欧洲“伽利略”又见曙光——首批导航卫星升空

□ 庞 征

推迟多年的欧洲“伽利略”导航卫星项目的首批2颗“伽利略-在轨验证”导航卫星于2011年10月21日由俄新型的联盟-2-1b火箭（也称联盟 VS01）送至距地球23600千米的轨道，这也是俄罗斯火箭首次在法国库鲁航天中心发射升空。2颗卫星分别以欧盟举办的伽利略儿童绘画大赛获奖者——11岁比利时儿童Thijs和9岁保加利亚儿童Natalia的名字命名。此前，欧洲在2005年和2008年发射过2颗“伽利略”导航试验卫星。

按照目前的计划，到2014年，欧洲将发射另外14颗“伽利略”导航卫星，从而初步形成卫星导航服务能力。至2019年，将完成全部30颗卫星的发射，实现全球覆盖，可提供10个右旋圆极化的导航信号和1个搜救信号。

意义重大

由欧盟领衔研制的“伽利略”卫星导航系统是世界上第一个完全向民用开放的全球性卫星定位系统，具有很高的水平。它既可为公众提供基本信号，也能为政府和军方提供高度保密的信号，最终建成与GPS和GLONASS兼容、能提供局部辅助信息和搜索信息业务、综合性能优于现行GPS的独立民用全球卫星导航系统。

建造“伽利略”是欧洲整体政策的重要组成部分，主要考虑政治、经济、技术和社会四大要素：在政治上它能体现欧洲的独立和自主、加强欧洲的凝聚力和向心力、扩大欧洲的世界影响、显示其实力；在经济上它可分享全球的卫星导航市场，在产业价值链的任何环节上具备全球竞争力，提高交通运输产业的效率，并增加高技术人员的就业岗位；在社会方面它能为大众提供更好的、新的服务，改进运输系统的安全性，有利于降低环境污染；在技术上它可使欧洲的相关产业在国际上居于技术领先地位，并实现一系列技术的综合探索和发展。

“伽利略”卫星导航系统开始运行后，有望极大改进太空授时和导航信号的有效性和精确度，用户可以更快、更稳定、更精确地接收到信号。另外，“伽利略”所提供的基础服务是免费的，收费的高精度数据将提供给付费用户和军方使用。

它比GPS及GLONASS更加精确和商业化，可提供服务的范围涵盖运输导航（航天运输、空运、海运、河运和陆地运输）、应用科学（大地测量、制图、海洋学、地球物理学、土地规划、地质学、矿物开采、渔业、农业）、其他科学与军事领域等。

“伽利略”系统能提供5种基本的服务方式：开放服务，商业服务，生命安全服务，公共管理服务，搜救服务。

携带2颗欧洲“伽利略”导航卫星的联盟火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空

首批2颗“伽利略-在轨验证”导航卫星在轨工作示意图

首批2颗“伽利略-在轨验证”导航卫星运至发射区

可以说，欧洲“伽利略”全球卫星导航系统是欧洲航天产业的旗舰项目，它的成功关系着欧盟在国际高科技领域的地位。更重要的是，欧洲将从此拥有自己的全球卫星定位系统，打破美国GPS的垄断，为建设欧洲独立防务创造条件，极大提升欧盟的国际地位。

由于无论从经济还是安全角度来说，“伽利略”卫星导航系统对欧洲都十分重要，为此，2002年3月26日，欧盟正式批准了“伽利略”项目；2003年3月，欧盟开始实施“伽利略”导航卫星系统的建造计划。

欧洲议会2011年9月13日通过一项计划，批准了欧盟“伽利略”卫星导航系统的运作细节。根据这项计划，“伽利略”卫星导航系统将兼顾国防与民用目的。根据欧洲议会批准的这个计划，将从2014年启用的“伽利略”卫星导航系统在为民用车辆与船舶提供卫星导航信号的同时，也将为欧盟国家的警察与军队提供卫星导航信号，并为重点基础设施、交通系统、紧急搜救等提供服务。因此，“伽利略”卫星导航系统必须提供高精准和高可靠性的信号。这一计划还确定了开发与此相关的导航设备、软件及服务商的条件。

好事多磨

“伽利略”计划基础设施建设阶段总耗资约34亿欧元，如何分配这个大“蛋糕”曾是欧盟的一个难题，各国也都为了本国的公司能够多分一杯羹而争吵不断。这一多国合作项目发展一直不够顺利，先是第一阶段计划超支，然后是参加国之间利益分配问题及“伽利略”商业运作模式如何实现等问题，使得“伽利略”计划滞后了近6年。因此，欧盟委员会不得不将整个项目拆成小的分包合同，并且制定了详细的项目合同分配方案，确保项目竞争过程中的公平性。

