歐洲“伽利略”又見曙光——首批導航衛星升空

□ 龐 征

推遲多年的歐洲“伽利略”導航衛星項目的首批2顆“伽利略-在軌驗證”導航衛星于2011年10月21日由俄新型的聯盟-2-1b火箭（也稱聯盟 VS01）送至距地球23600千米的軌道，這也是俄羅斯火箭首次在法國庫魯航天中心發射升空。2顆衛星分別以歐盟舉辦的伽利略兒童繪畫大賽獲獎者——11歲比利時兒童Thijs和9歲保加利亞兒童Natalia的名字命名。此前，歐洲在2005年和2008年發射過2顆“伽利略”導航試驗衛星。

按照目前的計劃，到2014年，歐洲將發射另外14顆“伽利略”導航衛星，從而初步形成衛星導航服務能力。至2019年，將完成全部30顆衛星的發射，實現全球覆蓋，可提供10個右旋圓極化的導航信號和1個搜救信號。

意義重大

由歐盟領銜研制的“伽利略”衛星導航系統是世界上第一個完全向民用開放的全球性衛星定位系統，具有很高的水平。它既可為公眾提供基本信號，也能為政府和軍方提供高度保密的信號，最終建成與GPS和GLONASS兼容、能提供局部輔助信息和搜索信息業務、綜合性能優于現行GPS的獨立民用全球衛星導航系統。

建造“伽利略”是歐洲整體政策的重要組成部分，主要考慮政治、經濟、技術和社會四大要素：在政治上它能體現歐洲的獨立和自主、加強歐洲的凝聚力和向心力、擴大歐洲的世界影響、顯示其實力；在經濟上它可分享全球的衛星導航市場，在產業價值鏈的任何環節上具備全球競爭力，提高交通運輸產業的效率，并增加高技術人員的就業崗位；在社會方面它能為大眾提供更好的、新的服務，改進運輸系統的安全性，有利于降低環境污染；在技術上它可使歐洲的相關產業在國際上居于技術領先地位，并實現一系列技術的綜合探索和發展。

“伽利略”衛星導航系統開始運行后，有望極大改進太空授時和導航信號的有效性和精確度，用戶可以更快、更穩定、更精確地接收到信號。另外，“伽利略”所提供的基礎服務是免費的，收費的高精度數據將提供給付費用戶和軍方使用。

它比GPS及GLONASS更加精確和商業化，可提供服務的范圍涵蓋運輸導航（航天運輸、空運、海運、河運和陸地運輸）、應用科學（大地測量、制圖、海洋學、地球物理學、土地規劃、地質學、礦物開采、漁業、農業）、其他科學與軍事領域等。

“伽利略”系統能提供5種基本的服務方式：開放服務，商業服務，生命安全服務，公共管理服務，搜救服務。

攜帶2顆歐洲“伽利略”導航衛星的聯盟火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發射升空

首批2顆“伽利略-在軌驗證”導航衛星在軌工作示意圖

首批2顆“伽利略-在軌驗證”導航衛星運至發射區

可以說，歐洲“伽利略”全球衛星導航系統是歐洲航天產業的旗艦項目，它的成功關系著歐盟在國際高科技領域的地位。更重要的是，歐洲將從此擁有自己的全球衛星定位系統，打破美國GPS的壟斷，為建設歐洲獨立防務創造條件，極大提升歐盟的國際地位。

由于無論從經濟還是安全角度來說，“伽利略”衛星導航系統對歐洲都十分重要，為此，2002年3月26日，歐盟正式批準了“伽利略”項目；2003年3月，歐盟開始實施“伽利略”導航衛星系統的建造計劃。

歐洲議會2011年9月13日通過一項計劃，批準了歐盟“伽利略”衛星導航系統的運作細節。根據這項計劃，“伽利略”衛星導航系統將兼顧國防與民用目的。根據歐洲議會批準的這個計劃，將從2014年啟用的“伽利略”衛星導航系統在為民用車輛與船舶提供衛星導航信號的同時，也將為歐盟國家的警察與軍隊提供衛星導航信號，并為重點基礎設施、交通系統、緊急搜救等提供服務。因此，“伽利略”衛星導航系統必須提供高精準和高可靠性的信號。這一計劃還確定了開發與此相關的導航設備、軟件及服務商的條件。

