歐洲“伽利略”衛星導航系統進展

□□全球衛星導航系統（GNSS）是一種天基無線電導航定位與時間傳遞系統，包括衛星星座、地面系統及用戶終端設備等三大部分，可為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天候、全天時、高精度的三維位置、速度及時間信息。“伽利略”（Galileo）衛星星座由30顆衛星組成，這些衛星均勻分布在3個中高度地球軌道上，其星座構形為Walker 27/3/1，并有3顆在軌備份星。衛星軌道高度為23616km，軌道傾角為56°，設計壽命20年。

1 空間段進展情況

Galileo衛星概貌

Galileo衛星的尺寸為2.7m×1.2m×1.1m，太陽電池翼展開跨度13m，發射質量700kg，功率1.6kW，主要有效載荷包括質量為130kg、功率為900W的導航載荷和質量為15kg、功率為50W的搜救轉發器。Galileo衛星發送連續的測距碼和導航數據，即使在惡劣情況下，時鐘坐標和導航數據每100min上行注入1次，完好性數據每秒鐘上行注入1次。

Galileo衛星提供10個右圓極化的導航信號和1個搜救信號。依據國際電信聯盟（ITU）的規定：導航信號分別在分配的無線電導航衛星系統頻段1164～1215MHz、1260～1300MHz和1559～1591MHz內發射；搜救信號將在一個緊急服務預留頻段（1544～1545MHz）內廣播。系統采用碼分多址（CDMA）擴頻技術，各衛星以相同的頻率發射信號。Galileo衛星射頻信號的調制除了采用傳統的二進制移相鍵控（BPSK）調制技術外，還采用一種新的調制技術—二進制偏移載波（BOC）調制。與BPSK相比，這種調制方式具有較好的抗多路徑效應、降低碼噪聲和易于信號跟蹤等優點，將成為未來衛星導航與通信系統信號的有效調制手段。

Galileo衛星有效載荷

（1）導航有效載荷

導航有效載荷主要包括：①授時系統；②信號產生子系統，對載波頻率進行格式化、編碼和調制；③無線電頻率子系統，放大調制載波；④天線子系統，向用戶發送導航信號；⑤C頻段數據接收系統，負責接收導航電文和完好性數據。其中，授時系統由星載原子鐘，以及相對應的功分器、功率合成器、頻率分配網絡、二次電源模塊和鎖相環（PLL）電路等部件構成。星載原子鐘是衛星授時系統的核心，包括2臺銣鐘和2臺氫脈澤鐘，銣鐘質量為3.2kg，功率為30W；氫脈澤鐘質量為18kg， 功率為70W。銣鐘體積小，成本低，具有較短的周期穩定度（優于10納秒/天），是在星上采用的最先進的銣鐘；而氫脈澤鐘的周期穩定度更短（優于1納秒/天），世界上首次在星上采用這種氫鐘。

星載銣鐘由原子共振器和控制電子部件組成。在共振器的銣蒸汽單元中，原子在高溫環境中保持氣態。為了引起共振，原子被共振器一端的銣放電燈照射而處于激活狀態；在共振器的另一端，光電二極管探測通過共振器的光子數量。這些被激活后的原子衰退到更低的狀態后，通過在設定的頻率上向共振器內注射微波能量，又被重新激活到中等能級水平。當這些原子處于中等能級狀態時，光子的吸收量最大。光電二極管的輸出量與調整微波頻率的控制電路有關。通過調節微波源維持恰當的頻率，從而獲得最大的光子吸收量，并利用銣放電燈的能量來維持共振，使這些處于中等能級狀態的原子又被激活到更高狀態，然后衰退到更低狀態，這樣整個過程又重新開始。