2008年4月23日，欧盟立法机构——欧洲议会通过了“伽利略”全球卫星导航系统的最终部署方案：2008～2013年为建设阶段，2013年以后为运行阶段。

“伽利略”计划的所有项目合同被分为卫星、火箭、计算机程序、地面站、控制站和系统运行6大类，供欧盟国家的公司竞标。为了降低风险并增加灵活性，欧盟已经采取了双源策略，规定任何一家公司不能成为超过2类合同的主承包商，而每种产品都必须有2家不同的供应商。这些措施为控制伽利略计划的预算起到很好的作用，同时，也扩大了高科技战略的辐射作用。

除了内忧之外，“伽利略”计划还有外患。美国为了保持卫星导航市场的巨额垄断利润，维护自身在军事高科技领域的霸主地位，一手主导太空秩序，对“伽利略”计划的实施曾百般刁难。经过美方多次施压，欧盟被迫作出重大让步，与美国在2004年达成协议，确保GPS和“伽利略”2个系统能够兼容，且GPS优先于“伽利略”系统。

由30颗卫星组成的“伽利略”星座

首批2颗“伽利略-在轨验证”导航卫星与火箭Fregat上面级分离

测试“伽利略-在轨验证”导航卫星

特点突出

“伽利略”星座包括30颗（其中3颗为备份星）卫星，这些卫星平均分布在轨道高度约为23616千米、倾角56°、相互间隔120°的3个倾斜轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备份星，卫星运行周期为14小时4分钟。它提供全球连续覆盖，地面最多可见卫星数达13颗。每颗卫星的发射重量是625千克，功耗1.5千瓦，尺寸2.7米×1.2米×1.1米，寿命15年。其中导航载荷重113千克，功率808瓦，装有直径1.5米的全球波束天线和2对用于产生时标的铷钟及氢脉冲钟；搜索救援载荷重15千克，功率50瓦，采用螺旋天线。欧洲将建2个地面控制中心对卫星进行测控，一个负责控制卫星运作，一个负责管理导航系统。

该卫星系统既有与GPS相同之处，也有与GLONASS一样的地方。例如，欧洲与美国都重视地面应用，都采用码分多址来区分卫星，各卫星以相同的频率发射信号，其轨道测定方法也相同，即均在全球部署地面跟踪测轨监测网；但在卫星的入轨方式和星座优化设计上，欧洲又与俄罗斯一样，拟采用“一箭多星”的方式直接入轨，均用3个轨道面均匀分布的对称星座设计。

虽然“伽利略”与GPS、GLONASS都采用时间测距原理进行导航定位，但它比后两者有较大的不同和一些优越性。例如，“伽利略”星座的卫星数量多，轨道位置高，轨道面少，其覆盖面积是GPS的2倍，所以可为更广泛的人群提供卫星导航，而且精确度更高，抗干扰性更强。

“伽利略”可为地面用户提供免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号等多种信号，且精度依次提高，最高精度比目前的GPS高10倍左右，即使是免费使用的信号精度也达到6米。

由于“伽利略”的定位精度高，因此通过“伽利略”系统，汽车和火车可以在没司机的情况下自动行驶；飞机能在任何机场降落；轮船即使在大雾中也可以安全航行等等。有人称，通过GPS只能找到街道，而利用“伽利略”则能找到车库门。

“伽利略”系统卫星区分也采用码分多址技术，各卫星以相同的频率发射信号。系统的载波频段分别与GPS的L5和L1频段、GLONASS的L3频段重叠，以实现导航系统之间民用信号相互兼容。“伽利略”的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。除了能提供精确的定位信号外，它还可为移动电话业务服务，故能用于救生行动，如接收到失事飞机的求救信号后快速通知附近的救援部门。这些都是GPS望尘莫及的，对此，美国惊恐万分，并一直横加阻挠。

“伽利略”和GPS的最大区别在于，它完全从民用出发，由非军方控制和管理，所以可提供有保证的服务。一旦危机或者战争发生，美国完全有理由以“国家安全”为由停止所有GPS服务，而“伽利略”则完全能够保证服务，并且具有一些GPS相对薄弱的功能。比如，“伽利略”具备完善的搜索救援系统，徒步旅行者或者航海者一旦在海上、沙漠等地方迷失方向，如果携带“伽利略”接收机，就可以及时联系呼叫中心进行救援。

不过，欧盟委员会负责交通的委员雅克·巴罗曾表示，将考虑开放“伽利略”的军事用途，认为它仅作为民用在将来是行不通的，因为欧洲的军队如果连导航定位系统都没有的话，什么也干不了。媒体分析认为，“伽利略”用于军事将有助于欧盟弥补投资缺口。从长远看，它将帮欧洲壮大军力，更好地为外交服务，因此得到法国等国家的支持。

利用卫星导航技术能精耕细作

准备发射首批2颗“伽利略-在轨验证”导航卫星的俄罗斯联盟 VS01火箭

安装在联盟-FG火箭头锥部的第1颗“伽利略”导航试验卫星GIOVE-A

开路先锋

与美国、苏联和中国一样，欧洲也是从导航试验卫星起步。2005年12月28日，欧洲发射了第1颗名叫GIOVE-A的“伽利略”导航试验卫星。它由英国萨瑞卫星技术有限公司制造，其主要任务包括技术验证、实时广播与高精度授时的可行性演示、伽利略系统频率占用、描述地球中轨的电磁波环境特征等。