好事多磨

“伽利略”計劃基礎設施建設階段總耗資約34億歐元，如何分配這個大“蛋糕”曾是歐盟的一個難題，各國也都為了本國的公司能夠多分一杯羹而爭吵不斷。這一多國合作項目發展一直不夠順利，先是第一階段計劃超支，然后是參加國之間利益分配問題及“伽利略”商業運作模式如何實現等問題，使得“伽利略”計劃滯后了近6年。因此，歐盟委員會不得不將整個項目拆成小的分包合同，并且制定了詳細的項目合同分配方案，確保項目競爭過程中的公平性。

2008年4月23日，歐盟立法機構——歐洲議會通過了“伽利略”全球衛星導航系統的最終部署方案：2008～2013年為建設階段，2013年以后為運行階段。

“伽利略”計劃的所有項目合同被分為衛星、火箭、計算機程序、地面站、控制站和系統運行6大類，供歐盟國家的公司競標。為了降低風險并增加靈活性，歐盟已經采取了雙源策略，規定任何一家公司不能成為超過2類合同的主承包商，而每種產品都必須有2家不同的供應商。這些措施為控制伽利略計劃的預算起到很好的作用，同時，也擴大了高科技戰略的輻射作用。

除了內憂之外，“伽利略”計劃還有外患。美國為了保持衛星導航市場的巨額壟斷利潤，維護自身在軍事高科技領域的霸主地位，一手主導太空秩序，對“伽利略”計劃的實施曾百般刁難。經過美方多次施壓，歐盟被迫作出重大讓步，與美國在2004年達成協議，確保GPS和“伽利略”2個系統能夠兼容，且GPS優先于“伽利略”系統。

由30顆衛星組成的“伽利略”星座

首批2顆“伽利略-在軌驗證”導航衛星與火箭Fregat上面級分離

測試“伽利略-在軌驗證”導航衛星

特點突出

“伽利略”星座包括30顆（其中3顆為備份星）衛星，這些衛星平均分布在軌道高度約為23616千米、傾角56°、相互間隔120°的3個傾斜軌道面上，每個軌道面部署9顆工作星和1顆在軌備份星，衛星運行周期為14小時4分鐘。它提供全球連續覆蓋，地面最多可見衛星數達13顆。每顆衛星的發射重量是625千克，功耗1.5千瓦，尺寸2.7米×1.2米×1.1米，壽命15年。其中導航載荷重113千克，功率808瓦，裝有直徑1.5米的全球波束天線和2對用于產生時標的銣鐘及氫脈沖鐘；搜索救援載荷重15千克，功率50瓦，采用螺旋天線。歐洲將建2個地面控制中心對衛星進行測控，一個負責控制衛星運作，一個負責管理導航系統。

該衛星系統既有與GPS相同之處，也有與GLONASS一樣的地方。例如，歐洲與美國都重視地面應用，都采用碼分多址來區分衛星，各衛星以相同的頻率發射信號，其軌道測定方法也相同，即均在全球部署地面跟蹤測軌監測網；但在衛星的入軌方式和星座優化設計上，歐洲又與俄羅斯一樣，擬采用“一箭多星”的方式直接入軌，均用3個軌道面均勻分布的對稱星座設計。

雖然“伽利略”與GPS、GLONASS都采用時間測距原理進行導航定位，但它比后兩者有較大的不同和一些優越性。例如，“伽利略”星座的衛星數量多，軌道位置高，軌道面少，其覆蓋面積是GPS的2倍，所以可為更廣泛的人群提供衛星導航，而且精確度更高，抗干擾性更強。

