“伽利略”衛星導航系統

伽利略定位系統(Galileo Positioning System),是歐盟一個正在建造中的衛星定位系統,有“歐洲版GPS”之稱,也是繼美國現有的“全球定位系統”(GPS)及俄羅斯的GLONASS系統外,第三個可供民用的定位系統。伽利略系統的基本服務有導航、定位、授時;特殊服務有搜尋與救援;擴展套用服務系統有在飛機導航和著陸系統中的套用、鐵路安全運行調度、海上運輸系統、陸地車隊運輸調度、精準農業。2010年1月7日,歐盟委員會稱,歐盟的伽利略定位系統將從2014年起投入運營。

規模

歐洲“伽利略”衛星導航系統 
數量:30顆中高度圓軌道衛星組成,27顆為工作衛星,3顆為候補;
軌道:高度為24126公里,位於3個傾角為56度的軌道平面內;
:最高精度小於1米;
:主要為民用;
進展:2005年12月28日首顆實驗衛星已成功發射,預計2008年前可開通定位服務。
歐洲的“伽利略”(Galileo)導航衛星系統計畫受到了全世界的關注。儘管遇到了許多障礙,“伽利略”系統最終還是得以實施。2002年3月26日,歐盟15國交通部長會議一致決定正式啟動“伽利略”導航衛星系統計畫。“伽利略”計畫的發展對世界衛星導航技術、市場,甚至世界政治格局都將產生深遠的影響。

