伽利略衛星導航系統的發展歷程及其現代化計劃

楊子輝，薛 彬

（天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072）

0 引言

1990年8月2日，伊拉克大舉入侵其東南部的鄰國科威特，以期控制科威特的石油。面對伊拉克的侵略行徑，美國和聯合國安理會要求伊拉克總統薩達姆·侯賽因（Saddam Hussein）從科威特撤出伊拉克軍隊，但遭到了薩達姆總統的拒絕。為此，以美國為首的34個國家的聯盟軍，從1991年1月17日至2月28日，開始對伊拉克的戰略要地進行密集轟炸，在進行連續6個星期的轟炸后，聯盟軍出動地面部隊對伊拉克軍隊進行了為期 4天的打擊。1991年2月底，薩達姆總統簽署了?；饏f議并從科威特撤軍，同時薩達姆總統還同意在戰后，伊拉克接受國際檢查，以確保伊拉克沒有化學武器或其他大規模殺傷性武器。這次以美國為首的聯盟軍對伊拉克的戰爭稱為“沙漠風暴行動（Operation Desert Storm）”，亦稱為“第一次海灣戰爭（The First Gulf War）”。雖然當時的美國全球定位系統（global positioning system, GPS）只有13顆在軌衛星，但是 GPS還是為聯盟軍的戰機、導彈及地面部隊提供了二維和三維的位置數據，為聯盟軍取得勝利及減少戰斗人員傷亡起到了巨大作用。

科索沃戰爭（Kosovo war）是一場由科索沃的民族矛盾直接引發的局部戰爭。在 1999年 3月24日至6月10日的這78天里，以美國為首的北大西洋公約組織簡稱北約（North Atlantic Treaty Organization，NATO）成員國，對南斯拉夫進行了“外科手術式”的空襲，空襲給南斯拉夫帶來了巨大的財產損失和人員傷亡，而 NATO卻是“零傷亡”。在這78天里的空襲時間里，NATO共出動38 004架次戰機，發射23 614枚導彈，在這些導彈中，有35%的導彈是GPS制導的精確制導導彈。

GPS在戰爭中的作用，讓歐洲聯盟簡稱歐盟（European Union,EU）非常清晰地認識到，星基導航系統是系國家安全、國民經濟于一身的重要基礎設施，必須立即采取行動，建設屬于歐洲的全球衛星導航系統（European global satellite navigation system, European GNSS），European GNSS亦稱為薩特納芙（Satnav）系統。Satnav系統包括兩個發展階段：1）在2005年前，建成歐洲地球同步衛星導航增強服務系統（European geostationary navigation overlay service, EGNOS）并向用戶提供高精度導航定位服務，EGNOS為星基增強系統（satellite based augmentation systems, SBAS），用戶采用EGNOS的導航信號進行定位，其水平位置的定位精度在3 m以內，高程方向的定位精度在4 m以內；2）建立擁有完全自主、服務全球的民用全球衛星導航系統（global satellite navigation system, GNSS），即伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo），Galileo原計劃于2011年進行試運行，為全球用戶提供全天時全天候的公開服務 (open service, OS)、搜救支持服務（search and rescue support service, SAR）及公共授權服務（public regulated service, PRS）。但由于各種原因，到2016 年12月15日，Galileo才具備了試運行能力（initial operational capability,EOC），比原計劃晚了好幾年。

1 Galileo的艱辛發展歷程

1.1 歐美長達4年的導航頻率之爭[8-9]

冷戰結束以后，美國作為世界的唯一超級強國，其獨霸世界的方式引起了很多歐洲國家的不滿；星基衛星導航是維系國家安全、國民經濟的重要基礎設施，而且美國一再發出威脅，在必要時可以關閉或者干擾GPS的導航信號，為確保歐洲國家自身的國防及經濟安全，歐盟決定建設Galileo。法國前總統雅克·希拉克（Jacques Chirac）甚至表示，如果歐盟不投資建造歐盟自己管控的星基衛星導航系統Galileo，歐盟將成為“美國的附庸”。

