導航衛星靠得住嗎？

文/遲惑

▲伽利略系統在德國的控制中心

2019年7月，歐洲伽利略衛星導航系統突然發生了嚴重的故障，連續170個小時不能工作，這對于一個雄心勃勃的全球衛星導航系統來說，無論從技術上還是從聲望上都是沉重的打擊。幸好除了伽利略之外，這個世界上還有美國的全球定位系統（GPS），俄羅斯的全球衛星導航系統（GLONASS）和中國的北斗衛星導航系統在正常工作。因此，用戶們似乎沒有感覺到自己的應用受到什么損害。然而，在衛星導航界看來，這卻是一個空前嚴重的事件。那么，人類還能夠相信和依靠衛星導航系統嗎？

是誰惹了麻煩

伽利略系統曾經發生過星上原子鐘大面積失效的嚴重事故。不過這次系統服務中斷倒不是星鐘的問題，而是地面系統惹了麻煩。

在解釋這個問題之前，我們首先還是要回到衛星導航系統的原理上。每顆導航衛星所發射的信號內容，簡單說起來，就是“我這里現在X點了”。這個時間信息由星上的原子鐘生成，應該說是相當精確的。然而30多顆衛星的原子鐘，彼此之間多少會有一些差異。這些原子鐘和地面生成的標準時間也會有一些差異。如果不做干預，隨著時間積累，差異會越來越大。電磁波的傳播速度是每秒30萬公里。那么，即使是1個納秒的時間誤差，也會造成0.3米的測距誤差。因此，各個衛星導航系統都要定時用地面標準時間來修正星上原子鐘，讓它們盡量保持同樣的走時。

▲伽利略系統地面段全球部署

伽利略系統的時間修正工作屬于地面段，它分布在幾個國家。地面段由地面控制段和地面任務段兩大部分組成。地面控制段主要負責星座控制和衛星管理，對衛星平臺和有效載荷的控制、監視、計劃和自動化運行都在地面段進行。地面段由兩個地面控制中心和6個分布在全球的遙測、跟蹤和控制站組成。這兩個地面控制中心分別位于意大利富西諾和德國奧博珀法芬霍芬，兩個站互為備份。伽利略地面段的各個功能站通過各種有線網絡、無線網絡和電話網連接到這兩個地面控制中心，遙測、跟蹤和控制站正常情況下用S頻段13米口徑天線和衛星交換信息。

▲伽利略系統在德國的控制中心大廳

伽利略任務段的主要設施就部署在控制中心里，外加一些任務上行站和敏感器站，部署在世界各地。敏感器站用來生成和上傳導航電文的有關信息。因此，敏感器站需要全球組網，各站之間用通信衛星和電纜相互聯系。而敏感器站與伽利略衛星之間的信息交互就通過任務上行站來實現。伽利略系統一共有5個任務上行站，采用3米口徑的天線。

▲ 伽利略系統德國控制中心內景

具體來說敏感器站有兩個使用模式。首先是軌道確定和時間同步功能，每10分鐘對所有衛星進行一次觀測，并計算出每顆衛星的精確軌道和時鐘漂移數據，并預測出未來幾個小時的空間信號精度數據。每隔100分鐘，就向所有衛星上傳一次有關的數據。

很顯然，這次的故障就是因為軌道確定和時間同步功能出了錯。但詭異的是，無論歐空局，還是國外主要航天媒體，對這次故障都諱莫如深,既不討論故障原因，也不分析故障的影響。負責運行伽利略系統的歐洲GNSS局只是在服務恢復之后，發布了一條極為簡短的通知。只有少數來源透露了有限的消息。英國皇家導航研究所在通知中稱，“控制中心的一臺負責計算時間和軌道的設備發生了異常，對兩個中心的多臺設備造成了影響”。而zdnet網站的報道則稱，歐洲GNSS局還在查找故障原因當中。