發展簡況

1.計畫的提出
1999年2月10日,歐盟執行機構歐洲委員會(EC)公布了歐洲導航衛星系統“伽利略”計畫,該系統是與美國全球導航定位系統(GPS)和俄羅斯的GLONASS系統兼容的民用全球定位衛星系統。歐盟之所以進行“伽利略”計畫,主要是為了擺脫對美國GPS系統的依賴,打破美國對全球衛星導航定位產業的壟斷,在使歐洲獲得工業和商業效益的同時,贏得建立歐洲共同安全防務體系的條件。
其實,歐空局(ESA)早在1990年就決定研製“全球導航衛星系統(GNSS)”, GNSS分為兩個階段,第一階段是建立一個與美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統、以及三種區域增強系統均能相容的第一代全球導航衛星系統(GNSS-1),第二階段是建立一個完全獨立於GPS系統和GLONASS系統之外的第二代全球導航衛星系統(GNSS-2)。由於GNSS-1主要是利用GPS等已經建成的系統,因此其主要工作是在歐洲建立30座地面站和4個主控制中心,系統將在2002年部署完畢,2004年完成運營試驗。歐洲的長遠目標是擁有自己的獨立的全球導航衛星系統,即GNSS-2,也就是現在的“伽利略”系統。
“伽利略”計畫由歐洲委員會和歐空局共同負責。歐洲委員會負責政治領域和高層次的任務需求,其中包括對系統總體結構、經濟收益和用戶需求的研究。歐空局負責空間分系統及相關地面系統的確定、發展和在軌鑑定。
2.發展大事記
1998年6月23~24日,歐空局管理委員會在比利時首都布魯塞爾舉行會議,會上批准了GNSS-2系統的起動經費。
1999年2月10日,歐盟執行機構歐洲委員會公布了“伽利略”計畫。
1999年3月29日,“伽利略”計畫在歐盟交通部長會議上通過了初審。
1999年6月17日,“伽利略”計畫在歐盟交通理事會上通過終審。
1999年7月19日,歐盟委員會決議批准自1999年7月到2000年底為“伽利略”的方案確定階段,任務是提出管理方式、運行管理、系統設計、安全性、服務費用和效益分析。並同意為該階段提供經費。
2000年12月20日,歐洲交通部長會議和歐空局委員會會議分別在比利時布魯塞爾和法國巴黎舉行。兩個會議的主題都是就“伽利略”系統的投資計畫作出決定。歐空局委員會的會議批准了對“伽利略”計畫的投資。而歐洲交通部長會議決定推遲到2001年4月再對“伽利略”計畫的投資問題作決定。
2000年12月,歐空局授予加拿大NovAtel公司一項價值190萬加元的契約,用以完成“伽利略”導航系統的概念界定階段工作。該階段的研究在6~8個月內完成。
2001年4月5日,歐盟交通部長會議批准了“伽利略”計畫,這標誌著該計畫進程正式啟動。 同期,歐空局批准為“伽利略”系統投資4500萬美元,到2002年底再投入4.557億美元。但其投資還要視歐盟是否投入相同數額資金而定。
2001年11月14日-15日,召開歐空局部長會議,主要議題是“伽利略”系統的未來預算和計畫,但會議沒有對這項系統的需求達成一致意見
2001年12月7日,召開歐盟交通理事會會議,主要議題也是“伽利略”全球定位系統的未來預算和計畫,但會議也沒有對這項系統的需求達成一致意見。
2001年12月,在歐盟交通部長會議上,英國、荷蘭、瑞典、丹麥、奧地利、德國等國表示暫時不予撥款,從而使“伽利略”計畫擱淺。
2002年2月底,在歐盟委員會、歐空局,以及法國、西班牙等國的不懈努力和遊說下,德國政府終於改變了觀點,決定與其他成員國一道為“伽利略”計畫撥款,德國態度的轉變帶動了奧地利、瑞典和丹麥,並最終使英國和荷蘭也作出同樣的決定。
2002年3月26日,歐盟15國交通部長會議開了不足半個小時,便一致決定正式啟動“伽利略”導航衛星系統計畫。
二、系統方案
1.計畫進度
按歐空局和歐盟委員目前的計畫,將分3個階段建立“伽利略”系統。第一階段為系統確定(The definition of the system)階段。第二階段為系統發展(The development of the system)階段,該階段又分為兩個子階段:發展與鑑定(The development and validation)階段和星座部署(The constellation deployment)階段。發展與鑑定階段在2002至2005年之間進行,將進行包括衛星、地面設備和用戶接收機等系統部件的詳細定義與製造。星座部署階段在2006至2007年之間進行,將從2006年開始部署套用衛星,並部署地面設施。第三階段為商業運營(The commercial operation)階段,系統將從2008年開始投入完全商業運營。
目前第一階段工作已經完成。第二階段工作進展順利,各項關鍵技術正在研發之中。第一顆實驗衛星,它是“伽利略系統測試台(GSTB)”計畫的一部分,將在2004年下半年發射。在2005至2006年間,將發射4顆套用衛星,進行在軌鑑定(IOV)。完成在軌鑑定工作後,將發射星座中的其他衛星。
2.星座
1999年歐洲委員會的報告對“伽利略”系統提出了兩種星座選擇方案,其一是21+6方案:它採用21顆中高軌道(MEO)衛星加6顆地球同步軌道(GEO)衛星。這種方案能基本滿足歐洲的需求,但還要與美國GPS系統和本地的差分增強系統相結合。其二是36+9方案:它採用36顆中高軌道衛星和9顆地球同步軌道衛星或只採用36顆MEO衛星。這一方案可在不依賴GPS系統的條件下滿足歐洲的全部需求。該系統的地面部分將由正在實施的歐洲監控系統、軌道測控系統、時間同步系統和系統管理中心組成。