Galileo項目是繼空中客車（Airbus）項目及阿里亞納太空（Arianespace）計劃之后，歐盟計劃進行的一個重大項目。Airbus及Arianespace都取得了巨大成功，是兩個能夠與美國進行競爭的項目。美國對于Galileo這樣能夠對GPS構成競爭及沖擊的項目，當然是希望將其扼殺在搖籃之中。美國反對 Galileo的理由如下：1）Galileo的導航信號與美國 GPS的一個軍用信號頻率接近，在發生緊急情況時，美國將對Galileo的導航信號進行干擾，這樣同樣會干擾到GPS的軍用導航信號，會使美國的作戰終端處于風險之中；2）歐盟各國應該將經費用到更新自己的軍事裝備上，而不要用在建立新的星基衛星導航系統上，在科索沃戰爭中，美國發現 NATO成員國的武器裝備已經遠遠落后，滿足不了現代化戰爭的要求，需要立即更新軍事裝備，而且GPS可以保證為歐盟各國提供需要的導航定位服務，因此，歐盟沒有必要去建立一個新的衛星導航系統；3）他國可以利用Galileo的導航信號為其戰機及導彈導航，歐盟一直宣稱 Galileo是純粹的民用系統，即使在戰時也可以為民用設備提供導航信號，但Galileo本身無法保證其導航信號不被他國用到作戰裝備上，從而影響到美國的利益。

Galileo計劃雖然遭到了美國的反對，但歐盟發展Galileo的決心一直未變。在經過4年的談判之后，美國和歐盟于2004年6月26日簽署了合作協議，主要內容包括：1）Galileo與GPS均為獨立運行的衛星導航系統；2）制定全球導航服務標準，實現GPS與其他衛星導航系統之間的互操作；3）民用信號不收取任何費用；3）用戶可以按照自己的意愿選擇任意一個導航系統的導航信號；4）開放接收機制造市場，容許儀器生產廠家在全球范圍內進行市場競爭；5）保護美國的國家安全利益，其他衛星導航系統的導航信號不得干擾 GPS的無線電頻譜。

1.2 Galileo與我國北斗衛星導航系統的頻率之爭

1.3 英美之間的專利之爭

從 2003年開始，英國國防科學技術實驗室（Defence Science and Technology Laboratory,DSTL）所屬的普勞沙雷創新有限公司（Ploughshare Innovations Limited）就開始對衛星導航信號的二進制偏移載波（binary offset carrier, BOC）調制方法、在世界各地進行專利布局申請。2012年7月31日，美國對英國的一項有關 BOC的專利進行了授權，這項專利的專利權人是英國的國防采購大臣菲利普·鄧恩（Philip Dunne）。BOC調制方法是不同衛星導航系統間進行兼容與互操作的核心技術。

2011年，當普勞沙雷創新有限公司得知BOC調制方法將在美國獲得專利授權時，他們便開始聯系美國、歐洲和其他國家的GNSS 接收機和導航芯片生產廠家，要求這些生產廠家支付BOC調制方法的專利權使用費。英國人索取BOC調制方法專利權使用費的行為，震驚了美國朝野，引發了歷時一年半的關于GNSS導航信號專利權的糾紛。美國人甚至威脅要終止GPS與Galileo之間的互操作，以捍衛 GPS 信號的權利。迫于制造業界的壓力，美國政府最后不得不動用外交手段，于2013年1月17日與英國簽署了聯合聲明。聯合聲明規定：英美兩國將會共同確保GPS民用信號永遠免費；英國將把政府持有的所有涉及美國GPS民用信號的專利權無償奉獻給公共服務領域。

文獻[15]報道，英國與歐盟之間就英國政府擁有的 BOC調制方法專利免費給 Galileo使用達成了協議，該協議規定：GNSS接收機及導航芯片生產廠家，可以免費使用英國政府擁有的BOC調制方法專利權。

3) 縮小閥門口徑，由上述計算公式可知，CV值減小，qm也減小，為保證通過閥門的流量不變，必須加大閥門開度，避免了閥門在小開度工作。該方案在經費允許的情況下，可根據計算適當換成小口徑閥門。

1.4 命運多舛，事故不斷

早在2005年12月28日，為搶占ITU分配給Galileo導航衛星的頻率，歐盟從哈薩克斯坦的拜科努爾航天發射場發射了Galileo第一顆試驗衛星GIOVE-A，近 3年后的 2008年4月 26日，才發射了第二顆試驗衛星 GIOVE-B。由于資金困難及管理體制的原因，導致發射Galileo組網衛星的速度緩慢，特別是2014年8月22日，在法屬圭亞那庫地區的歐洲圭亞那航天中心發射的兩顆組網衛星 Galileo-FOC FM1及 Galileo-FOC FM2未能夠進入預定軌道，更是延緩了Galileo組網衛星的布設計劃。原計劃于 2011年進行試運行的 Galileo，被迫推遲到 2016 年才具備了試運行的能力，到2019年才具備了完全運行能力（full operational capability, FOC），計劃到2021年低，將完成Galileo導航衛星星座的布設，Galileo導航衛星星座由30顆導航衛星組成，包括24顆提供服務的導航衛星及6顆備用衛星。在建設Galileo的進程中，有以下兩件典型事件值得我們借鑒：

