楊子輝，薛 彬

（天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

0 引言

1990年8月2日，伊拉克大舉入侵其東南部的鄰國(guó)科威特，以期控制科威特的石油。面對(duì)伊拉克的侵略行徑，美國(guó)和聯(lián)合國(guó)安理會(huì)要求伊拉克總統(tǒng)薩達(dá)姆·侯賽因（Saddam Hussein）從科威特撤出伊拉克軍隊(duì)，但遭到了薩達(dá)姆總統(tǒng)的拒絕。為此，以美國(guó)為首的34個(gè)國(guó)家的聯(lián)盟軍，從1991年1月17日至2月28日，開始對(duì)伊拉克的戰(zhàn)略要地進(jìn)行密集轟炸，在進(jìn)行連續(xù)6個(gè)星期的轟炸后，聯(lián)盟軍出動(dòng)地面部隊(duì)對(duì)伊拉克軍隊(duì)進(jìn)行了為期 4天的打擊。1991年2月底，薩達(dá)姆總統(tǒng)簽署了?；饏f(xié)議并從科威特撤軍，同時(shí)薩達(dá)姆總統(tǒng)還同意在戰(zhàn)后，伊拉克接受國(guó)際檢查，以確保伊拉克沒有化學(xué)武器或其他大規(guī)模殺傷性武器。這次以美國(guó)為首的聯(lián)盟軍對(duì)伊拉克的戰(zhàn)爭(zhēng)稱為“沙漠風(fēng)暴行動(dòng)（Operation Desert Storm）”，亦稱為“第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)（The First Gulf War）”。雖然當(dāng)時(shí)的美國(guó)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）只有13顆在軌衛(wèi)星，但是 GPS還是為聯(lián)盟軍的戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈及地面部隊(duì)提供了二維和三維的位置數(shù)據(jù)，為聯(lián)盟軍取得勝利及減少戰(zhàn)斗人員傷亡起到了巨大作用。

科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)（Kosovo war）是一場(chǎng)由科索沃的民族矛盾直接引發(fā)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)。在 1999年 3月24日至6月10日的這78天里，以美國(guó)為首的北大西洋公約組織簡(jiǎn)稱北約（North Atlantic Treaty Organization，NATO）成員國(guó)，對(duì)南斯拉夫進(jìn)行了“外科手術(shù)式”的空襲，空襲給南斯拉夫帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，而 NATO卻是“零傷亡”。在這78天里的空襲時(shí)間里，NATO共出動(dòng)38 004架次戰(zhàn)機(jī)，發(fā)射23 614枚導(dǎo)彈，在這些導(dǎo)彈中，有35%的導(dǎo)彈是GPS制導(dǎo)的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈。

GPS在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用，讓歐洲聯(lián)盟簡(jiǎn)稱歐盟（European Union,EU）非常清晰地認(rèn)識(shí)到，星基導(dǎo)航系統(tǒng)是系國(guó)家安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)于一身的重要基礎(chǔ)設(shè)施，必須立即采取行動(dòng)，建設(shè)屬于歐洲的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（European global satellite navigation system, European GNSS），European GNSS亦稱為薩特納芙（Satnav）系統(tǒng)。Satnav系統(tǒng)包括兩個(gè)發(fā)展階段：1）在2005年前，建成歐洲地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)（European geostationary navigation overlay service, EGNOS）并向用戶提供高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，EGNOS為星基增強(qiáng)系統(tǒng)（satellite based augmentation systems, SBAS），用戶采用EGNOS的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行定位，其水平位置的定位精度在3 m以內(nèi)，高程方向的定位精度在4 m以內(nèi)；2）建立擁有完全自主、服務(wù)全球的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global satellite navigation system, GNSS），即伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo），Galileo原計(jì)劃于2011年進(jìn)行試運(yùn)行，為全球用戶提供全天時(shí)全天候的公開服務(wù) (open service, OS)、搜救支持服務(wù)（search and rescue support service, SAR）及公共授權(quán)服務(wù)（public regulated service, PRS）。但由于各種原因，到2016 年12月15日，Galileo才具備了試運(yùn)行能力（initial operational capability,EOC），比原計(jì)劃晚了好幾年。