星載氫脈澤鐘已在2008年發射的導航試驗衛星GIOVE-B上試驗成功。該鐘也由原子共振器和控制電子部件組成，其內的存儲瓶中的氫分子流向氣體放電燈泡，然后分離為氫原子。這些氫原子通過瞄準儀和磁性選擇器進入共振腔，而選擇器只允許符合能量水平的原子進入。進入共振腔的氫原子被限制在一個石英存儲管中，在恢復到基本的能量狀態后發射微波頻率。當發射的微波頻率與原子的共振頻率相同時，會被一個詢問電路探測到，詢問電路鎖定并放大微波信號。

（2）搜救有效載荷

每顆Galileo衛星上都安裝有搜救有效載荷，它支持現有的國際搜救系統（COSPAS/SARSAT），并能滿足國際海事組織（IMO）和國際民航組織（ICAO）在求救信號探測方面的要求。

搜救有效載荷是一個變頻轉發器，質量約15kg，功率為50W。該有效載荷在406MHz頻帶上檢出求救信號，將其轉化為1544MHz頻帶（稱為L6頻帶，保留為緊急服務使用）的信號發送到地面救援系統。另外，它還將在C頻段上接收到的由搜救注入站發來的救援指令變換到L頻段發送給搜救終端。Galileo系統將定位功能和搜救功能集成在一個系統中，并能夠實現全球無縫覆蓋，系統用戶在任何地點和時間均可接收到4顆衛星信號，從而確保實時報警和求救信號被可靠接收。搜救有效載荷具有雙向轉發功能，可以將救援指令發送到求救者所在區域，及時通知附近的救援組織前往營救；求救者收到此信號后，也可以確知求救信號已被受理，從而作好準備配合救援行動。

Galileo衛星提供導航服務

Galileo系統服務模式

Galileo系統在軍事和民用等領域都具有十分廣闊的應用前景，可提供免費服務和有償服務兩種服務模式。免費服務的設計定位精度為6m，比現有GPS民用信號精度高；有償服務的定位精度可優于1m，將為民航等用戶提供高可靠性和高精度的導航定位服務。雖然Galileo系統提供的信息仍然是位置、速度和時間，但是其服務種類比GPS多，GPS僅有標準定位服務（SPS）和精確定位服務（PPS）兩種，而Galileo系統則能提供5種服務，分別是：①公開服務；②生命安全服務；③商業服務；④公共特許服務；⑤搜救服務。

（1）導航服務

在Galileo系統提供的5種服務中，公開服務、生命安全服務、商業服務、公共特許服務是導航服務。

1）公開服務。這種服務分為單頻和雙頻兩種，為大規模導航應用提供免費的定位、導航和授時服務，針對不需要任何保證的大市場應用，如車輛導航和移動電話定位。當用戶在固定地面使用接收機時，可為網絡同步和科學應用提供精確授時服務。公開服務和現有的GPS、GLONASS系統的類似服務相兼容，Galileo接收機也能夠接收GPS和GLONASS信號，其精度與常規的差分GPS精度相同，不需要額外的地面基礎設施，任何用戶只要配備1臺接收機就可以使用。

2）生命安全服務。這種服務主要涉及陸地車輛、航海和航空等危及用戶生命安全的領域，要求提供迅速、及時和全面的系統完好性信息，以及高水平的導航定位和相關業務。它還將提供全球完好性信號，可以被加密，是公開服務信號的一部分。其性能與ICAO要求的標準和其他交通模式（地面、鐵路、海洋）相兼容。生命安全服務和當前得到的“歐洲對地靜止導航覆蓋服務”（EGNOS）校正增強的GPS系統相結合，能滿足應用的更高要求。

3）商業服務。這種服務主要涉及專業用戶，是對公開服務的一種增值服務，以獲取商業回報，它具備加密導航數據的鑒別功能，為測距和授時專業應用提供有保證的服務承諾。商業服務大部分與以下服務內容相關聯：①分發公開服務中的加密附加數據；②非常精確的局部差分應用，使用公開信號覆蓋公共特許服務信號E6；③支持Galileo系統定位應用和無線通信網絡的完好性領航信號。