“伽利略”可為地面用戶提供免費使用的信號、加密且需交費使用的信號、加密且需滿足更高要求的信號等多種信號，且精度依次提高，最高精度比目前的GPS高10倍左右，即使是免費使用的信號精度也達到6米。

由于“伽利略”的定位精度高，因此通過“伽利略”系統，汽車和火車可以在沒司機的情況下自動行駛；飛機能在任何機場降落；輪船即使在大霧中也可以安全航行等等。有人稱，通過GPS只能找到街道，而利用“伽利略”則能找到車庫門。

“伽利略”系統衛星區分也采用碼分多址技術，各衛星以相同的頻率發射信號。系統的載波頻段分別與GPS的L5和L1頻段、GLONASS的L3頻段重疊，以實現導航系統之間民用信號相互兼容。“伽利略”的接收機可以采集各個系統的數據或者通過各個系統數據的組合來實現定位導航的要求。除了能提供精確的定位信號外，它還可為移動電話業務服務，故能用于救生行動，如接收到失事飛機的求救信號后快速通知附近的救援部門。這些都是GPS望塵莫及的，對此，美國驚恐萬分，并一直橫加阻撓。

“伽利略”和GPS的最大區別在于，它完全從民用出發，由非軍方控制和管理，所以可提供有保證的服務。一旦危機或者戰爭發生，美國完全有理由以“國家安全”為由停止所有GPS服務，而“伽利略”則完全能夠保證服務，并且具有一些GPS相對薄弱的功能。比如，“伽利略”具備完善的搜索救援系統，徒步旅行者或者航海者一旦在海上、沙漠等地方迷失方向，如果攜帶“伽利略”接收機，就可以及時聯系呼叫中心進行救援。

不過，歐盟委員會負責交通的委員雅克·巴羅曾表示，將考慮開放“伽利略”的軍事用途，認為它僅作為民用在將來是行不通的，因為歐洲的軍隊如果連導航定位系統都沒有的話，什么也干不了。媒體分析認為，“伽利略”用于軍事將有助于歐盟彌補投資缺口。從長遠看，它將幫歐洲壯大軍力，更好地為外交服務，因此得到法國等國家的支持。

利用衛星導航技術能精耕細作

準備發射首批2顆“伽利略-在軌驗證”導航衛星的俄羅斯聯盟 VS01火箭

安裝在聯盟-FG火箭頭錐部的第1顆“伽利略”導航試驗衛星GIOVE-A

開路先鋒

與美國、蘇聯和中國一樣，歐洲也是從導航試驗衛星起步。2005年12月28日，歐洲發射了第1顆名叫GIOVE-A的“伽利略”導航試驗衛星。它由英國薩瑞衛星技術有限公司制造，其主要任務包括技術驗證、實時廣播與高精度授時的可行性演示、伽利略系統頻率占用、描述地球中軌的電磁波環境特征等。

其發射質量為600千克，運作功率700瓦，兩塊長4.54米的太陽能電池板。它可提供從太空采集的首組“伽利略”導航信號，用于測試“伽利略”定位系統使用的通信頻率，并在軌道上進行多項信號測試，在“伽利略”預定軌道評估輻射環境并協助解決國際無線電通信校準問題。該衛星還將試驗包括銣原子鐘和1個信號發生器在內的多種關鍵技術，測量軌道的物理參數以及未來“伽利略”星座將要運作的特殊環境。利用位于23616千米圓形軌道、傾斜角為56°的GIOVE-A衛星，能夠獲取“伽利略”技術論證所需的初期試驗信號，并檢驗將來在太空環境中運行“伽利略”衛星所需的關鍵技術。GIOVE-A能夠保證確認衛星的穩定性，但是對于電磁環境方面的研究存在不足。

據歐洲航天局網站2010年12月28日報道，設計使用壽命為27個月的GIOVE-A已經在太空工作了5年，狀態依舊良好。除了設計合理，這顆衛星的“長壽”也有運氣的成分，因為它運行的5年正值太陽活動相對平靜的階段，這意味著它受到的宇宙輻射大大低于預期，損毀的程度也相對小。GIOVE-A在兼容性和精確度等設計方面都優于當時美國的GPS。只是其后“伽利略”計劃被一再延期，原本領先的技術優勢才被更新換代的GPS所超越。