但是上述兩個方案最終都沒有採用。最終方案是:系統由30顆衛星組成,其中27顆工作星,3顆備份星。衛星分布在3箇中地球軌道(MEO)上,軌道高度為23616千米,軌道傾角56度。每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星,某顆工作星失效後,備份星將迅速進入工作位置,替代其工作,而失效星將被轉移到高於正常軌道300千米的軌道上。
3.衛星
衛星設計主要數據如:
外形尺寸:2.7m×1.2m×1.1m;
發射質量:625kg;
功率:1.5kw;
設計壽命:15年;
有效載荷:2對銣鍾和氫脈衝鍾,搜尋救援載荷。
4.地面系統
“伽利略”系統的地面系統部分主要由2個位於歐洲的“伽利略”控制中心(GCC)和20個分布全球的“伽利略”敏感器站(GSS)組成,另外還有用於進行控制中心與衛星之間數據交換的分布全球的5個S波段上行站和10個C波段上行站。控制中心與敏感器站之間通過冗餘通信網路相連。
5.服務
“伽利略”系統按不同用戶層次分為免費服務和有償服務兩種級別;免費服務包括:提供L1頻率基本公共服務,與現有的GPS民用基本公共服務信號相似,預計定位精度為10m;有償服務包括:提供附加的L2或L3信號,可為民航等用戶提供高可靠性、完好性和高精度的信號服務。
三、綜合評估
1.技術性能評估
“伽利略”系統起步比美國GPS系統和俄羅斯GLONASS系統晚了很多年,但該系統的技術性能並不差。歐洲在衛星平台、有效載荷方面有雄厚的技術基礎,所欠缺的是在全系統的管理和操作控制方面,針對這一點,歐洲正試圖通過與俄羅斯的合作加以解決。
“伽利略”系統的信號結構吸收了GPS的經驗,具有很多優點。系統採用廣泛的公開信號,提高了頻寬和碼片率,公開信號的Q分量上具有引導信號,加發完好性數據和商業數據,可以實施三載波的TCAR技術,並較好地處理了加密、密鑰和拒用問題。
按設計,“伽利略”系統的全球定位精度10米,定時精度33納秒,與取消了SA的GPS系統相當。
2.投資與效益評估
“伽利略”系統的經濟效益主要來自3個方面:用戶設備銷售及出口;增值業務的提供;系統套用為社會帶來的潛在的廣泛效益。據有關統計預測,“伽利略”系統的實施能創造14萬個就業崗位,僅航空和海運領域就可在2008年到2020年間收入150億歐元。另據統計預測,在2000~2020年的20年內,“伽利略”系統的經濟效益可達620億歐元,社會效益可達120億歐元,總效益可達740億歐元。
而建成整個系統的總投資,按歐洲委員會的估算,包括30顆衛星和全部地面設備,大約為32億歐元。2008年以後系統每年的成本開銷大約為2.2億歐元,包括系統運營、維護和補充的成本。即在2000~2020年間,系統總成本約為60.6億歐元.
按經濟效益數據計算,“伽利略”系統的產出投入比值達到10.2,超過了歐洲其他任何一個基礎建設項目。
可見,“伽利略”系統不僅收益巨大,而且效費比也很大,系統投資效益極佳。
3.政治意義評估
“伽利略”系統的批准實施,使得歐洲繼“空中客車”和“阿里安”火箭之後,又將擁有自己獨立的導航衛星系統,這是歐洲力圖獨立於美國的又一個重大決定,具有重大政治意義。
歐盟稱,“伽利略”計畫是在“技術、經濟和政治上的挑戰”。小心翼翼地將“政治”放在最後,自然是要減少“伽利略”的政治色彩。歐盟還表示,“伽利略”系統是純民用的,不用於軍事,也不干涉美國的GPS,甚至是GPS的有效補充,也是為了避免美國的反感。但是“伽利略”計畫既已啟動,其政治意義也就不言自明。
在“伽利略”系統的籌建過程中,曾一再受到美國的阻撓,歐洲內部的意見也一度產生嚴重分歧,系統計畫幾乎流產。但歐盟委員會及歐洲航天局非常明確地向成員國指出,早在20世紀60年代,美國就曾阻止歐洲擁有自己的航天發射能力,許諾免費為歐洲發射衛星,但歐洲頂住了誘惑和干擾,開發了自己的“阿里安”火箭,使歐洲今天不但擁有了完全獨立的衛星發射系統,而且在國際航天發射市場上占有了絕對的優勢。歐盟委員會指出,現在的情況與當初何其相似,所不同是如果沒有自己獨立的衛星導航定位系統,歐洲防務在20到30年以後將完全失去自主,歐洲也將最終淪為美國的附庸。
在“伽利略”系統問題上,歐洲內部從意見分歧到最後統一,這足以表明儘管歐洲國家各有各的考慮,但面對美國昭然若揭的霸權野心,其他矛盾都可以暫退其後。歐洲人已經達成共識:對歐洲的安全性起關鍵作用的導航系統如果不受歐洲控制,歐洲的主權和安全就有嚴重問題。因為世界上沒有永遠的敵人,也沒有永遠的盟友,盟友有時會變成敵人。
“伽利略”計畫很可能會成為歐洲人安全合作的起點,在軍事套用上發揮類似GPS的功能。“伽利略”系統的安全保障功能絕不僅僅是一個推銷軍用接收機的問題,而是歐洲各國需要擁有一個既能用於歐洲防務體系,又能為歐洲各國軍方使用的全球導航衛星系統。歐盟“伽利略”計畫軍事套用的具體構想是:在發生衝突和戰爭期間,迅速將L1和L2頻率的兩級服務轉為軍用業務,而第3級L3頻率仍保留給民航等特殊用戶。歐盟將採用不同類型的接收機控制導航信號及其套用。

伽俐略計畫的主要目的

伽俐略計畫將發射30顆在軌衛星以覆蓋地球的每一寸土地。它將使擁有衛星信號接收器的每一個人,比如將該接收器與手機連線後,便能通過接收衛星信號從而確定其時間和空間位置。

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