伽利略卫星导航系统(英文:
伽利略·伽利莱 navigation satellite system,简称:伽利略系统)是欧洲自主、独立建立的全球多模式卫星定位导航系统,由欧洲委员会于1999年2月10日提出,于2016年12月15日正式开通,比原计划晚了8年。
伽利略系统由全球设施、区域设施、局域设施、用户及服务中心5个部分构成;其中,空间段由24颗工作
卫星及6颗备用卫星组成,卫星距地面23222km,平均分布在与
赤道成56°角的3个
轨道平面上。伽利略系统使用的卫星外形尺寸为2.7mx1.2mx1.1m,发射质量625kg,功率1.5kW,设计寿命为15年,搭载导航载荷和一台搜救转发器。伽利略系统的地面段由位于德国奥伯普法芬霍芬(Oberpfaffenhofen)和意大利富齐诺(Fucino)的两个伽利略系统控制中心(Galileo control centres,GCC)组成。伽利略系统是第一个独立于军方的民用卫星导航系统,能够与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)实现多系统内的相互合作,水平精度达到20厘米,可提供高精度,高可靠性的定位服务,实现完全非军方控制、管理,可以进行覆盖全球的导航和定位功能。伽利略系统有助于保证欧洲在太空领域技术和政策的独立性,更被视为欧洲独立防务的重要一步。伽利略系统摆脱了对GPS系统的依赖,打破美国对全球卫星导航产业的垄断。截至2023年1月,该系统已完成28颗卫星发射,服务于全球超过三十亿用户。
2017年1月,伽利略系统的9台
原子钟发生了故障;2019年7月,该系统服务中断达一周时间;2020年2月,伽利略系统时间发生异常持续3小时左右。
相关背景
第一次海湾战争
1990年8月2日,
伊拉克大举入侵其东南部的邻国
科威特,
美国和
联合国安全理事会要求伊拉克从科威特撤军,但遭到了萨达姆总统的拒绝。为此,以美国为首的34个国家的联盟军,从1991年1月17日至2月28日,开始对伊拉克的
战略要地进行密集轰炸,之后出动地面部队对
伊拉克共和国卫队进行了为期4天的打击。1991年2月底,萨达姆总统签署了停火协议并从科威特撤军。虽然当时的美国全球定位系统GPS只有13颗在轨卫星,但是还是为联盟军的战机、
导弹及地面部队提供了二维和三维的位置数据,为联盟军取得胜利及减少战斗人员伤亡起到了巨大作用。
科索沃战争
科索沃战争是一场由科索沃的民族矛盾直接引发的局部战争。在1999年3月24日至6月10日,以
美国为首的
北大西洋公约组织成员国对
南斯拉夫联盟共和国进行了“外科手术式”的空袭,给南斯拉夫带来了巨大的财产损失和人员伤亡,而北约却是“零伤亡”。在这78天里的空袭时间里,北约共出动38004架次战机,发射23614枚
导弹,在这些导弹中,有35%的导弹是GPS制导的精确制导导弹。
发展历程
初期酝酿
GPS在战争中的作用,让
欧盟非常清晰地认识到,星基导航系统是系国家安全、
国民经济于一身的重要基础设施。1990年,他们开始酝酿建设属于
欧洲的全球卫星导航系统(European global satellite navigation system,European GNSS),亦称为萨特纳芙(Satnav)系统。计划分为两个阶段:第一阶段是建立一个与
美国GPS系统、
俄罗斯GLONASS系统以及三种区域增强系统均能相容的第一代全球导航卫星系统(GNSS-1);第二阶段是建立一个完全独立于GPS和GLONASS之外的第二代全球导航卫星系统(GNSS-2),也就是现在所谓的伽利略系统。
计划提出
1996年7月23日,
欧洲议会和
欧盟交通部长会议制定了有关建设欧洲联运交通网的共同纲领,其中首次提出了建立欧洲自主的定位和导航系统的问题。这一共同纲领成为日后伽利略计划出台的基础。
1998年6月23日至24日,欧空局管理委员会在
比利时首都
布鲁塞尔举行会议,批准了GNSS-2系统的启动经费。