1）2017年1月的星載原子鐘故障。到2017年1月，Galileo在軌運行的導航衛星有18顆，每顆衛星上搭載了兩臺銣原子鐘和兩臺被動型氫原子鐘（passive hydrogen maser, PHM），2017年1月18日，在Galileo導航衛星搭載的72臺原子鐘里，有9臺原子鐘發生了故障，包括3臺銣鐘和6臺氫原子鐘，這里面不包括一臺氫原子鐘在發生故障后，又成功重新啟動了的氫原子鐘。雖然Galileo星載原子鐘失效的事件沒有影響到Galileo衛星的正常工作，但Galileo星載原子鐘的失效事件，也給人們一個警示：保證導航衛星的載荷質量是非常重要的，即使是成熟的銣鐘，也有可能發生故障；采用新技術的氫原子鐘，更需要在地面進行嚴格的實驗測試后，才能夠應用到生產實踐中。

2）2019年的服務中斷事件。2019年7月11—17日，Galileo的廣播星歷沒有得到連續更新，導航衛星一直處于“不可用（NOT USABLE）”狀態，導致導航定位服務中斷近7天，給Galileo的聲譽帶來了嚴重影響。據歐盟委員會發言人說，這次事故是在Galileo地面控制中心的設備升級過程中，由于一些地面設備無法正確計算并注入衛星的軌道參數才發生的偶然事故，Galileo導航衛星本身沒有發生故障。歐盟委員會發言人反復強調，這次事件發生在Galileo試運行期間，出現各種故障是完全可能的。

2 Galileo的特點

與其他3個GNSS一樣，Galileo也是由空間段、地面段和用戶段組成，其定位原理也是利用導航衛星發送的導航信息，接收機接收 4個以上導航衛星的信號來實現定位的。Galileo的星座由24顆工作衛星及6顆備用衛星組成，這些衛星都是中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛星，衛星距地面的距離為23 222 km，繞地球運行的時間為14 h 4 min 42 s，這24顆工作平均分布在與赤道成 56°角的3個軌道平面上，每個軌道面上有8顆工作衛星和2顆備用衛星，當工作衛星出現故障時，啟動備用衛星，以保證Galileo的導航定位服務不受影響，其星座示意圖如圖1所示。

圖1 Galileo衛星星座[18]

Galileo地面段由兩個 Galileo控制中心（Galileo control centres, GCC）組成，這兩個控制中心分別位于德國的奧伯普法芬霍芬（Oberpfaffenhofen）和意大利的富齊諾（Fucino），每個 GCC 管理具有“控制”功能的地面控制段（ground control segment, GCS）和具有“任務”功能的專用地面任務段（ground mission segment,GMS）。

地面控制段通過在全球分布的遙測、跟蹤（telemetry, tracking, TT）站和控制站（control stations, CS）形成的 Galileo衛星監控網絡，對Galileo衛星的星務進行管理并對Galileo衛星的星座進行維持，包括控制和監測Galileo衛星及其有效載荷，若Galileo衛星發生故障時，地面控制段能夠對Galileo衛星進行自動管控。

地面控制段通過所有的 Galileo監測站（Galileo sensor stations, GSS）獲取的Galileo導航衛星數據，確定Galileo衛星的導航電文和授時數據，并通過Galileo上行鏈路站（Galileo uplink stations , ULS）實現ULS與Galileo導航衛星間的通信，地面控制段和地面任務段將Galileo導航衛星與全球所有的Galileo地面站連接成網絡，實現對Galileo導航衛星的監測和控制。Galileo地面段如圖2所示。圖2中：GRC（Galileo Reference Centre）為 Galileo 參考中心；GSC（European GNSS Service Centre）為歐洲 GNSS服務中心；GSMC（Galileo Security Monitoring Centre）為Galileo安全監測中心；GSS（Ground Sensor Station）為地面監測站；IOT（In Orbit Test Center）為在軌測試中心；LEOPCC（Launch and Early Operations Control Centre）為發射及早期運行控制中心； SAR MEOLUT（Search and Rescue – Medium Earth Orbit Local User Terminal）為搜救–中圓地球軌道本地用戶終端；SGS（SAR/Galileo Ground Segment）為SAR/Galileo地面段；TGVF（Timing and Geodetic Validation Facility）為授時及大地測量驗證設施；TT&C（Telemetry, Tracking and Control Stations）為測控站。

