伽利略系统“拉闸”,也许要从缺少这个技术说起
2019-07-17 07:40

伽利略系统“拉闸”,也许要从缺少这个技术说起

本文来自观察者网旗下微信公众号:科工力量(ID:guanchacaijing),作者:石豪,标题图来自视觉中国


从北京时间2019年7月10日起,欧洲伽利略卫星导航系统开始出现数据中断等异常情况。


7月11日22时45分,欧洲GNSS服务中心发布公告,称伽利略系统所有卫星“服务降级”,导航信号可能不可用,正在尽快修复。


而就在7月14日凌晨4时15分,欧洲GNSS服务中心再次发布公告,宣布“用户服务中断”。


四大全球导航系统之一的伽利略,陷入全面“拉闸”状态。



罕见的故障


自1978年美国发射第一颗GPS卫星以来,人类对全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)的建设已经超过40年,形成了美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗和欧洲伽利略四大系统。虽然各系统的发展都不是一帆风顺,单星故障、服务不稳定等小毛病不算少,但像伽利略系统这次的全局服务中断故障,着实罕见。



四大全球导航系统的实时星下点位置,其中已无代表伽利略的绿色圆点 图片来源@国际GNSS监测评估系统



伽利略系统卫星工作状态,可见已全部掉线 图片来源@国际GNSS监测评估系统


其实,从7月10日开始,由我国建设运行的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)就已经记录到伽利略系统的信号异常:



7月10日伽利略系统卫星工作状态 图片来源@国际GNSS监测评估系统



7月11日伽利略系统卫星工作状态 图片来源@国际GNSS监测评估系统


从10日和11日的卫星工作状态图中我们不难发现,伽利略系统中的所有卫星都出现了步调一致的“掉线”,如果是卫星自身的问题,一般不会多颗星同时出现故障,并且故障发生时间完全一致,因此初步判断问题出在地面系统。


根据慕尼黑联邦国防军大学退休教授、前欧空局GNSS发展计划负责人Günter W. Hein的说法,伽利略系统的故障是由位于意大利富齐诺控制中心的精密定时装置(PTF,Precise Timing Facility)引起的。


和其他全球定位系统一样,伽利略系统也由卫星和地面设备组成,建成后的伽利略系统将有30颗卫星在距地面2.3万千米的三个轨道面上运行。



伽利略系统星座示意图 图片来源@ESA


地面部分则由2个地面控制中心、6个测控站和多个数据上传站等组成,这次出现问题的精密定时装置就是属于富齐诺控制中心的地面任务段。


精密定时装置的核心是一个氢原子钟和多个铯钟,能够生成高精度、高稳定度的时间数据(伽利略系统时间GST),能够对星上时钟进行校准,以实现高精度定位。



精密定时装置(PTF)框图 图片来源@参考文献[2]



奇怪的沉默


在伽利略系统由信号异常到服务完全中断的过程中,由我国建设运行的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全程保持监测,并持续对国内外用户提供数据。


iGMAS是全球第一个涵盖四大导航系统的监测平台,也是我国第一个在联合国框架下发起并主导的科学工程。iGMAS的跟踪站遍布全球,包括8个国内站、14个海外站,甚至在北极的黄河站和南极的中山站也设有跟踪站,能够在全球范围内对四大导航系统的信号进行接收测量,对数据质量进行评估。全球用户可以通过iGMAS网站(www.igmas.org)获得免费的四大导航系统监测评估数据。



iGMAS南北极跟踪站 图片来源@iGMAS


然而令人疑惑的是,在伽利略系统全面“拉闸”的几天里,公认的“西方主流媒体”并没有什么动静。


也许是CNN、BBC等西方主流媒体对欧洲的全球导航系统宕机漠不关心?或者他们对欧洲的宽容度更高,选择为尊者讳?