1999年1月13日,欧洲议会批准了由欧洲委员会提交的名为《建立一个欧洲联运定位和导航网:欧洲全球卫星导航系统发展战略》的报告。2月10日,欧洲委员会在其名为《伽利略(Galileo)——欧洲参与新一代卫星导航服务》的报告中首次提出了以
意大利天文学家伽利略名字命名的“伽利略计划”。计划分为4个阶段:论证阶段(2000-2001),论证计划的必要性、可行性以及落实具体的实施措施;系统研制和在轨验证阶段(2001-2005);星座布设阶段(2006-2007);运营阶段(从2008年开始)其任务是系统的保养和维护,提供运营服务,按计划更新卫星等。
伽利略·伽利莱计划投资48亿美元,向距离
地球2.4万公里的太空发射30颗卫星,组成伽利略卫星定位系统,其误差不超过1米。
1999年7月19日,
欧盟委员会批准自1999年7月到2000年底为伽利略方案的确定阶段,任务是提出管理方式、运行管理、系统设计、安全性、服务费用和效益分析,并同意为该阶段提供经费。2001年12月,在
欧盟交通部长会议上,伽利略计划搁浅。2002 年3月26日,欧盟15国交通部长会议一致决定正式启动伽利略导航卫星系统计划。
国际合作
2003年9月,欧盟与中国签订
伽利略卫星定位系统合作计划。
美国在初期是反对这个能够对GPS构成竞争及冲击的项目的,在经过4年的谈判之后,美国和欧盟于2004年6月26日签署了合作协议。2004年10月,中欧正式签署《中欧伽利略计划技术合作协议》,该协议使中国成为第一个充分参与该共同体框架的非
欧盟国家。
发射试验
伽利略系统第一颗试验卫星GIOVE-A在荷兰的欧洲空间技术研究中心接受最终测试后,于北京时间2005年12月28日下午在哈萨克斯坦的卫星发射基地成功发射升空。地面用户在2006年1月12日收到了GIOVE-A卫星发射的导航信号。
2008年4月26日,伽利略系统发射了第二颗试验卫星GIOVE-B。
系统实施
2011年10月21日,伽利略系统的首两枚
卫星由
俄罗斯“联盟”火箭在法属圭亚那送入太空。次年10月12日,伽利略系统再次成功发射两颗卫星。这两颗分别以David和Sif(来自
捷克和
丹麦的孩子的名字)命名的卫星由德国OHB公司制造。伽利略系统已经发射的四颗卫星组成的迷你卫星
星座可满足卫星导航定位验证的最低要求,这是伽利略系统向提供服务迈出的重要一步。
由于资金困难及管理体制的原因,导致发射伽利略系统组网卫星的速度缓慢。特别是2014年8月22日,在法属圭亚那库地区的欧洲圭亚那航天中心发射的两颗组网卫星Galileo-FOC FM1及Galileo-FOC FM2未能够进入预定轨道,更是延缓了伽利略系统组网卫星的布设计划。
2015年3月27日,伽利略系统的第7颗和第8颗导航卫星搭载俄罗斯联盟号运载火箭、从法属圭亚那成功发射。同年9月10日,伽利略系统第9颗和第10颗卫星发射升空。格林尼治时间12月17日,伽利略系统第11颗和第12颗卫星发射升空。
格林尼治时间2016年5月24日,伽利略系统第13颗和第14颗卫星搭乘一枚
俄罗斯“联盟”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。同年11月17日,伽利略系统的第15、16、17和18颗卫星发射成功,这四颗导航卫星由德国OHB-System集团公司和英国萨里卫星技术公司联合制造,每颗卫星重约700公斤。2016年12月15日,伽利略系统正式开通,比原计划晚了8年。
当地时间2017年12月12日,伽利略系统第19、20、21和22颗卫星由一枚阿丽亚娜5型火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。
2021年12月5日,
俄罗斯成功在位于
南美洲的法属圭亚那航天中心发射联盟-ST-B火箭,将第27号、28号伽利略导航卫星送入太空。
欧洲航天局在2023年1月举行的第15届
欧洲太空会议上宣布,经过工程师在ESTEC技术中心几个月的测试,由28颗
卫星组成的伽利略全球导航卫星系统,其高精度定位服务 (HAS) 已启用,水平和垂直导航精度分别可达到20厘米和40厘米;这也代表着欧洲的伽利略系统(包括28颗卫星和一个全球地面系统)已经成为世界上最精确的卫星导航服务。截至2023年1月,该系统已经服务于全球超过三十亿用户。
