稳健性，ESA正对Galileo 的基础设施进行升级和现代化改造，主要包括：

1）采用虚拟化技术对Galileo地面段的设施进行升级改造。经过虚拟化技术改造后的Galileo地面段设施，能够兼容未来的新技术，也能够减少对当前Galileo运营的影响；

2）研发先进的定轨与时间同步算法及其测试平台。导航卫星的轨道精度及其时间同步精度，直接决定了接收机的定位精度及测时精度。2020年12月 3日，泰雷兹·阿莱尼亚空间公司（Thales Alenia Space）与ESA签订了研发先进的定轨与时间同步（advanced orbit determination and time synchronisation, ODTS）算法及其测试平台（advanced ODTS algorithms test platform, A-OATP）合同，用以提高Galileo导航卫星的定轨精度及星载原子钟的精度；

3）研发新一代Galileo运控系统。2020年11月23日，西班牙的国际科技公司（GMV）与ESA签订了新一代 Galileo运控系统的合同。新一代Galileo运控系统可以同时管理两个Galileo控制中心，可以对多达由 38 颗导航卫星组成的 Galileo卫星星座进行监测和控制，可以对Galileo导航卫星的完好性进行监测。

3.4 Galileo服务能力的更新

1）导航信号认证。用户接收机接收到的导航数据和授时数据，现有的接收机都无法确认这些数据是否真正确实来自导航卫星。如果这些数据在传播途中被篡改或者被干扰，则接收机将会接收到虚假的导航数据，导致定位结果出现错误，从而产生严重的后果。Galileo将提供公开服务中的导航信息认证（OS navigation message authentication,OS-NMA）服务，其认证原理是在导航电文中未定义的字段上，插入常规导航电文的数字签名，接收机通过验证数字签名与导航电文的一致性来判断接收机接收到的导航信号的真实性。

2）高精度服务。在汽车自动驾驶、无人机及无人艇的飞行控制、精准农业、土木工程测量、地图测绘等领域，需要高精度服务（high accuracy service, HAS）来确定接收机的位置。虽然可以采用精密单点定位（precise point positioning, PPP）技术、实时动态差分定位（real-time kinematic positioning, RTK）、网络 RTK（network RTK, NRTK）技术以及 PPP-RTK 来提高接收机定位精度，但PPP需要较长的定位时间，无法满足用户实时定位的需求；NRTK需要双向通信，这样就限制了用户的数量，而且 NRTK需要有网络的地方才能够上网络，其服务区域受限。采用PPP-RTK 技术，可以解决现有差分技术的缺点。Galileo为用户提供HAS的原理如图3所示。

图3 Galileo高精度服务原理[30]

Galileo监测站（GSS）将每颗卫星的轨道修正、钟差、大气改正等改正项，通过上行数据发送站（ULS）将这些改正数据发送到Galileo导航卫星上，Galileo导航卫星通过E6-B信号将这些改正信息播发出去，接收机可以接收到这些改正信息，从而提高定位精度；Galileo导航卫星的这些改正项，也可以通过互联网进行播发，接收机也可以从互联网上获取这些改正信息。

3）升级搜救支持服务功能。Galileo的新一代搜救系统如图4所示，与上一代搜救系统最显著的区别是，新一代的搜救系统增加了RLM功能，让求救者这知悉救援中心已经获得了求救者的位置。图4中：LEOSAR （low Earth orbit SAR）为低轨道SAR系统；MEOSAR（medium-Earth orbit SAR）为中圆地球轨道 SAR系统；GEOSAR（geostationary Earth orbit ASR）地球同步轨道SAR系统；ELT（emergency locator transmitter）为紧急示位发信机；EPIRB（emergency position-indicating radio beacon）为紧急无线电示位标；PLB（personal locator beacon）为个人示位标；RLSP（return link service provider）为返回链路服务提供者。

图4 Galileo第二代搜救系统[31]

5 结束语

卫星导航系统是关系国计民生的重大基础设施，任何失误或事故将会给国民经济带来严重影响。欧盟从2000年开始进行的Galileo计划，虽然对Galileo进行过周密谋划，但在实施过程中事故一直不断，给 Galileo的声誉带来了严重影响，Galileo的经验教训值得我国发展北斗卫星导航系统时借鉴，Galileo的现代化计划，也可以为我国的北斗卫星导航系统提供参考。