欧洲“伽利略”卫星导航系统进展

□□全球卫星导航系统（GNSS）是一种天基无线电导航定位与时间传递系统，包括卫星星座、地面系统及用户终端设备等三大部分，可为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、速度及时间信息。“伽利略”（Galileo）卫星星座由30颗卫星组成，这些卫星均匀分布在3个中高度地球轨道上，其星座构形为Walker 27/3/1，并有3颗在轨备份星。卫星轨道高度为23616km，轨道倾角为56°，设计寿命20年。

1 空间段进展情况

Galileo卫星概貌

Galileo卫星的尺寸为2.7m×1.2m×1.1m，太阳电池翼展开跨度13m，发射质量700kg，功率1.6kW，主要有效载荷包括质量为130kg、功率为900W的导航载荷和质量为15kg、功率为50W的搜救转发器。Galileo卫星发送连续的测距码和导航数据，即使在恶劣情况下，时钟坐标和导航数据每100min上行注入1次，完好性数据每秒钟上行注入1次。

Galileo卫星提供10个右圆极化的导航信号和1个搜救信号。依据国际电信联盟（ITU）的规定：导航信号分别在分配的无线电导航卫星系统频段1164～1215MHz、1260～1300MHz和1559～1591MHz内发射；搜救信号将在一个紧急服务预留频段（1544～1545MHz）内广播。系统采用码分多址（CDMA）扩频技术，各卫星以相同的频率发射信号。Galileo卫星射频信号的调制除了采用传统的二进制移相键控（BPSK）调制技术外，还采用一种新的调制技术—二进制偏移载波（BOC）调制。与BPSK相比，这种调制方式具有较好的抗多路径效应、降低码噪声和易于信号跟踪等优点，将成为未来卫星导航与通信系统信号的有效调制手段。

Galileo卫星有效载荷

（1）导航有效载荷

导航有效载荷主要包括：①授时系统；②信号产生子系统，对载波频率进行格式化、编码和调制；③无线电频率子系统，放大调制载波；④天线子系统，向用户发送导航信号；⑤C频段数据接收系统，负责接收导航电文和完好性数据。其中，授时系统由星载原子钟，以及相对应的功分器、功率合成器、频率分配网络、二次电源模块和锁相环（PLL）电路等部件构成。星载原子钟是卫星授时系统的核心，包括2台铷钟和2台氢脉泽钟，铷钟质量为3.2kg，功率为30W；氢脉泽钟质量为18kg， 功率为70W。铷钟体积小，成本低，具有较短的周期稳定度（优于10纳秒/天），是在星上采用的最先进的铷钟；而氢脉泽钟的周期稳定度更短（优于1纳秒/天），世界上首次在星上采用这种氢钟。

星载铷钟由原子共振器和控制电子部件组成。在共振器的铷蒸汽单元中，原子在高温环境中保持气态。为了引起共振，原子被共振器一端的铷放电灯照射而处于激活状态；在共振器的另一端，光电二极管探测通过共振器的光子数量。这些被激活后的原子衰退到更低的状态后，通过在设定的频率上向共振器内注射微波能量，又被重新激活到中等能级水平。当这些原子处于中等能级状态时，光子的吸收量最大。光电二极管的输出量与调整微波频率的控制电路有关。通过调节微波源维持恰当的频率，从而获得最大的光子吸收量，并利用铷放电灯的能量来维持共振，使这些处于中等能级状态的原子又被激活到更高状态，然后衰退到更低状态，这样整个过程又重新开始。

星载氢脉泽钟已在2008年发射的导航试验卫星GIOVE-B上试验成功。该钟也由原子共振器和控制电子部件组成，其内的存储瓶中的氢分子流向气体放电灯泡，然后分离为氢原子。这些氢原子通过瞄准仪和磁性选择器进入共振腔，而选择器只允许符合能量水平的原子进入。进入共振腔的氢原子被限制在一个石英存储管中，在恢复到基本的能量状态后发射微波频率。当发射的微波频率与原子的共振频率相同时，会被一个询问电路探测到，询问电路锁定并放大微波信号。

（2）搜救有效载荷

每颗Galileo卫星上都安装有搜救有效载荷，它支持现有的国际搜救系统（COSPAS/SARSAT），并能满足国际海事组织（IMO）和国际民航组织（ICAO）在求救信号探测方面的要求。