1 Galileo的艱辛發(fā)展歷程

1.1 歐美長(zhǎng)達(dá)4年的導(dǎo)航頻率之爭(zhēng)[8-9]

冷戰(zhàn)結(jié)束以后，美國(guó)作為世界的唯一超級(jí)強(qiáng)國(guó)，其獨(dú)霸世界的方式引起了很多歐洲國(guó)家的不滿；星基衛(wèi)星導(dǎo)航是維系國(guó)家安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，而且美國(guó)一再發(fā)出威脅，在必要時(shí)可以關(guān)閉或者干擾GPS的導(dǎo)航信號(hào)，為確保歐洲國(guó)家自身的國(guó)防及經(jīng)濟(jì)安全，歐盟決定建設(shè)Galileo。法國(guó)前總統(tǒng)雅克·希拉克（Jacques Chirac）甚至表示，如果歐盟不投資建造歐盟自己管控的星基衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Galileo，歐盟將成為“美國(guó)的附庸”。

Galileo項(xiàng)目是繼空中客車（Airbus）項(xiàng)目及阿里亞納太空（Arianespace）計(jì)劃之后，歐盟計(jì)劃進(jìn)行的一個(gè)重大項(xiàng)目。Airbus及Arianespace都取得了巨大成功，是兩個(gè)能夠與美國(guó)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目。美國(guó)對(duì)于Galileo這樣能夠?qū)PS構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)及沖擊的項(xiàng)目，當(dāng)然是希望將其扼殺在搖籃之中。美國(guó)反對(duì) Galileo的理由如下：1）Galileo的導(dǎo)航信號(hào)與美國(guó) GPS的一個(gè)軍用信號(hào)頻率接近，在發(fā)生緊急情況時(shí)，美國(guó)將對(duì)Galileo的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行干擾，這樣同樣會(huì)干擾到GPS的軍用導(dǎo)航信號(hào)，會(huì)使美國(guó)的作戰(zhàn)終端處于風(fēng)險(xiǎn)之中；2）歐盟各國(guó)應(yīng)該將經(jīng)費(fèi)用到更新自己的軍事裝備上，而不要用在建立新的星基衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上，在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)發(fā)現(xiàn) NATO成員國(guó)的武器裝備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，滿足不了現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，需要立即更新軍事裝備，而且GPS可以保證為歐盟各國(guó)提供需要的導(dǎo)航定位服務(wù)，因此，歐盟沒有必要去建立一個(gè)新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；3）他國(guó)可以利用Galileo的導(dǎo)航信號(hào)為其戰(zhàn)機(jī)及導(dǎo)彈導(dǎo)航，歐盟一直宣稱 Galileo是純粹的民用系統(tǒng)，即使在戰(zhàn)時(shí)也可以為民用設(shè)備提供導(dǎo)航信號(hào)，但Galileo本身無法保證其導(dǎo)航信號(hào)不被他國(guó)用到作戰(zhàn)裝備上，從而影響到美國(guó)的利益。

Galileo計(jì)劃雖然遭到了美國(guó)的反對(duì)，但歐盟發(fā)展Galileo的決心一直未變。在經(jīng)過4年的談判之后，美國(guó)和歐盟于2004年6月26日簽署了合作協(xié)議，主要內(nèi)容包括：1）Galileo與GPS均為獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；2）制定全球?qū)Ш椒?wù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)GPS與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的互操作；3）民用信號(hào)不收取任何費(fèi)用；3）用戶可以按照自己的意愿選擇任意一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)；4）開放接收機(jī)制造市場(chǎng)，容許儀器生產(chǎn)廠家在全球范圍內(nèi)進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)；5）保護(hù)美國(guó)的國(guó)家安全利益，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)不得干擾 GPS的無線電頻譜。

1.2 Galileo與我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率之爭(zhēng)

1.3 英美之間的專利之爭(zhēng)

從 2003年開始，英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Defence Science and Technology Laboratory,DSTL）所屬的普勞沙雷創(chuàng)新有限公司（Ploughshare Innovations Limited）就開始對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的二進(jìn)制偏移載波（binary offset carrier, BOC）調(diào)制方法、在世界各地進(jìn)行專利布局申請(qǐng)。2012年7月31日，美國(guó)對(duì)英國(guó)的一項(xiàng)有關(guān) BOC的專利進(jìn)行了授權(quán)，這項(xiàng)專利的專利權(quán)人是英國(guó)的國(guó)防采購(gòu)大臣菲利普·鄧恩（Philip Dunne）。BOC調(diào)制方法是不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間進(jìn)行兼容與互操作的核心技術(shù)。