由于個別部件曾出現問題，歐洲第2顆“伽利略”導航試驗衛星GIOVE-B衛星的發射被推遲了將近一年。2008年4月27日發射的GIOVE-B技術更加先進，所傳輸的是寬頻導航信號。它比GIOVE-A稍大且復雜，衛星平臺和有效載荷狀態非常接近于未來30顆衛星組網的“伽利略”星座的衛星，用于繼續試驗“伽利略”計劃的各項關鍵技術。

GIOVE-B自身質量為530千克，功率為940瓦，雙翼展長各為4.34米，攜帶了2臺精確度極高的小型銣原子鐘，其每天的運轉誤差不超過2納秒。該衛星還首次裝配了1臺更為精確的被動型氫原子微波激射器鐘，其每天的運轉誤差在1納秒以下，穩定性比原子鐘更佳，是地球軌道上運行的最穩定的鐘。

此外，這顆導航試驗衛星還攜帶了1臺輻射檢測儀和1臺激光反轉反射器，前者能探明衛星運行軌道上的太空輻射環境，后者負責精確測量衛星的對地高度。

GIOVE-B的信號發射單元經由L波段相控陣天線，在3個獨立的頻率廣播上提供典型的“伽利略”信號，旨在完整覆蓋衛星之下可見的地球。除了進行技術驗證，GIOVE-B接管了GIOVE-A任務，確保“伽利略”頻率。GIOVE-A目前接近運行壽命終點。

歐洲第2顆試驗導航衛星GIOVE-B在軌運行示意圖

“伽利略”導航衛星在軌飛行示意圖

重要進展

2009年，歐盟對“伽利略”系統的管理方式進行了較大調整。一是調整了“伽利略”監管機構的職責。“伽利略”監管機構被重新命名為全球導航衛星系統局，職責從“伽利略”計劃的主要執行機構轉變為歐洲委員會的下屬輔助機構，主要任務是開展“伽利略”的市場研究和推廣并進行安全審查。二是改變了投資模式，終結了2007年采取的公私伙伴關系的投、融資方式與管理模式，改為目前由公共資金（歐盟）支持“伽利略”系統，總投資也已從最初設想的30多億歐元增加到近50億歐元。三是成立了“伽利略”管理局，并委派前導航部部長在2010年前負責“伽利略”計劃管理局和導航相關事務，以適應歐洲全球導航衛星系統計劃的新任務。四是由歐委會領導“伽利略”的開發活動，歐盟已經對“伽利略”系統進行了全面重組，要求歐委會在歐洲航天局的協助下，領導“伽利略”基礎設施的開發和實施。

2010年，經過多方協調，歐盟委員會最終授出6個“伽利略”初始運行能力采購合同中的4份，多個“伽利略”系統的地面站和控制中心也陸續竣工。這些合同的授出意味著伽利略計劃全面啟動了建造“伽利略”運行基礎設施的工作，被屢次推遲并一再追加投資的“伽利略”衛星導航系統向2014年完成初步部署并具備初始運行能力邁出了重要一步。

2010年1月26日，“伽利略”導航衛星計劃辦公室簽署了“伽利略”全運行能力階段的首批3個合同。這標志著啟動了建造“伽利略”運行基礎設施的工作。

此外，2010年10月6日，歐洲建成了位于南太平洋中新喀里多尼亞的監測站，它是“伽利略”衛星導航系統全球服務網絡最遠的站點之一。2010年12月13日，建成了位于瑞典北部基律納市的“伽利略”衛星導航系統地面站。2010年12月20日，建成了位于意大利富奇諾的“伽利略”控制中心。

歐盟現已開始準備研發第2代“伽利略”衛星導航系統，計劃2020～2025年部署。