搜救有效载荷是一个变频转发器，质量约15kg，功率为50W。该有效载荷在406MHz频带上检出求救信号，将其转化为1544MHz频带（称为L6频带，保留为紧急服务使用）的信号发送到地面救援系统。另外，它还将在C频段上接收到的由搜救注入站发来的救援指令变换到L频段发送给搜救终端。Galileo系统将定位功能和搜救功能集成在一个系统中，并能够实现全球无缝覆盖，系统用户在任何地点和时间均可接收到4颗卫星信号，从而确保实时报警和求救信号被可靠接收。搜救有效载荷具有双向转发功能，可以将救援指令发送到求救者所在区域，及时通知附近的救援组织前往营救；求救者收到此信号后，也可以确知求救信号已被受理，从而作好准备配合救援行动。

Galileo卫星提供导航服务

Galileo系统服务模式

Galileo系统在军事和民用等领域都具有十分广阔的应用前景，可提供免费服务和有偿服务两种服务模式。免费服务的设计定位精度为6m，比现有GPS民用信号精度高；有偿服务的定位精度可优于1m，将为民航等用户提供高可靠性和高精度的导航定位服务。虽然Galileo系统提供的信息仍然是位置、速度和时间，但是其服务种类比GPS多，GPS仅有标准定位服务（SPS）和精确定位服务（PPS）两种，而Galileo系统则能提供5种服务，分别是：①公开服务；②生命安全服务；③商业服务；④公共特许服务；⑤搜救服务。

（1）导航服务

在Galileo系统提供的5种服务中，公开服务、生命安全服务、商业服务、公共特许服务是导航服务。

1）公开服务。这种服务分为单频和双频两种，为大规模导航应用提供免费的定位、导航和授时服务，针对不需要任何保证的大市场应用，如车辆导航和移动电话定位。当用户在固定地面使用接收机时，可为网络同步和科学应用提供精确授时服务。公开服务和现有的GPS、GLONASS系统的类似服务相兼容，Galileo接收机也能够接收GPS和GLONASS信号，其精度与常规的差分GPS精度相同，不需要额外的地面基础设施，任何用户只要配备1台接收机就可以使用。

2）生命安全服务。这种服务主要涉及陆地车辆、航海和航空等危及用户生命安全的领域，要求提供迅速、及时和全面的系统完好性信息，以及高水平的导航定位和相关业务。它还将提供全球完好性信号，可以被加密，是公开服务信号的一部分。其性能与ICAO要求的标准和其他交通模式（地面、铁路、海洋）相兼容。生命安全服务和当前得到的“欧洲对地静止导航覆盖服务”（EGNOS）校正增强的GPS系统相结合，能满足应用的更高要求。

3）商业服务。这种服务主要涉及专业用户，是对公开服务的一种增值服务，以获取商业回报，它具备加密导航数据的鉴别功能，为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。商业服务大部分与以下服务内容相关联：①分发公开服务中的加密附加数据；②非常精确的局部差分应用，使用公开信号覆盖公共特许服务信号E6；③支持Galileo系统定位应用和无线通信网络的完好性领航信号。

商业服务中2种额外加密信号的接入，使其具有更快的数据吞吐量和更高的精度，授时精度达到100ns。商业服务采用准入控制措施，其实现将通过接收机上的“进入密码”[类似移动通信中的个人识别码（PIN）]来保证，这样就无需使用昂贵的信号编码技术。

4）公共特许服务。这种服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的，主要用户包括警察、海岸警卫队及海关等。公共特许服务以专门的频率向欧盟各国提供更广泛的连续性定位和授时服务，其卫星信号具有高连续性和强抗干扰性，并受成员国控制。这种服务主要用于：欧洲/国家安全、应急服务，全球环境和安全监测，其他政府行为，某些相关或重要的能源、运输和电信应用，对欧洲有战略意义的经济和工业活动，等等。成员国采取准入控制技术对用户进行授权。公共特许服务有2个加密测距码和导航数据可用。

（2）搜救服务

搜救服务主要用于海事和航空领域，能够收集从失事船只、飞机携带的紧急信标发出的信号，并中继给国家救援中心，救援中心由此确定事件的精确位置。每颗Galileo卫星能中继150个浮标同时发出的信号，10min之内浮标信息就能发送到搜救地面站，其码误差率小于10-5,卫星每分钟能发送6条100bit的信息。Galileo系统搜救服务的优势在于：缩短对事件地点的探测和定位时间；提供包括其他信息在内的扩展灾难通报，有利于搜救行动的开展；多颗卫星覆盖避免在极端情况下的信息阻塞。