2011年，當(dāng)普勞沙雷創(chuàng)新有限公司得知BOC調(diào)制方法將在美國(guó)獲得專利授權(quán)時(shí)，他們便開始聯(lián)系美國(guó)、歐洲和其他國(guó)家的GNSS 接收機(jī)和導(dǎo)航芯片生產(chǎn)廠家，要求這些生產(chǎn)廠家支付BOC調(diào)制方法的專利權(quán)使用費(fèi)。英國(guó)人索取BOC調(diào)制方法專利權(quán)使用費(fèi)的行為，震驚了美國(guó)朝野，引發(fā)了歷時(shí)一年半的關(guān)于GNSS導(dǎo)航信號(hào)專利權(quán)的糾紛。美國(guó)人甚至威脅要終止GPS與Galileo之間的互操作，以捍衛(wèi) GPS 信號(hào)的權(quán)利。迫于制造業(yè)界的壓力，美國(guó)政府最后不得不動(dòng)用外交手段，于2013年1月17日與英國(guó)簽署了聯(lián)合聲明。聯(lián)合聲明規(guī)定：英美兩國(guó)將會(huì)共同確保GPS民用信號(hào)永遠(yuǎn)免費(fèi)；英國(guó)將把政府持有的所有涉及美國(guó)GPS民用信號(hào)的專利權(quán)無償奉獻(xiàn)給公共服務(wù)領(lǐng)域。

文獻(xiàn)[15]報(bào)道，英國(guó)與歐盟之間就英國(guó)政府擁有的 BOC調(diào)制方法專利免費(fèi)給 Galileo使用達(dá)成了協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定：GNSS接收機(jī)及導(dǎo)航芯片生產(chǎn)廠家，可以免費(fèi)使用英國(guó)政府擁有的BOC調(diào)制方法專利權(quán)。

3) 縮小閥門口徑，由上述計(jì)算公式可知，CV值減小，qm也減小，為保證通過閥門的流量不變，必須加大閥門開度，避免了閥門在小開度工作。該方案在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，可根據(jù)計(jì)算適當(dāng)換成小口徑閥門。

1.4 命運(yùn)多舛，事故不斷

早在2005年12月28日，為搶占ITU分配給Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的頻率，歐盟從哈薩克斯坦的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了Galileo第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE-A，近 3年后的 2008年4月 26日，才發(fā)射了第二顆試驗(yàn)衛(wèi)星 GIOVE-B。由于資金困難及管理體制的原因，導(dǎo)致發(fā)射Galileo組網(wǎng)衛(wèi)星的速度緩慢，特別是2014年8月22日，在法屬圭亞那庫(kù)地區(qū)的歐洲圭亞那航天中心發(fā)射的兩顆組網(wǎng)衛(wèi)星 Galileo-FOC FM1及 Galileo-FOC FM2未能夠進(jìn)入預(yù)定軌道，更是延緩了Galileo組網(wǎng)衛(wèi)星的布設(shè)計(jì)劃。原計(jì)劃于 2011年進(jìn)行試運(yùn)行的 Galileo，被迫推遲到 2016 年才具備了試運(yùn)行的能力，到2019年才具備了完全運(yùn)行能力（full operational capability, FOC），計(jì)劃到2021年低，將完成Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星星座的布設(shè)，Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星星座由30顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成，包括24顆提供服務(wù)的導(dǎo)航衛(wèi)星及6顆備用衛(wèi)星。在建設(shè)Galileo的進(jìn)程中，有以下兩件典型事件值得我們借鑒：

