星鐘之殤—“伽利略”系統與“印度區域導航衛星系統”都面臨重大難題

星鐘之殤—“伽利略”系統與“印度區域導航衛星系統”都面臨重大難題

Major Problems Faced by Galileo and IRNSS

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

進入2017年，發生了2件可能影響未來全球衛星導航領域發展的大事件，歐洲“伽利略”（Galileo）系統與“印度區域導航衛星系統”（lRNSS）先后發生大規模的星鐘故障，6部氫鐘、6部銣鐘共12部星載原子鐘先后發生故障，涉及5顆Galileo衛星、1顆lRNSS衛星等6顆衛星，其中1顆lRNSS衛星的3部銣鐘全部發生故障，印度計劃2017年下半年發射補充衛星；歐洲航天局（ESA）也將原計劃于2017年8月進行的Galileo衛星發射暫時推遲到了11月。

1 事件概況

“伽利略”系統星鐘故障

2017年1月19日，歐洲航天局官方發布Galileo衛星星鐘故障通告，通告稱：歐洲Galileo導航衛星系統發生大規模星上原子鐘運行故障，涉及到在軌運行的2種型號的5顆衛星和2種類型的9部星載原子鐘（1部氫原子鐘被成功啟動，未統計在內）。

2016年12月15日，歐盟與歐洲航天局宣布Galileo衛星導航系統具備初始運行能力，開始提供初始服務，并發布了星座運行狀態。截至目前，歐洲航天局已經發射了20顆Galileo系列導航衛星，除2顆早期的Galileo試驗衛星正式退役外，其余18顆衛星均作為在軌運行衛星，包括4顆“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛星和14顆“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛星。但實際投入導航服務的衛星僅有11顆，另有2016年11月新發射的4顆Galileo-FOC衛星處于入軌測試階段，1顆2012年10月發射的Galileo-IOV衛星因電源故障正處于挽救之中，2014年8月發射的2顆Galileo-FOC衛星因火箭故障未準確入軌，主要用于技術試驗。

每顆Galileo-IOV和Galileo-FOC衛星均帶有2部銣鐘和2部氫鐘。因此，目前Galileo系統在軌運行的18顆衛星共裝備72部星鐘，其中銣鐘36部、氫鐘36部。正常運行時，以1部氫鐘作為主鐘，為衛星提供精確時間；以1部銣鐘作為熱備份鐘，保證導航服務的連續性；以另一部銣鐘和另一部氫鐘作為冷備份，在工作鐘發生故障后接替其工作。

從歐洲航天局發布的星鐘故障通告情況看，6部氫鐘發生了故障，其中5部氫鐘涉及3顆Galileo-IOV衛星，1部氫鐘涉及1顆Galileo-FOC衛星，因此至少有2顆Galileo-IOV衛星星上的2部氫鐘全部發生故障；3部銣鐘發生了故障，涉及2顆Galileo-FOC衛星。其中1顆Galileo-FOC衛星銣鐘和氫鐘都發生了故障。歐洲航天局官員簡·沃納（Jan Woerner）表示，任何1顆Galileo衛星故障星鐘的數量不超過2部。

Galileo衛星在軌狀態

從上述情況判斷，4顆在軌Galileo-IOV衛星中，除1顆因電源故障停止工作外，另外3顆衛星中，2顆衛星裝備的2部氫鐘全部故障，1顆衛星損失了1部氫鐘；發生星鐘故障的2顆Galileo-FOC衛星中，1顆損失了2部銣鐘，另一顆則為1部銣鐘和1部氫鐘故障。目前，歐洲航天局和工業界已經取得一致意見，認為目前在研的Galileo-FOC衛星星上銣鐘需要待故障原因查明后進行技術修改。因此，初步決定原計劃于2017年8月進行的Galileo-FOC衛星“一箭四星”發射暫推遲至11月。

lRNSS系統星鐘故障

繼歐洲Galileo系統星鐘爆發大規模故障后，2017年1月30日印度空間研究組織（ISRO）主席基蘭·庫馬爾（Kiran Kumar）向媒體透露，2013年7月發射的印度IRNSSS系統首顆衛星—IRNSS-1A的3部銣鐘全部發生故障，雖仍可播發導航信號，但精度已無法保證，計劃于2017年下半年發射IRNSS-1H衛星進行替換。

IRNSS系統星座狀態

2 故障分析

歐洲Galileo系統和印度IRNSS系統均采用由瑞士斯派特泰公司（Spectratime）研制的磁選態星載原子鐘，區別在于IRNSS衛星僅裝備3部銣鐘，而Galileo衛星則裝備2部銣鐘、2部被動氫鐘。

Galileo衛星被動氫鐘

磁選態被動氫原子鐘是Galileo衛星的主原子鐘，其研發活動于1998年啟動。最初歐洲航天局計劃研發主動氫原子鐘，但研究結果表明：以當時的技術水平與能力，主動氫原子鐘的質量、體積、功耗等均過高，不能滿足Galileo衛星小型化與空間飛行的要求。最終，歐洲航天局于2000年決定調整研發方向，研發被動氫原子鐘。