商業服務中2種額外加密信號的接入，使其具有更快的數據吞吐量和更高的精度，授時精度達到100ns。商業服務采用準入控制措施，其實現將通過接收機上的“進入密碼”[類似移動通信中的個人識別碼（PIN）]來保證，這樣就無需使用昂貴的信號編碼技術。

4）公共特許服務。這種服務是為歐洲/國家安全應用專門設置的，主要用戶包括警察、海岸警衛隊及海關等。公共特許服務以專門的頻率向歐盟各國提供更廣泛的連續性定位和授時服務，其衛星信號具有高連續性和強抗干擾性，并受成員國控制。這種服務主要用于：歐洲/國家安全、應急服務，全球環境和安全監測，其他政府行為，某些相關或重要的能源、運輸和電信應用，對歐洲有戰略意義的經濟和工業活動，等等。成員國采取準入控制技術對用戶進行授權。公共特許服務有2個加密測距碼和導航數據可用。

（2）搜救服務

搜救服務主要用于海事和航空領域，能夠收集從失事船只、飛機攜帶的緊急信標發出的信號，并中繼給國家救援中心，救援中心由此確定事件的精確位置。每顆Galileo衛星能中繼150個浮標同時發出的信號，10min之內浮標信息就能發送到搜救地面站，其碼誤差率小于10-5,衛星每分鐘能發送6條100bit的信息。Galileo系統搜救服務的優勢在于：縮短對事件地點的探測和定位時間；提供包括其他信息在內的擴展災難通報，有利于搜救行動的開展；多顆衛星覆蓋避免在極端情況下的信息阻塞。

Galileo衛星研制進程

目前，Galileo空間段的建造已完成兩顆GIOVE試驗衛星的研制、發射及運行，4顆在軌驗證衛星（IOV）通過了關鍵設計評審，計劃于2011年分兩次發射。

（1）GIOVE試驗衛星

GIOVE試驗衛星包括GIOVE-A、B衛星，這兩顆衛星同時開始研制，以保證在2006年ITU規定的最終日期之前能有1顆衛星入軌。兩顆衛星性能互補，薩瑞衛星技術有限公司（SSTL）研制的GIOVE-A衛星攜帶了2臺銣鐘，通過2個單獨的通道同時發射試驗信號，已于2005年12月28日由聯盟號火箭發射；另一顆較大的GIOVE-B衛星由Galileo工業集團研制，攜帶了2臺銣鐘和1臺被動氫原子脈澤鐘，通過3個單獨的通道發射試驗信號，已于2008年4月27日發射。每顆衛星的設計壽命2年。

GIOVE衛星是歐洲第一顆導航衛星，也是歐洲第一顆中地球軌道衛星。研制和發射GIOVE衛星的目標是保證國際電聯分配給Galileo系統的頻率占用；驗證Galileo系統采用的關鍵技術；試驗驗證Galileo信號設計；測量Galileo衛星運行軌道周圍的輻射環境。按照Galileo系統設計，兩顆試驗衛星在高精度（優于50cm）和低修正率（2h）上發送近實時軌道確定和時間同步數據。

GIOVE-A衛星尺寸為1.3m×1.74m×1.65m，發射質量450kg，功率660W，有2副太陽電池翼，每副長4.54m，推進系統有2個貯箱，每個貯箱攜帶25kg丁烷推進劑。衛星的三重冗余有效載荷在2個單獨的頻率通道上傳輸導航信號，其有效載荷的主要單元包括：

● 天線單元。獨立的L頻段陣元組成的相控陣列天線，其波束覆蓋全球。

● 信號發生單元。產生2個獨立的Galileo信號。

● 時鐘單元。雙重冗余的小型化銣鐘，穩定度約為1.16×10-13/天。

● 輻射監測器單元。由2臺輻射監測器組成，監測中地球軌道環境。

● 導航接收機單元。

GIOVE-B衛星尺寸為0.95m×0.95m×2.4m，發射質量523kg，有2副太陽電池翼，每副長4.34m，能提供943W功率，推進系統有1個儲箱，攜帶28kg肼推進劑。雙重冗余有效載荷將在3個單獨的頻率通道上發射Galileo信號，主要載荷單元包括：