1）2017年1月的星載原子鐘故障。到2017年1月，Galileo在軌運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星有18顆，每顆衛(wèi)星上搭載了兩臺(tái)銣原子鐘和兩臺(tái)被動(dòng)型氫原子鐘（passive hydrogen maser, PHM），2017年1月18日，在Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星搭載的72臺(tái)原子鐘里，有9臺(tái)原子鐘發(fā)生了故障，包括3臺(tái)銣鐘和6臺(tái)氫原子鐘，這里面不包括一臺(tái)氫原子鐘在發(fā)生故障后，又成功重新啟動(dòng)了的氫原子鐘。雖然Galileo星載原子鐘失效的事件沒有影響到Galileo衛(wèi)星的正常工作，但Galileo星載原子鐘的失效事件，也給人們一個(gè)警示：保證導(dǎo)航衛(wèi)星的載荷質(zhì)量是非常重要的，即使是成熟的銣鐘，也有可能發(fā)生故障；采用新技術(shù)的氫原子鐘，更需要在地面進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，才能夠應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。

2）2019年的服務(wù)中斷事件。2019年7月11—17日，Galileo的廣播星歷沒有得到連續(xù)更新，導(dǎo)航衛(wèi)星一直處于“不可用（NOT USABLE）”狀態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)航定位服務(wù)中斷近7天，給Galileo的聲譽(yù)帶來了嚴(yán)重影響。據(jù)歐盟委員會(huì)發(fā)言人說，這次事故是在Galileo地面控制中心的設(shè)備升級(jí)過程中，由于一些地面設(shè)備無法正確計(jì)算并注入衛(wèi)星的軌道參數(shù)才發(fā)生的偶然事故，Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星本身沒有發(fā)生故障。歐盟委員會(huì)發(fā)言人反復(fù)強(qiáng)調(diào)，這次事件發(fā)生在Galileo試運(yùn)行期間，出現(xiàn)各種故障是完全可能的。

2 Galileo的特點(diǎn)

與其他3個(gè)GNSS一樣，Galileo也是由空間段、地面段和用戶段組成，其定位原理也是利用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信息，接收機(jī)接收 4個(gè)以上導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)定位的。Galileo的星座由24顆工作衛(wèi)星及6顆備用衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星都是中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛(wèi)星，衛(wèi)星距地面的距離為23 222 km，繞地球運(yùn)行的時(shí)間為14 h 4 min 42 s，這24顆工作平均分布在與赤道成 56°角的3個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面上有8顆工作衛(wèi)星和2顆備用衛(wèi)星，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，啟動(dòng)備用衛(wèi)星，以保證Galileo的導(dǎo)航定位服務(wù)不受影響，其星座示意圖如圖1所示。

圖1 Galileo衛(wèi)星星座[18]

Galileo地面段由兩個(gè) Galileo控制中心（Galileo control centres, GCC）組成，這兩個(gè)控制中心分別位于德國(guó)的奧伯普法芬霍芬（Oberpfaffenhofen）和意大利的富齊諾（Fucino），每個(gè) GCC 管理具有“控制”功能的地面控制段（ground control segment, GCS）和具有“任務(wù)”功能的專用地面任務(wù)段（ground mission segment,GMS）。

地面控制段通過在全球分布的遙測(cè)、跟蹤（telemetry, tracking, TT）站和控制站（control stations, CS）形成的 Galileo衛(wèi)星監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)Galileo衛(wèi)星的星務(wù)進(jìn)行管理并對(duì)Galileo衛(wèi)星的星座進(jìn)行維持，包括控制和監(jiān)測(cè)Galileo衛(wèi)星及其有效載荷，若Galileo衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)，地面控制段能夠?qū)alileo衛(wèi)星進(jìn)行自動(dòng)管控。

地面控制段通過所有的 Galileo監(jiān)測(cè)站（Galileo sensor stations, GSS）獲取的Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)，確定Galileo衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和授時(shí)數(shù)據(jù)，并通過Galileo上行鏈路站（Galileo uplink stations , ULS）實(shí)現(xiàn)ULS與Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星間的通信，地面控制段和地面任務(wù)段將Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星與全球所有的Galileo地面站連接成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)和控制。Galileo地面段如圖2所示。圖2中：GRC（Galileo Reference Centre）為 Galileo 參考中心；GSC（European GNSS Service Centre）為歐洲 GNSS服務(wù)中心；GSMC（Galileo Security Monitoring Centre）為Galileo安全監(jiān)測(cè)中心；GSS（Ground Sensor Station）為地面監(jiān)測(cè)站；IOT（In Orbit Test Center）為在軌測(cè)試中心；LEOPCC（Launch and Early Operations Control Centre）為發(fā)射及早期運(yùn)行控制中心； SAR MEOLUT（Search and Rescue – Medium Earth Orbit Local User Terminal）為搜救–中圓地球軌道本地用戶終端；SGS（SAR/Galileo Ground Segment）為SAR/Galileo地面段；TGVF（Timing and Geodetic Validation Facility）為授時(shí)及大地測(cè)量驗(yàn)證設(shè)施；TT&C（Telemetry, Tracking and Control Stations）為測(cè)控站。