其发射质量为600千克，运作功率700瓦，两块长4.54米的太阳能电池板。它可提供从太空采集的首组“伽利略”导航信号，用于测试“伽利略”定位系统使用的通信频率，并在轨道上进行多项信号测试，在“伽利略”预定轨道评估辐射环境并协助解决国际无线电通信校准问题。该卫星还将试验包括铷原子钟和1个信号发生器在内的多种关键技术，测量轨道的物理参数以及未来“伽利略”星座将要运作的特殊环境。利用位于23616千米圆形轨道、倾斜角为56°的GIOVE-A卫星，能够获取“伽利略”技术论证所需的初期试验信号，并检验将来在太空环境中运行“伽利略”卫星所需的关键技术。GIOVE-A能够保证确认卫星的稳定性，但是对于电磁环境方面的研究存在不足。

据欧洲航天局网站2010年12月28日报道，设计使用寿命为27个月的GIOVE-A已经在太空工作了5年，状态依旧良好。除了设计合理，这颗卫星的“长寿”也有运气的成分，因为它运行的5年正值太阳活动相对平静的阶段，这意味着它受到的宇宙辐射大大低于预期，损毁的程度也相对小。GIOVE-A在兼容性和精确度等设计方面都优于当时美国的GPS。只是其后“伽利略”计划被一再延期，原本领先的技术优势才被更新换代的GPS所超越。

由于个别部件曾出现问题，欧洲第2颗“伽利略”导航试验卫星GIOVE-B卫星的发射被推迟了将近一年。2008年4月27日发射的GIOVE-B技术更加先进，所传输的是宽频导航信号。它比GIOVE-A稍大且复杂，卫星平台和有效载荷状态非常接近于未来30颗卫星组网的“伽利略”星座的卫星，用于继续试验“伽利略”计划的各项关键技术。

GIOVE-B自身质量为530千克，功率为940瓦，双翼展长各为4.34米，携带了2台精确度极高的小型铷原子钟，其每天的运转误差不超过2纳秒。该卫星还首次装配了1台更为精确的被动型氢原子微波激射器钟，其每天的运转误差在1纳秒以下，稳定性比原子钟更佳，是地球轨道上运行的最稳定的钟。

此外，这颗导航试验卫星还携带了1台辐射检测仪和1台激光反转反射器，前者能探明卫星运行轨道上的太空辐射环境，后者负责精确测量卫星的对地高度。

GIOVE-B的信号发射单元经由L波段相控阵天线，在3个独立的频率广播上提供典型的“伽利略”信号，旨在完整覆盖卫星之下可见的地球。除了进行技术验证，GIOVE-B接管了GIOVE-A任务，确保“伽利略”频率。GIOVE-A目前接近运行寿命终点。

欧洲第2颗试验导航卫星GIOVE-B在轨运行示意图

“伽利略”导航卫星在轨飞行示意图

重要进展

2009年，欧盟对“伽利略”系统的管理方式进行了较大调整。一是调整了“伽利略”监管机构的职责。“伽利略”监管机构被重新命名为全球导航卫星系统局，职责从“伽利略”计划的主要执行机构转变为欧洲委员会的下属辅助机构，主要任务是开展“伽利略”的市场研究和推广并进行安全审查。二是改变了投资模式，终结了2007年采取的公私伙伴关系的投、融资方式与管理模式，改为目前由公共资金（欧盟）支持“伽利略”系统，总投资也已从最初设想的30多亿欧元增加到近50亿欧元。三是成立了“伽利略”管理局，并委派前导航部部长在2010年前负责“伽利略”计划管理局和导航相关事务，以适应欧洲全球导航卫星系统计划的新任务。四是由欧委会领导“伽利略”的开发活动，欧盟已经对“伽利略”系统进行了全面重组，要求欧委会在欧洲航天局的协助下，领导“伽利略”基础设施的开发和实施。

2010年，经过多方协调，欧盟委员会最终授出6个“伽利略”初始运行能力采购合同中的4份，多个“伽利略”系统的地面站和控制中心也陆续竣工。这些合同的授出意味着伽利略计划全面启动了建造“伽利略”运行基础设施的工作，被屡次推迟并一再追加投资的“伽利略”卫星导航系统向2014年完成初步部署并具备初始运行能力迈出了重要一步。

2010年1月26日，“伽利略”导航卫星计划办公室签署了“伽利略”全运行能力阶段的首批3个合同。这标志着启动了建造“伽利略”运行基础设施的工作。

此外，2010年10月6日，欧洲建成了位于南太平洋中新喀里多尼亚的监测站，它是“伽利略”卫星导航系统全球服务网络最远的站点之一。2010年12月13日，建成了位于瑞典北部基律纳市的“伽利略”卫星导航系统地面站。2010年12月20日，建成了位于意大利富奇诺的“伽利略”控制中心。

欧盟现已开始准备研发第2代“伽利略”卫星导航系统，计划2020～2025年部署。