● 天線單元。獨立的L頻段陣元組成的相控陣列天線，其波束覆蓋全球。

● 信號發生單元。產生不同的Galileo信號。

●時鐘單元。1臺氫脈澤鐘，穩定度約為1.16×10-14/天，是目前在太空中飛行的最精確的時鐘；2臺小型化銣鐘，其中1臺作為氫脈澤鐘的熱備份，另1臺作為冷備份。

● 輻射監測器單元。由2臺輻射監測器組成，監測中地球軌道環境。

（2）IOV衛星

4顆IOV衛星既是在規驗證衛星，也是正式運行的Galileo衛星，主承包商阿斯特留姆公司。2010年5月，衛星的所有4個平臺已經運送到泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司的組裝凈化室。首發的2顆IOV衛星將于2011年10月從法屬圭亞那由聯盟-2火箭發射。在IOV衛星成功運行和在軌驗證之后，Galileo星座中的其余26顆具備完全運行能力的衛星將陸續升空。

IOV衛星的尺寸為2.7m×1.1m×1.2m，太陽電池翼展開跨度為13m，發射質量為700kg，衛星在1200～1600MHz范圍內發射10種信號。Galileo衛星導航有效載荷主要是星載時鐘，包括2臺氫脈澤鐘和2臺銣鐘，每種類型的鐘1臺工作，另1臺作為備份。在正常狀態下，星上1臺工作的氫脈澤鐘提供基準頻率，產生導航信號；如果這臺氫脈澤鐘失效，一臺工作的銣鐘將即刻取代其工作，同時2臺備份鐘將啟動。

由于IOV衛星有效載荷設計需要滿足Galileo系統空間段正常運行的需求，將是Galileo系統體系結構的首次部署，執行Galileo系統的所有5種服務，每顆衛星都能發送精確的時間信號、星歷表和其他導航和商業數據。因此，與GIOVE衛星相比，IOV衛星有效載荷的性能有了改進和提高。

IOV衛星有效載荷仍然具備GIOVE衛星的基本導航特征，增加了一些附加功能，尤其是提供導航信號的C頻段上行鏈路、有效載荷安全特征、搜救有效載荷前向和返回鏈路。由此，歸納出IOV衛星有效載荷設計特點如下：

● 頻率由2臺氫脈澤鐘和2臺銣鐘產生；

● 2個平行的主動固態功率放大器（SSPA）提供更高效的等效輻射功率（EIRP），在L1輸出通道提供功率放大；

● 專用的C頻段任務上行鏈路，傳輸地面任務段（GMS）和外部區域完好性系統（ERIS）數據；

● 增加了1個安全單元防火墻，提供C頻段上行鏈路數據接收認證，同時產生公共特許服務碼；

● 在E6通道上提供商業加密測距碼；

● 搜救有效載荷包括搜救轉發器和搜救天線。

2 地面段進展情況

2009年11月19日，Galileo系統在法屬圭亞那航天中心（CSG）的庫魯地面站正式落成。庫魯地面站由法國航天研究中心（CNES）負責建造，包括1個監控Galileo衛星星座的遙測、跟蹤和指揮（TT&C）站，1個接收衛星發出信號的監測站及2個向衛星傳輸導航指令的上行站。該地面站包含了Galileo系統最全面的地面系統部分，對Galileo系統在規驗證階段至關重要。

Galileo系統地面段的主要任務是：承擔衛星的導航控制和星座管理；為用戶提供系統完好性數據的檢測結果；保障用戶安全、可靠地使用Galileo系統提供地全部服務。地面段由主控中心、地面控制段和地面任務段組成。主控中心是Galileo系統地面段的核心，共有2個（1個位于意大利，1個位于德國，在軌驗證階段啟用1個），它們互為備份，設在歐洲大陸，負責管理地面控制段和地面任務段。