Galileo卫星研制进程

目前，Galileo空间段的建造已完成两颗GIOVE试验卫星的研制、发射及运行，4颗在轨验证卫星（IOV）通过了关键设计评审，计划于2011年分两次发射。

（1）GIOVE试验卫星

GIOVE试验卫星包括GIOVE-A、B卫星，这两颗卫星同时开始研制，以保证在2006年ITU规定的最终日期之前能有1颗卫星入轨。两颗卫星性能互补，萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）研制的GIOVE-A卫星携带了2台铷钟，通过2个单独的通道同时发射试验信号，已于2005年12月28日由联盟号火箭发射；另一颗较大的GIOVE-B卫星由Galileo工业集团研制，携带了2台铷钟和1台被动氢原子脉泽钟，通过3个单独的通道发射试验信号，已于2008年4月27日发射。每颗卫星的设计寿命2年。

GIOVE卫星是欧洲第一颗导航卫星，也是欧洲第一颗中地球轨道卫星。研制和发射GIOVE卫星的目标是保证国际电联分配给Galileo系统的频率占用；验证Galileo系统采用的关键技术；试验验证Galileo信号设计；测量Galileo卫星运行轨道周围的辐射环境。按照Galileo系统设计，两颗试验卫星在高精度（优于50cm）和低修正率（2h）上发送近实时轨道确定和时间同步数据。

GIOVE-A卫星尺寸为1.3m×1.74m×1.65m，发射质量450kg，功率660W，有2副太阳电池翼，每副长4.54m，推进系统有2个贮箱，每个贮箱携带25kg丁烷推进剂。卫星的三重冗余有效载荷在2个单独的频率通道上传输导航信号，其有效载荷的主要单元包括：

● 天线单元。独立的L频段阵元组成的相控阵列天线，其波束覆盖全球。

● 信号发生单元。产生2个独立的Galileo信号。

● 时钟单元。双重冗余的小型化铷钟，稳定度约为1.16×10-13/天。

● 辐射监测器单元。由2台辐射监测器组成，监测中地球轨道环境。

● 导航接收机单元。

GIOVE-B卫星尺寸为0.95m×0.95m×2.4m，发射质量523kg，有2副太阳电池翼，每副长4.34m，能提供943W功率，推进系统有1个储箱，携带28kg肼推进剂。双重冗余有效载荷将在3个单独的频率通道上发射Galileo信号，主要载荷单元包括：

● 天线单元。独立的L频段阵元组成的相控阵列天线，其波束覆盖全球。

● 信号发生单元。产生不同的Galileo信号。

●时钟单元。1台氢脉泽钟，稳定度约为1.16×10-14/天，是目前在太空中飞行的最精确的时钟；2台小型化铷钟，其中1台作为氢脉泽钟的热备份，另1台作为冷备份。

● 辐射监测器单元。由2台辐射监测器组成，监测中地球轨道环境。

（2）IOV卫星

4颗IOV卫星既是在规验证卫星，也是正式运行的Galileo卫星，主承包商阿斯特留姆公司。2010年5月，卫星的所有4个平台已经运送到泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司的组装净化室。首发的2颗IOV卫星将于2011年10月从法属圭亚那由联盟-2火箭发射。在IOV卫星成功运行和在轨验证之后，Galileo星座中的其余26颗具备完全运行能力的卫星将陆续升空。

IOV卫星的尺寸为2.7m×1.1m×1.2m，太阳电池翼展开跨度为13m，发射质量为700kg，卫星在1200～1600MHz范围内发射10种信号。Galileo卫星导航有效载荷主要是星载时钟，包括2台氢脉泽钟和2台铷钟，每种类型的钟1台工作，另1台作为备份。在正常状态下，星上1台工作的氢脉泽钟提供基准频率，产生导航信号；如果这台氢脉泽钟失效，一台工作的铷钟将即刻取代其工作，同时2台备份钟将启动。

由于IOV卫星有效载荷设计需要满足Galileo系统空间段正常运行的需求，将是Galileo系统体系结构的首次部署，执行Galileo系统的所有5种服务，每颗卫星都能发送精确的时间信号、星历表和其他导航和商业数据。因此，与GIOVE卫星相比，IOV卫星有效载荷的性能有了改进和提高。

IOV卫星有效载荷仍然具备GIOVE卫星的基本导航特征，增加了一些附加功能，尤其是提供导航信号的C频段上行链路、有效载荷安全特征、搜救有效载荷前向和返回链路。由此，归纳出IOV卫星有效载荷设计特点如下：