圖2 Galileo地面段示意[20]【審圖號(hào)：GS（2022）2347號(hào)】

與其他3個(gè)GNSS相比，Galileo具有以下特點(diǎn)：

1）第一個(gè)獨(dú)立于軍方的民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。無論是美國(guó)的 GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS），還是我國(guó)的BDS，軍方都是建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及操作這3個(gè)GNSS的主要力量，如果發(fā)生軍事沖突等突發(fā)事件，這些系統(tǒng)都有可能不能夠使用。而GNSS已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，一旦衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活帶來重大影響。即使在有軍事沖突的地方，Galileo也會(huì)為沖突區(qū)域提供全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)。

2）Galileo的導(dǎo)航衛(wèi)星采用了許多新技術(shù)，例如精度非常高的星載原子鐘、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及長(zhǎng)壽命衛(wèi)星，地面監(jiān)控站密布全球，這些有利條件使得Galileo的導(dǎo)航信號(hào)精度更高，可以為用戶提供更為優(yōu)良的導(dǎo)航定位服務(wù)。

3）由于Galileo的導(dǎo)航信號(hào)采用了BOC調(diào)制方法，更容易與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容與互操作，這等于直接增加了導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量，可以在高樓林立的城市、山區(qū)峽谷及森林場(chǎng)景等不理想的環(huán)境場(chǎng)合，提高定位結(jié)果的精度。

4）Galileo的所有衛(wèi)星，都在兩個(gè)頻段即L1/E1和 L5/E5 上發(fā)送民用信號(hào)，這樣用戶就可以采用雙頻接收機(jī)來接收Galileo的導(dǎo)航信號(hào)，從而減小電離層對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

5）服務(wù)類型更加多元化。除了公開服務(wù)（OS）外，Galileo還提供E6頻段上的加密導(dǎo)航信號(hào)，包括商業(yè)認(rèn)證服務(wù)（commercial authentication service,CAS）、面向政府機(jī)構(gòu)的公共特許服務(wù)（PRS）、搜救支持服務(wù)（SAR）及Galileo獨(dú)創(chuàng)的返回鏈接消息（return link message, RLM）功能，RLM功能是指搜救中心在收到求救者的求救信號(hào)后，告知求救者搜救中心已經(jīng)知曉了求救者的位置及求救信息。

3 Galileo的現(xiàn)代化計(jì)劃

從 2005年底發(fā)射 Galileo第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE-A以來，Galileo的事故就不斷，有些事故官方進(jìn)行了正式公布，有些事故官方并未進(jìn)行公布，例如文獻(xiàn)[22]就報(bào)道，Galileo的一顆導(dǎo)航衛(wèi)星多次偏離了軌道近5 m，這對(duì)于對(duì)外宣稱導(dǎo)航精度達(dá) 1 m的導(dǎo)航系統(tǒng)而言，導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道誤差太大了。為了確保Galileo的導(dǎo)航定位精度，為全球用戶提供滿意的服務(wù)，近年來Galileo進(jìn)行了一系列現(xiàn)代化工作。