地面控制段負責星務管理和星座維持。在軌驗證階段，地面控制段啟用2個遙測、跟蹤和指令站與每顆衛星進行通信，到星座組網完畢，遙測、跟蹤和指令站數量將達到5個。

每個遙測、跟蹤和指令站都擁有一個口徑為13m的大型天線，工作頻帶為2GHz，在正常運行期間，將采用擴頻調制［類似利用“跟蹤與數據傳輸衛星系統”（TDRSS）和“阿蒂米斯”（ARTEMIS）衛星進行數據轉播］，從而能夠提供不受干擾的強信號。而當某顆衛星的導航系統不能正常運行（如在發射、入軌初期或意外失效時），無法使用正常標準的遙測、跟蹤和指令調制時，將允許利用非歐洲航天局遙測、跟蹤和指令站維持運行。

地面任務段包括任務上行站和監測站，主要負責導航系統控制。在軌驗證階段，地面任務段啟用5個任務上行站和20個監測站，到全面部署階段時，將達到10個任務上行站和40個遍布全球的監測站。地面任務段將利用監測站網絡監測所有衛星的連續導航信號；然后通過衛星和地面網絡，將數據發送到主控中心；最后，地面任務段產生的導航和完好性信息通過C頻段任務上行站發送給Galileo衛星。地面任務段傳輸給用戶的所有數據產品包括：①導航數據，包括星歷、時鐘修正數據、電離層和廣播群延遲（發送給信號頻率用戶）；②完好性數據，包括空間精確度信號（SISA）、空間監測精確度信號（SISMA）、完好性標記；③星載時鐘時間同步數據。

每個上行站都有4副口徑為3.2m的C頻段天線，工作頻帶為5GHz，其中一部分天線覆蓋整個星座的完好性信息，另一部分天線覆蓋導航服務。每個監測站具備雙重接收鏈路，一種具有測軌和時間同步（OD&TS）功能，每隔10min能提供一段持續時間內所有衛星觀測的批處理數據，計算每顆衛星的精確軌道和時鐘偏差，從而監測由于重力、熱量、老化和其他衰減引起的長期變化參數；另一種具有完好性處理功能，提供對每顆衛星的瞬時觀測數據，以驗證其信號的完好性，從而監測由于突然失效或改變引起的衛星短期影響。這些對整個星座的計算結果將上行到選定的衛星上，然后發送給任何用戶，這樣所有用戶都能接收至少2個完好性信息。

3 用戶終端

GPS/Galiloe接收機

Galileo系統用戶段終端主要由導航定位模塊和通信模塊組成，包括用于飛機、艦船、車輛等載體的各種用戶接收機。由于Galileo系統尚未建成，目前還沒有商品化的用戶設備即接收機推向市場。從Galileo系統提供的多種應用與服務的模式來考慮，其用戶接收機的設計和研制分為高、中、低3個檔次。低檔Galileo接收機一般只接收Galileo系統的免費單頻信號；中檔接收機可接收雙頻商業服務信號；而高檔接收機計劃可兼容GALILEO/GPS/GLONASS系統的信號，從而獲得更高的定位精度、保障導航和定位信息的可用性、完好性及連續性。

歐美GPS接收機和GPS/GLONASS兼容接收機已經具有成熟的產品，GPS和GLONASS接收機的成熟技術完全可以用于低、中檔Galileo接收機。Galileo用戶接收機需要解決的關鍵技術主要是高檔接收機的多頻、多星座系統融合技術。為此，Galileo計劃中專門組織了“用戶段設計和性能”研究工作，Galileo接收機設計中的內容包括如下標準：