作為這樣全球性的戰略性基礎設施，一臺設備的異常就導致全系統癱瘓,這在系統設計上應該是不允許的?？梢钥闯?，歐洲航天的跨國協調機制雖然運行了幾十年，在多數型號工程上行之有效，但如果是應對這種分秒必爭的緊急情況，效率實在是太差了。這不僅僅是歐空局的問題，更是歐盟的問題。相比之下，美國、俄羅斯和中國可以更加高效地應對類似情況。

導航衛星靠不住了怎么辦？

這次伽利略發生故障，并沒有對全球衛星導航服務造成什么影響。原因在于，當今的衛星導航定位接收機基本上都是多模式、兼容互操作的，可以同時接收GPS、格洛納斯、北斗和伽利略的信號，并用于生成導航解，少一個系統并不會帶來顯著的影響。從這個意義上說，伽利略系統的這次故障，也證明四大系統兼容互操作的做法是正確而有必要的。

那么，會不會發生四個導航系統全都失靈的情況呢？理論上說，這是不可能的。四大系統在規劃設計的時候，考慮到了各種人為和自然因素，除非發生極端宇宙現象，例如太陽劇烈活動、大規模隕石群襲擊地球軌道，大部分導航系統是不會喪失功能的。然而這次事件向人們證明，事情可能沒有那么樂觀。而且，就算在全球范圍內的導航定位授時服務不會中斷，在局部地區、特殊時段發生中斷的可能性還是不小的，我們還是要考慮一下衛星之外的導航定位授時手段。

▲伽利略系統地面段架構

▲伽利略系統的氫原子鐘

▲ 惹麻煩的伽利略系統意大利控制中心

實際上，美國在GPS系統的發展歷程中，就經歷了這樣一個認識過程。早在上世紀90年代后期，GPS的應用迅速推開。各方發現，GPS的表現比人們預想的更好，因此美國提出了以GPS為唯一導航手段的想法。當時人們擔心這成為美國推行霸權的手段，因此應者寥寥。不過很快，美國自己也不再提及這個想法。其中原因是，GPS在使用中遇到了各種信號干擾、遮擋問題，在水下、地下空間、強干擾環境下，GPS的性能急劇下降。而且，很多應用所需要的定位精度非常高，GPS未必能滿足要求，哪怕加上北斗和格洛納斯也不行。例如我們在路面上開車的時候，衛星導航并不能分辨汽車在哪條車道上，甚至分不清我們在主路還是輔路。所以，當需要經過岔路口的時候，導航軟件會彈出一個指示窗口，幫助我們用肉眼來分辨和導航。

因此，美國很快提出了綜合導航定位授時的概念，把人類目前正在使用的所有時間、空間測量手段都納入其中，除了衛星系統，還包括了各種雷達、光學測量手段，以及慣性器件和普通的時鐘，當然也有天然的導航星——脈沖星。在這當中，慣性器件和時鐘得到了高度重視，因為它們完全不需要從外界獲得信號就可以工作，能夠提供穩定的時間和空間信息。在衛星或者其他導航定位授時信號無法工作的時候，可以提供基本的服務。

激光雷達、圖像識別和毫米波雷達技術則是最近幾年的新寵。激光雷達的優點是精度非常高，對近距離地形地物的測量精度甚至可以達到毫米級。它也成為諸多無人駕駛車輛的必備技術。圖像識別的關鍵在于人工智能技術，自動識別出圖像中的道路、其他車輛、人員等目標，用于支持導航方案的制定。不過激光雷達在雨霧環境下表現不好，圖像識別還需要充足的光照條件。而毫米波雷達不受氣候和光照限制，是一種全天候的感知手段。而且最近幾年民用毫米波雷達的成本急劇下降，家用小轎車上也裝得起。

▲ 用阿里安5火箭四星發射的伽利略

因此，未來人們所使用的導航定位服務將是多源融合的。包括衛星在內的各種手段將提供豐富而無縫隙的導航服務，這些服務彼此支持、彼此校正，為我們提供無處不在、無時不在的導航服務。