3.1 管理機(jī)構(gòu)更名

Galileo的管理機(jī)構(gòu)“歐洲 GNSS管理局（European GNSS Agency，GSA）”更名為“歐盟空間規(guī)劃局（EU Agency for the Space Programme,EUSPA）”，EUSPA仍然負(fù)責(zé)Galileo及EGNOS的日常管理、將積極布局Galileo及EGNOS的開發(fā)應(yīng)用工作，為歐洲企業(yè)創(chuàng)造更多的商業(yè)機(jī)會(huì)，EUSPA的總部位于捷克共和國(guó)的首都布拉格，是由歐洲委員會(huì)（European Commission, EC）管理的一個(gè)機(jī)構(gòu)。而由部分歐盟（EU）國(guó)家及英國(guó)組成的歐洲空間局簡(jiǎn)稱歐空局（European Space Agency,ESA）則負(fù)責(zé)研發(fā)Galileo，加拿大與歐空局（ESA）間也具有特殊的合作關(guān)系。歐洲空間局（ESA）與歐盟空間規(guī)劃局（EUSPA）具有紛繁復(fù)雜的關(guān)系，即并非所有歐盟（EU）成員國(guó)都是歐空局（ESA）的成員，歐空局（ESA）的成員國(guó)也并非都是歐盟（EU）成員國(guó)，歐空局（ESA）的經(jīng)費(fèi)則主要來自歐盟（EU），ESA與EUSPA的這種復(fù)雜關(guān)系，也是導(dǎo)致Galileo頻繁出現(xiàn)問題的重要原因。

3.2 導(dǎo)航衛(wèi)星的現(xiàn)代化

為了克服現(xiàn)有 Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的缺點(diǎn)，EUSPA對(duì)Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星提出了新要求，要求第二代伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo second generation, G2G）的導(dǎo)航衛(wèi)星具備以下特點(diǎn)：

1）具有數(shù)字式可重構(gòu)天線（digitally configurable antennas, DCA）。DCA可以根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，實(shí)時(shí)改變工作頻率、極化方式、覆蓋區(qū)域等，這樣就能夠解決電磁兼容、衛(wèi)星質(zhì)量等問題；

2）搭載星間鏈路載荷，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的通信和相互測(cè)距，對(duì)衛(wèi)星位置和時(shí)間誤差進(jìn)行修正，從而在一定時(shí)間內(nèi)保持精確的定軌能力和時(shí)間同步能力，增強(qiáng)衛(wèi)星自主導(dǎo)航能力；

3）使用全電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的飛行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使導(dǎo)航衛(wèi)星能夠自動(dòng)修正軌道到預(yù)設(shè)的軌道上；

4）第一代Galileo的星載原子鐘，雖然采用了技術(shù)較為成熟的銣原子鐘及精度更高的氫原子鐘，但Galileo星載原子鐘時(shí)常發(fā)生故障，給Galileo的聲譽(yù)帶來了不利影響，因此，研究壽命更長(zhǎng)、性能更加穩(wěn)定，故障率更低的新一代星載原子鐘，也是G2G導(dǎo)航衛(wèi)星需要解決的問題。

3.3 地面段設(shè)施的現(xiàn)代化

為了使Galileo能夠提供更為多元化的服務(wù)，提高Galileo服務(wù)的穩(wěn)健性，ESA正對(duì)Galileo 的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)和現(xiàn)代化改造，主要包括：

1）采用虛擬化技術(shù)對(duì)Galileo地面段的設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。經(jīng)過虛擬化技術(shù)改造后的Galileo地面段設(shè)施，能夠兼容未來的新技術(shù)，也能夠減少對(duì)當(dāng)前Galileo運(yùn)營(yíng)的影響；

2）研發(fā)先進(jìn)的定軌與時(shí)間同步算法及其測(cè)試平臺(tái)。導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道精度及其時(shí)間同步精度，直接決定了接收機(jī)的定位精度及測(cè)時(shí)精度。2020年12月 3日，泰雷茲·阿萊尼亞空間公司（Thales Alenia Space）與ESA簽訂了研發(fā)先進(jìn)的定軌與時(shí)間同步（advanced orbit determination and time synchronisation, ODTS）算法及其測(cè)試平臺(tái)（advanced ODTS algorithms test platform, A-OATP）合同，用以提高Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的定軌精度及星載原子鐘的精度；

3）研發(fā)新一代Galileo運(yùn)控系統(tǒng)。2020年11月23日，西班牙的國(guó)際科技公司（GMV）與ESA簽訂了新一代 Galileo運(yùn)控系統(tǒng)的合同。新一代Galileo運(yùn)控系統(tǒng)可以同時(shí)管理兩個(gè)Galileo控制中心，可以對(duì)多達(dá)由 38 顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的 Galileo衛(wèi)星星座進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，可以對(duì)Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的完好性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 Galileo服務(wù)能力的更新