圖2 Galileo地面段示意[20]【審圖號：GS（2022）2347號】

與其他3個GNSS相比，Galileo具有以下特點：

1）第一個獨立于軍方的民用衛星導航系統。無論是美國的 GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS），還是我國的BDS，軍方都是建設、運營及操作這3個GNSS的主要力量，如果發生軍事沖突等突發事件，這些系統都有可能不能夠使用。而GNSS已經成為國民經濟中的重要基礎設施，一旦衛星導航系統出現故障，將會給國民經濟建設和人民生活帶來重大影響。即使在有軍事沖突的地方，Galileo也會為沖突區域提供全天時、全天候的導航定位服務。

2）Galileo的導航衛星采用了許多新技術，例如精度非常高的星載原子鐘、數字信號處理技術及長壽命衛星，地面監控站密布全球，這些有利條件使得Galileo的導航信號精度更高，可以為用戶提供更為優良的導航定位服務。

3）由于Galileo的導航信號采用了BOC調制方法，更容易與其他衛星導航系統實現兼容與互操作，這等于直接增加了導航衛星的數量，可以在高樓林立的城市、山區峽谷及森林場景等不理想的環境場合，提高定位結果的精度。

4）Galileo的所有衛星，都在兩個頻段即L1/E1和 L5/E5 上發送民用信號，這樣用戶就可以采用雙頻接收機來接收Galileo的導航信號，從而減小電離層對測量結果的影響。

5）服務類型更加多元化。除了公開服務（OS）外，Galileo還提供E6頻段上的加密導航信號，包括商業認證服務（commercial authentication service,CAS）、面向政府機構的公共特許服務（PRS）、搜救支持服務（SAR）及Galileo獨創的返回鏈接消息（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號后，告知求救者搜救中心已經知曉了求救者的位置及求救信息。

3 Galileo的現代化計劃

從 2005年底發射 Galileo第一顆試驗衛星GIOVE-A以來，Galileo的事故就不斷，有些事故官方進行了正式公布，有些事故官方并未進行公布，例如文獻[22]就報道，Galileo的一顆導航衛星多次偏離了軌道近5 m，這對于對外宣稱導航精度達 1 m的導航系統而言，導航衛星的軌道誤差太大了。為了確保Galileo的導航定位精度，為全球用戶提供滿意的服務，近年來Galileo進行了一系列現代化工作。

3.1 管理機構更名

Galileo的管理機構“歐洲 GNSS管理局（European GNSS Agency，GSA）”更名為“歐盟空間規劃局（EU Agency for the Space Programme,EUSPA）”，EUSPA仍然負責Galileo及EGNOS的日常管理、將積極布局Galileo及EGNOS的開發應用工作，為歐洲企業創造更多的商業機會，EUSPA的總部位于捷克共和國的首都布拉格，是由歐洲委員會（European Commission, EC）管理的一個機構。而由部分歐盟（EU）國家及英國組成的歐洲空間局簡稱歐空局（European Space Agency,ESA）則負責研發Galileo，加拿大與歐空局（ESA）間也具有特殊的合作關系。歐洲空間局（ESA）與歐盟空間規劃局（EUSPA）具有紛繁復雜的關系，即并非所有歐盟（EU）成員國都是歐空局（ESA）的成員，歐空局（ESA）的成員國也并非都是歐盟（EU）成員國，歐空局（ESA）的經費則主要來自歐盟（EU），ESA與EUSPA的這種復雜關系，也是導致Galileo頻繁出現問題的重要原因。

3.2 導航衛星的現代化

為了克服現有 Galileo導航衛星的缺點，EUSPA對Galileo導航衛星提出了新要求，要求第二代伽利略衛星導航系統（Galileo second generation, G2G）的導航衛星具備以下特點：

1）具有數字式可重構天線（digitally configurable antennas, DCA）。DCA可以根據控制系統的指令，實時改變工作頻率、極化方式、覆蓋區域等，這樣就能夠解決電磁兼容、衛星質量等問題；

2）搭載星間鏈路載荷，實現衛星間的通信和相互測距，對衛星位置和時間誤差進行修正，從而在一定時間內保持精確的定軌能力和時間同步能力，增強衛星自主導航能力；

3）使用全電力推進系統對導航衛星的飛行狀態進行調整，使導航衛星能夠自動修正軌道到預設的軌道上；

4）第一代Galileo的星載原子鐘，雖然采用了技術較為成熟的銣原子鐘及精度更高的氫原子鐘，但Galileo星載原子鐘時常發生故障，給Galileo的聲譽帶來了不利影響，因此，研究壽命更長、性能更加穩定，故障率更低的新一代星載原子鐘，也是G2G導航衛星需要解決的問題。