● Galileo系統的坐標系統和時間系統標準；

● 多星座組合導航坐標框架及時間系統標準格式；

● 空間信號接口規范，包括：接收機天線和信號參數標準；導航電文數據標準及格式（包括衛星星歷、衛星健康狀況、衛星工作狀況、差分數據、差分狀態、定位精度等）；接收機測距數據格式（含偽距和載波相位測量、多普勒頻移測量等）；

● 接收機導航定位輸出格式（含單點定位結果、衛星空間分布、定位精度、歷書等）；

● 差分信號格式（航空、海用、陸用、信息服務、RTK差分等）。

目前，Septentrio衛星導航公司按照與歐洲航天局簽訂的合同，已研制出Galileo試驗用戶接收機（TUR）。TUR-N接收機是一種完全獨立操作、多頻、多星座接收機，能獨立生成測量和定位值。

在Galileo在軌驗證階段，研制TUR-N接收機的目的是驗證Galileo在軌驗證星座的服務性能，并與GPS導航星座相兼容。該接收機能實現：①Galileo單頻和雙頻公開服務；②Galileo單頻和雙頻生命安全服務，包括整個Galileo導航報警算法；③Galileo商業服務，包括跟蹤和解碼加密的E6BC信號；④GPS/SBAS/Galileo單頻和雙頻多星座定位；⑤Galileo單頻和雙頻差分定位；⑥Galileo三頻實時動態測量（RTK）。

在2010年7月30日歐洲與美國發布的共同聲明中表示，要提升GPS和Galileo組合接收機性能。雙方設立的加強下一代GPS和Galileo合作的工作組完成了GPS/SBAS接收機性能的全球評估，這種接收機使用了歐洲增強系統（EGNOS）和GPS廣域增強系統（WAAS）。評估結果顯示，全球范圍內的航空服務可用性得到改善，并顯著提高GPS衛星的穩健性。工作組還完成了集成GPS-3和Galileo公開民用服務功能的互操作接收機組合評估，對GPS、Galileo和GPS/Galileo這3種接收機在4種情況下的工作性能進行了全面系統的分析比較。GPS/Galileo組合接收機所提供的服務性能將顯著提高，特別是在有遮蔽物的環境下（如建筑物、樹木或是被地形阻礙）更加明顯。雙頻接收機在大部分環境下可提供附加服務功能。

4 啟示

目前，我國正在實施北斗衛星導航工程，在不久的將來會建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠、覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。通過調研歐洲Galileo衛星導航系統的進展情況，總結該計劃實施以來的經驗教訓，對我國北斗衛星導航工程的實施具有一定的借鑒意義。

● 注重關鍵技術的研發。通過對Galileo計劃的調研，表明歐洲尤其注重系統完好性研究，并進行了詳細的分析論證和系統設計。對氫原子時鐘進行了空間飛行試驗驗證，掌握了氫原子時鐘的小型化和高精度時間保持技術。

● 計劃管理上存在缺陷。由于沒有一個相對穩定、分工明確和職責分明的運行管理模式，導致計劃一延再延，無法順利進行。

● 導航系統具有排他性。歐洲從最初開放的接納其他非歐洲國家參與，到后來排斥非歐洲國家并強調系統的獨立性這一點來看，歐洲還是出于保證其區域安全方面考慮的。

● 需要足夠的時間和資金投入。Galileo計劃從最初計劃2008年實現運行推遲到2014年全面部署提供服務，而不久前歐盟委員會又認為，該計劃在2018年之前無法投入運行。同時，計劃的預算和投入也一而再、再而三地增加。這些事實表明，要想建成一個復雜的大系統不可能一蹴而就，需要大量的資金支持，跨越一二十年的時間來實現。

● 在兼容性方面進展顯著。歐盟與美國在導航系統的兼容性和互操作性方面最終達成的協議，為Galileo系統未來的應用鋪平了道路。

● 重視地面應用系統的同步開發。歐洲Galileo計劃在重視衛星系統的研發和部署的同時，對地面應用進行了詳細的規劃，先期啟動了各種類型的用戶終端研制，并注重系統建成后對歐洲經濟的回報率。■