1）導(dǎo)航信號(hào)認(rèn)證。用戶接收機(jī)接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和授時(shí)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的接收機(jī)都無法確認(rèn)這些數(shù)據(jù)是否真正確實(shí)來自導(dǎo)航衛(wèi)星。如果這些數(shù)據(jù)在傳播途中被篡改或者被干擾，則接收機(jī)將會(huì)接收到虛假的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，導(dǎo)致定位結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。Galileo將提供公開服務(wù)中的導(dǎo)航信息認(rèn)證（OS navigation message authentication,OS-NMA）服務(wù)，其認(rèn)證原理是在導(dǎo)航電文中未定義的字段上，插入常規(guī)導(dǎo)航電文的數(shù)字簽名，接收機(jī)通過驗(yàn)證數(shù)字簽名與導(dǎo)航電文的一致性來判斷接收機(jī)接收到的導(dǎo)航信號(hào)的真實(shí)性。

2）高精度服務(wù)。在汽車自動(dòng)駕駛、無人機(jī)及無人艇的飛行控制、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、土木工程測(cè)量、地圖測(cè)繪等領(lǐng)域，需要高精度服務(wù)（high accuracy service, HAS）來確定接收機(jī)的位置。雖然可以采用精密單點(diǎn)定位（precise point positioning, PPP）技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（real-time kinematic positioning, RTK）、網(wǎng)絡(luò) RTK（network RTK, NRTK）技術(shù)以及 PPP-RTK 來提高接收機(jī)定位精度，但PPP需要較長(zhǎng)的定位時(shí)間，無法滿足用戶實(shí)時(shí)定位的需求；NRTK需要雙向通信，這樣就限制了用戶的數(shù)量，而且 NRTK需要有網(wǎng)絡(luò)的地方才能夠上網(wǎng)絡(luò)，其服務(wù)區(qū)域受限。采用PPP-RTK 技術(shù)，可以解決現(xiàn)有差分技術(shù)的缺點(diǎn)。Galileo為用戶提供HAS的原理如圖3所示。

圖3 Galileo高精度服務(wù)原理[30]

Galileo監(jiān)測(cè)站（GSS）將每顆衛(wèi)星的軌道修正、鐘差、大氣改正等改正項(xiàng)，通過上行數(shù)據(jù)發(fā)送站（ULS）將這些改正數(shù)據(jù)發(fā)送到Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星上，Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星通過E6-B信號(hào)將這些改正信息播發(fā)出去，接收機(jī)可以接收到這些改正信息，從而提高定位精度；Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星的這些改正項(xiàng)，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行播發(fā)，接收機(jī)也可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取這些改正信息。

3）升級(jí)搜救支持服務(wù)功能。Galileo的新一代搜救系統(tǒng)如圖4所示，與上一代搜救系統(tǒng)最顯著的區(qū)別是，新一代的搜救系統(tǒng)增加了RLM功能，讓求救者這知悉救援中心已經(jīng)獲得了求救者的位置。圖4中：LEOSAR （low Earth orbit SAR）為低軌道SAR系統(tǒng)；MEOSAR（medium-Earth orbit SAR）為中圓地球軌道 SAR系統(tǒng)；GEOSAR（geostationary Earth orbit ASR）地球同步軌道SAR系統(tǒng)；ELT（emergency locator transmitter）為緊急示位發(fā)信機(jī)；EPIRB（emergency position-indicating radio beacon）為緊急無線電示位標(biāo)；PLB（personal locator beacon）為個(gè)人示位標(biāo)；RLSP（return link service provider）為返回鏈路服務(wù)提供者。

圖4 Galileo第二代搜救系統(tǒng)[31]

5 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大基礎(chǔ)設(shè)施，任何失誤或事故將會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重影響。歐盟從2000年開始進(jìn)行的Galileo計(jì)劃，雖然對(duì)Galileo進(jìn)行過周密謀劃，但在實(shí)施過程中事故一直不斷，給 Galileo的聲譽(yù)帶來了嚴(yán)重影響，Galileo的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得我國(guó)發(fā)展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)借鑒，Galileo的現(xiàn)代化計(jì)劃，也可以為我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考。