3.3 地面段設施的現代化

為了使Galileo能夠提供更為多元化的服務，提高Galileo服務的穩健性，ESA正對Galileo 的基礎設施進行升級和現代化改造，主要包括：

1）采用虛擬化技術對Galileo地面段的設施進行升級改造。經過虛擬化技術改造后的Galileo地面段設施，能夠兼容未來的新技術，也能夠減少對當前Galileo運營的影響；

2）研發先進的定軌與時間同步算法及其測試平臺。導航衛星的軌道精度及其時間同步精度，直接決定了接收機的定位精度及測時精度。2020年12月 3日，泰雷茲·阿萊尼亞空間公司（Thales Alenia Space）與ESA簽訂了研發先進的定軌與時間同步（advanced orbit determination and time synchronisation, ODTS）算法及其測試平臺（advanced ODTS algorithms test platform, A-OATP）合同，用以提高Galileo導航衛星的定軌精度及星載原子鐘的精度；

3）研發新一代Galileo運控系統。2020年11月23日，西班牙的國際科技公司（GMV）與ESA簽訂了新一代 Galileo運控系統的合同。新一代Galileo運控系統可以同時管理兩個Galileo控制中心，可以對多達由 38 顆導航衛星組成的 Galileo衛星星座進行監測和控制，可以對Galileo導航衛星的完好性進行監測。

3.4 Galileo服務能力的更新

1）導航信號認證。用戶接收機接收到的導航數據和授時數據，現有的接收機都無法確認這些數據是否真正確實來自導航衛星。如果這些數據在傳播途中被篡改或者被干擾，則接收機將會接收到虛假的導航數據，導致定位結果出現錯誤，從而產生嚴重的后果。Galileo將提供公開服務中的導航信息認證（OS navigation message authentication,OS-NMA）服務，其認證原理是在導航電文中未定義的字段上，插入常規導航電文的數字簽名，接收機通過驗證數字簽名與導航電文的一致性來判斷接收機接收到的導航信號的真實性。

2）高精度服務。在汽車自動駕駛、無人機及無人艇的飛行控制、精準農業、土木工程測量、地圖測繪等領域，需要高精度服務（high accuracy service, HAS）來確定接收機的位置。雖然可以采用精密單點定位（precise point positioning, PPP）技術、實時動態差分定位（real-time kinematic positioning, RTK）、網絡 RTK（network RTK, NRTK）技術以及 PPP-RTK 來提高接收機定位精度，但PPP需要較長的定位時間，無法滿足用戶實時定位的需求；NRTK需要雙向通信，這樣就限制了用戶的數量，而且 NRTK需要有網絡的地方才能夠上網絡，其服務區域受限。采用PPP-RTK 技術，可以解決現有差分技術的缺點。Galileo為用戶提供HAS的原理如圖3所示。

圖3 Galileo高精度服務原理[30]

Galileo監測站（GSS）將每顆衛星的軌道修正、鐘差、大氣改正等改正項，通過上行數據發送站（ULS）將這些改正數據發送到Galileo導航衛星上，Galileo導航衛星通過E6-B信號將這些改正信息播發出去，接收機可以接收到這些改正信息，從而提高定位精度；Galileo導航衛星的這些改正項，也可以通過互聯網進行播發，接收機也可以從互聯網上獲取這些改正信息。

3）升級搜救支持服務功能。Galileo的新一代搜救系統如圖4所示，與上一代搜救系統最顯著的區別是，新一代的搜救系統增加了RLM功能，讓求救者這知悉救援中心已經獲得了求救者的位置。圖4中：LEOSAR （low Earth orbit SAR）為低軌道SAR系統；MEOSAR（medium-Earth orbit SAR）為中圓地球軌道 SAR系統；GEOSAR（geostationary Earth orbit ASR）地球同步軌道SAR系統；ELT（emergency locator transmitter）為緊急示位發信機；EPIRB（emergency position-indicating radio beacon）為緊急無線電示位標；PLB（personal locator beacon）為個人示位標；RLSP（return link service provider）為返回鏈路服務提供者。

圖4 Galileo第二代搜救系統[31]

5 結束語

衛星導航系統是關系國計民生的重大基礎設施，任何失誤或事故將會給國民經濟帶來嚴重影響。歐盟從2000年開始進行的Galileo計劃，雖然對Galileo進行過周密謀劃，但在實施過程中事故一直不斷，給 Galileo的聲譽帶來了嚴重影響，Galileo的經驗教訓值得我國發展北斗衛星導航系統時借鑒，Galileo的現代化計劃，也可以為我國的北斗衛星導航系統提供參考。