只是不知道如果宕机的是中国的北斗系统,他们又会作何反应。


不过,想要北斗出现这种全系统掉线的情况,还真是有点困难的,这都源于一项北斗拥有,GPS也有,GLONASS都有,就伽利略没有的技术——星间链路



缺少的技术


其实星间链路技术在北斗系统的应用,多少和历史有关。


全球导航系统包含数十颗卫星,卫星飞出国土范围后的测控很成问题——卫星上的遥测数据下不了,地面的遥控指令上不去。所以我们能看到远望号航天测控船队经常远航太平洋,为发射提供测控服务。



远望七号 图片来源见水印


对于英法美等老牌殖民主义国家而言,遍布全球的殖民地为设立测控站提供了诸多便捷,而我国建设的海外测控站则面临所在国政治局势的影响,始终存在风险。


20世纪90年代,我国在太平洋岛国基里巴斯建设了海外测控站,但2003年11月,基里巴斯当局背信弃义,与台湾当局建立所谓“外交关系”,基里巴斯测控站也遭受了重大挫折。


严峻的局势对北斗全球定位系统提出了更高的要求:北斗卫星不依赖境外测控站,就能完成对系统内卫星的测控。


而星间链路技术,是我们最好的选择。



星间链路示意图 图片来源@中国空间技术研究院


实际上,星间链路不光能传输数据,还能实现卫星之间的精密测距和校时,并以此自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统。就算我国境内的地面站遭受攻击完全停止工作,依靠高精度的星间测距,北斗星座还能自主运行数月时间。


反观伽利略系统,因为没有星间链路,卫星只好“各自为战”,在地面站出现问题时,整个星座因为缺乏自主运行能力而陷入瘫痪,地面设施一天不恢复正常,伽利略系统也就一天不能重启,用户们也就要苦苦等待。


北斗卫星搭载的是Ka波段相控阵天线,相比于GPS搭载的UHF波段链路和GLONASS搭载的S波段链路,技术更先进,传输速率更快,同时对波束的指向性要求也更高。Ka波段星间链路技术的突破,不仅是北斗系统向世界顶级导航卫星系统迈进的重要一步,更为未来通信、导航、遥感一体化技术埋下了意味深长的伏笔。



通导遥一体化场景 图片来源@参考文献[5]


平心而论,以十几年前英法德意西欧国家的技术实力,完全可以做出比现在更好的导航系统,但伽利略系统从诞生之日起,就伴随着争吵与妥协,现在的样子只能算是各参与国的“最大公约数”。尽管到7月15日为止,西方主流媒体有意或无意地放过了这次事故,没有造成更大的舆论影响,但这次宕机对尚未完全建成的伽利略系统是否会带来消极影响,依然值得观察。


作为伽利略项目曾经的参与方与投资方,中国用北斗系统再次证明了自力更生在核心技术领域的重要性,有些东西是等不了、靠不住、要不来的。北斗系统的故事,值得我们细细品味,“北斗人”的精神,值得与每一位有志于为祖国突破尖端科技贡献力量的朋友共勉。



北斗卫星导航系统 图片来源@北斗系统官网



参考文献:

[1] GALILEO positioning technology[M]. Dordrecht, The Netherlands:: Springer, 2015.

[2] Zanello R, Mascarello M, Galleani L, et al. The Galileo precise timing facility[C]//2007 IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. IEEE, 2007: 458-462.

[3] 谢军, 王金刚. 北斗-3卫星的创新和技术特点[J]. 国际太空, 2017(11):6-9.

[4] Zhou Y, Wang Y, Huang W, et al. In-orbit performance assessment of BeiDou intersatellite link ranging[J]. GPS Solutions, 2018, 22(4): 119.

[5] 李德仁. 论军民深度融合的通导遥一体化空天信息实时智能服务系统[J]. 军民两用技术与产品, 2018(15):14-17.


本文来自观察者网旗下微信公众号:科工力量(ID:guanchacaijing),作者:石豪,标题图来自视觉中国

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