● 频率由2台氢脉泽钟和2台铷钟产生；

● 2个平行的主动固态功率放大器（SSPA）提供更高效的等效辐射功率（EIRP），在L1输出通道提供功率放大；

● 专用的C频段任务上行链路，传输地面任务段（GMS）和外部区域完好性系统（ERIS）数据；

● 增加了1个安全单元防火墙，提供C频段上行链路数据接收认证，同时产生公共特许服务码；

● 在E6通道上提供商业加密测距码；

● 搜救有效载荷包括搜救转发器和搜救天线。

2 地面段进展情况

2009年11月19日，Galileo系统在法属圭亚那航天中心（CSG）的库鲁地面站正式落成。库鲁地面站由法国航天研究中心（CNES）负责建造，包括1个监控Galileo卫星星座的遥测、跟踪和指挥（TT&C）站，1个接收卫星发出信号的监测站及2个向卫星传输导航指令的上行站。该地面站包含了Galileo系统最全面的地面系统部分，对Galileo系统在规验证阶段至关重要。

Galileo系统地面段的主要任务是：承担卫星的导航控制和星座管理；为用户提供系统完好性数据的检测结果；保障用户安全、可靠地使用Galileo系统提供地全部服务。地面段由主控中心、地面控制段和地面任务段组成。主控中心是Galileo系统地面段的核心，共有2个（1个位于意大利，1个位于德国，在轨验证阶段启用1个），它们互为备份，设在欧洲大陆，负责管理地面控制段和地面任务段。

地面控制段负责星务管理和星座维持。在轨验证阶段，地面控制段启用2个遥测、跟踪和指令站与每颗卫星进行通信，到星座组网完毕，遥测、跟踪和指令站数量将达到5个。

每个遥测、跟踪和指令站都拥有一个口径为13m的大型天线，工作频带为2GHz，在正常运行期间，将采用扩频调制［类似利用“跟踪与数据传输卫星系统”（TDRSS）和“阿蒂米斯”（ARTEMIS）卫星进行数据转播］，从而能够提供不受干扰的强信号。而当某颗卫星的导航系统不能正常运行（如在发射、入轨初期或意外失效时），无法使用正常标准的遥测、跟踪和指令调制时，将允许利用非欧洲航天局遥测、跟踪和指令站维持运行。

地面任务段包括任务上行站和监测站，主要负责导航系统控制。在轨验证阶段，地面任务段启用5个任务上行站和20个监测站，到全面部署阶段时，将达到10个任务上行站和40个遍布全球的监测站。地面任务段将利用监测站网络监测所有卫星的连续导航信号；然后通过卫星和地面网络，将数据发送到主控中心；最后，地面任务段产生的导航和完好性信息通过C频段任务上行站发送给Galileo卫星。地面任务段传输给用户的所有数据产品包括：①导航数据，包括星历、时钟修正数据、电离层和广播群延迟（发送给信号频率用户）；②完好性数据，包括空间精确度信号（SISA）、空间监测精确度信号（SISMA）、完好性标记；③星载时钟时间同步数据。

每个上行站都有4副口径为3.2m的C频段天线，工作频带为5GHz，其中一部分天线覆盖整个星座的完好性信息，另一部分天线覆盖导航服务。每个监测站具备双重接收链路，一种具有测轨和时间同步（OD&TS）功能，每隔10min能提供一段持续时间内所有卫星观测的批处理数据，计算每颗卫星的精确轨道和时钟偏差，从而监测由于重力、热量、老化和其他衰减引起的长期变化参数；另一种具有完好性处理功能，提供对每颗卫星的瞬时观测数据，以验证其信号的完好性，从而监测由于突然失效或改变引起的卫星短期影响。这些对整个星座的计算结果将上行到选定的卫星上，然后发送给任何用户，这样所有用户都能接收至少2个完好性信息。

3 用户终端

GPS/Galiloe接收机

Galileo系统用户段终端主要由导航定位模块和通信模块组成，包括用于飞机、舰船、车辆等载体的各种用户接收机。由于Galileo系统尚未建成，目前还没有商品化的用户设备即接收机推向市场。从Galileo系统提供的多种应用与服务的模式来考虑，其用户接收机的设计和研制分为高、中、低3个档次。低档Galileo接收机一般只接收Galileo系统的免费单频信号；中档接收机可接收双频商业服务信号；而高档接收机计划可兼容GALILEO/GPS/GLONASS系统的信号，从而获得更高的定位精度、保障导航和定位信息的可用性、完好性及连续性。