2003年初，賽萊斯·伽利略公司（Selex Galileo）完成了被動氫鐘工程樣機的研制，并在斯派特泰公司的支持下開展了工業化生產工作。2003年6月-2005年6月對工程樣機進行了連續的試驗與測試，以確定其長期穩定性、可靠性和壽命。2003年1月啟動Galileo被動氫鐘的產品化工作，賽萊斯·伽利略公司負責電子部分，斯派特泰公司負責物理部分。產品化工作的重點是確定被動氫鐘制造的可重復性、產品的可靠性，降低質量、體積、功耗（即小型化），以及相關的專用設備。2005年中，被動氫鐘原型飛行樣機研制完成，并進行了初始驗證和測試。

Galileo衛星銣鐘

為保證Galileo系統的服務性能，歐洲航天局對銣鐘提出了較高的要求，基本達到了美國GPS-2F衛星星載銣鐘的水平。

Galileo系統星載銣原子鐘的研制工作于1997年啟動，主要經歷了3個發展階段：

1）初期發展銣原子鐘1（RAFS1）和用于全球導航衛星系統-1和2（GNSS-1和2）項目預鑒定模型；

2）改進后的用于壽命驗證的銣鐘1（RAFS1）和用于Galileo系統的鑒定件；

Galileo被動氫鐘主要指標參數

Galileo銣原子鐘技術指標

3）用于提高銣鐘2（RAFS2）和Galileo系統有效載荷接口兼容性。

在利用Galileo試驗衛星完成銣鐘的飛行測試與地面試驗后，斯派特泰公司又對Galileo銣鐘進行了2項改進：其一，進一步優化物理部分，降低溫度系數，提高了銣鐘10000～50000s的中期穩定度；其二，在遵循歐洲航天局要求的前提下，將直流/直流轉換器以及跟蹤、遙測和遙控（TT&C）面板安裝在銣鐘內部。

故障分析

自2017年1月19日發布Galileo系統星載原子鐘故障通告至今，歐洲航天局仍未發布故障調查結果。上述情況表明歐洲航天局尚未完成故障原因調查，或尚未形成調查結論。實際上，歐洲航天局早在2016年11月采取“一箭四星”的方式發射4顆Galileo-FOC衛星前就已經發現了在軌衛星星鐘故障問題，雖然當時未意識到問題的嚴重性，仍按計劃進行了發射，但故障調查工作已啟動，組織了包括空客防務與航天公司、德國OHB公司、英國薩瑞衛星技術公司、瑞士斯派特泰公司等衛星研制企業聯合開展星鐘故障調查。

歐洲航天局在2017年1月19日發布的故障通告中稱：①經過大量故障調查與分析工作，氫鐘故障原因調查上取得了較大進展，已經揭示了氫鐘的2種故障機理，一是部分氫鐘的特定運行參數對工作環境變化的容忍裕度較低，從而導致故障發生，但并沒有公布引發故障的特定運行參數。工程技術人員正在對溫度、電壓和電流等運行參數進行調整。二是在長時間冷備份后氫鐘加電啟動發生問題。出現故障的6部氫鐘中，2部為第一種故障，4部為第二種故障。但對銣鐘的故障原因調查還未有明確結論。②銣鐘的故障原因調查還未有明確結論，但懷疑因地面測試的特定程序不當引發了短路。

Galileo系統與IRNSS系統相繼發生星載原子鐘大面積故障很可能表明斯派特泰公司研發的被動氫鐘與銣鐘在設計、制造、測試或其他相關方面存在缺陷，必須得到妥善解決，才能保證兩個系統的發展。雖然，歐洲航天局表示“星鐘故障不會影響Galileo系統初始運行服務能力”，但星鐘故障肯定會對故障衛星的工作壽命產生影響，從而加大Galileo系統空間星座的更新與維持壓力；如果星載原子鐘再度發生故障，將使Galileo系統的發展面臨更加嚴峻的局面。3月1日歐洲全球導航衛星系統管理局（GSA）發布的Galileo系統運行狀態通告表明：2015年9月發射的1顆Galileo-FOC衛星處于不可用狀態。雖然原因沒有公布，但相信應該不是一個好消息。

截至目前，歐洲僅采購了26顆Galileo工作星（4顆Galileo-IOV衛星和22顆Galileo-FOC衛星）。為保證2020年全系統投入運行的目標，歐洲航天局于2016年9月已將Galileo衛星導航系統星座標準配置由原來的“27顆工作星+3顆備份衛星”調整為“24顆工作星+不定數量的備份衛星”。如果此次星鐘故障最終引發衛星失效將極有可能影響到Galileo系統全運行能力的部署。

3 結束語

Galileo與IRNSS分別是歐洲與印度非常重要的空間基礎設施，星載原子鐘又是導航衛星最重要的有效載荷，在一定程度上決定了衛星導航系統的服務性能。因此，星鐘問題的解決是Galileo與IRNSS系統未來發展的重要保證。

陸征/本文編輯