欧美GPS接收机和GPS/GLONASS兼容接收机已经具有成熟的产品，GPS和GLONASS接收机的成熟技术完全可以用于低、中档Galileo接收机。Galileo用户接收机需要解决的关键技术主要是高档接收机的多频、多星座系统融合技术。为此，Galileo计划中专门组织了“用户段设计和性能”研究工作，Galileo接收机设计中的内容包括如下标准：

● Galileo系统的坐标系统和时间系统标准；

● 多星座组合导航坐标框架及时间系统标准格式；

● 空间信号接口规范，包括：接收机天线和信号参数标准；导航电文数据标准及格式（包括卫星星历、卫星健康状况、卫星工作状况、差分数据、差分状态、定位精度等）；接收机测距数据格式（含伪距和载波相位测量、多普勒频移测量等）；

● 接收机导航定位输出格式（含单点定位结果、卫星空间分布、定位精度、历书等）；

● 差分信号格式（航空、海用、陆用、信息服务、RTK差分等）。

目前，Septentrio卫星导航公司按照与欧洲航天局签订的合同，已研制出Galileo试验用户接收机（TUR）。TUR-N接收机是一种完全独立操作、多频、多星座接收机，能独立生成测量和定位值。

在Galileo在轨验证阶段，研制TUR-N接收机的目的是验证Galileo在轨验证星座的服务性能，并与GPS导航星座相兼容。该接收机能实现：①Galileo单频和双频公开服务；②Galileo单频和双频生命安全服务，包括整个Galileo导航报警算法；③Galileo商业服务，包括跟踪和解码加密的E6BC信号；④GPS/SBAS/Galileo单频和双频多星座定位；⑤Galileo单频和双频差分定位；⑥Galileo三频实时动态测量（RTK）。

在2010年7月30日欧洲与美国发布的共同声明中表示，要提升GPS和Galileo组合接收机性能。双方设立的加强下一代GPS和Galileo合作的工作组完成了GPS/SBAS接收机性能的全球评估，这种接收机使用了欧洲增强系统（EGNOS）和GPS广域增强系统（WAAS）。评估结果显示，全球范围内的航空服务可用性得到改善，并显著提高GPS卫星的稳健性。工作组还完成了集成GPS-3和Galileo公开民用服务功能的互操作接收机组合评估，对GPS、Galileo和GPS/Galileo这3种接收机在4种情况下的工作性能进行了全面系统的分析比较。GPS/Galileo组合接收机所提供的服务性能将显著提高，特别是在有遮蔽物的环境下（如建筑物、树木或是被地形阻碍）更加明显。双频接收机在大部分环境下可提供附加服务功能。

4 启示

目前，我国正在实施北斗卫星导航工程，在不久的将来会建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。通过调研欧洲Galileo卫星导航系统的进展情况，总结该计划实施以来的经验教训，对我国北斗卫星导航工程的实施具有一定的借鉴意义。

● 注重关键技术的研发。通过对Galileo计划的调研，表明欧洲尤其注重系统完好性研究，并进行了详细的分析论证和系统设计。对氢原子时钟进行了空间飞行试验验证，掌握了氢原子时钟的小型化和高精度时间保持技术。

● 计划管理上存在缺陷。由于没有一个相对稳定、分工明确和职责分明的运行管理模式，导致计划一延再延，无法顺利进行。

● 导航系统具有排他性。欧洲从最初开放的接纳其他非欧洲国家参与，到后来排斥非欧洲国家并强调系统的独立性这一点来看，欧洲还是出于保证其区域安全方面考虑的。

● 需要足够的时间和资金投入。Galileo计划从最初计划2008年实现运行推迟到2014年全面部署提供服务，而不久前欧盟委员会又认为，该计划在2018年之前无法投入运行。同时，计划的预算和投入也一而再、再而三地增加。这些事实表明，要想建成一个复杂的大系统不可能一蹴而就，需要大量的资金支持，跨越一二十年的时间来实现。

● 在兼容性方面进展显著。欧盟与美国在导航系统的兼容性和互操作性方面最终达成的协议，为Galileo系统未来的应用铺平了道路。

● 重视地面应用系统的同步开发。欧洲Galileo计划在重视卫星系统的研发和部署的同时，对地面应用进行了详细的规划，先期启动了各种类型的用户终端研制，并注重系统建成后对欧洲经济的回报率。■