系统构成
伽利略系统由全球设施、区域设施、局域设施、用户及服务中心5个部分构成。
全球设施
伽利略系统的全球设施部分由空间段和地面段组成。
空间段
伽利略系统的空间段由24颗工作
卫星及6颗备用卫星组成,这些卫星都是中圆地球轨道(medium Earth orbit,MEO)卫星,卫星距地面的距离为23222km,绕地球运行的时间为14h4min42s,这24颗工作平均分布在与
赤道成56°角的3个
轨道平面上,每个轨道面上有8颗工作卫星和2颗备用卫星,当工作卫星出现故障时,启动备用卫星,以保证伽利略系统的导航定位服务不受影响。失效星将被转移到高于正常轨道300km的轨道上。这样的星座可为全球提供足够的覆盖范围。
伽利略系统使用的
卫星外形尺寸为2.7mx1.2mx1.1m,发射质量625kg,功率1.5kW,设计寿命为15年,搭载导航载荷和一台搜救转发器。
地面段
伽利略系统的地面段由两个伽利略系统控制中心组成,这两个控制中心分别位于
德国的奥伯普法芬霍芬和
意大利的富齐诺,每个GCC管理具有“控制”功能的地面控制段(ground control segment,GCS)和具有“任务”功能的专用地面任务段(ground mission segment,GMS)。地面控制段通过在全球分布的遥测、跟踪(telemetry,tracking,TT)站和控制站(control stations,CS)形成的伽利略系统卫星监控网络,对卫星的星务进行管理并对卫星的星座进行维持,包括控制和监测卫星及其有效载荷,若卫星发生故障时,地面控制段能够对卫星进行自动管控。
地面控制段通过29个分布于全球的的伽利略系统监测站(Galileo sensor stations,GSS)获取的导航
卫星数据,确定卫星的
导航电文和授时数据,并通过分布于全球的5个S
波段和10个C波段上行链路站(Galileo uplink stations,ULS)实现ULS与导航卫星间的通信,地面控制段和地面任务段将导航卫星与全球所有的
地面站连接成网络,实现对导航卫星的监测和控制。
全球地面部分还提供与服务中心的接口、增值商业服务以及与“科斯帕斯-萨尔萨特”(COSPAS-SARSAT)的地面部分一起提供搜救服务。
区域设施
伽利略系统区域设施由监测台提供区域完好性数据,由完好性上行数据链直接或经全球设施地面部分,连同搜救服务商提供的数据,上行传送到卫星。全球最多可设8个区域性地面设施。
欧洲静地导航重叠业务(ECNOS)系统通过地球静止卫星播发GPS和GLONASS的完好性信息与差分校正量。
局域设施
有些用户对局部地区的定位精度、完好性报警时间、信号捕获/重捕等性能有更高的要求,如机场、港口、铁路、公路及市区等。伽利略系统的局域设施采用增强措施可以满足这些要求。除了提供差分校正量与完好性报警外(≤1s),局域设施还能提供下列各项服务:
用户
无线电接收机是伽利略系统中一个重要环节。根据市场的需求,有各种不同类型的接收机利用伽利略系统的各种信号实现不同的服务。伽利略接收机还应有外部辅助系统(GPS、GLONASS和
罗兰等)口,可组成综合服务。
服务中心
服务中心提供伽利略系统用户与增值服务供应商(包括局域增值服务商)之间的接口。根据各种导航、定位和授时服务的需要,服务中心能提供下列信息:
技术特点
独立性
伽利略系统是第一个独立于军方的民用卫星导航系统。无论是
美国的GPS、
俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统,还是中国的
北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS),军方都是建设、运营及操作的主要力量。如果发生军事冲突等突发事件,这些系统都有可能不能够使用。但是GNSS已经成为
国民经济中的重要基础设施,一旦卫星导航系统出现故障,将会给国民经济建设和人民生活带来重大影响。即使在有军事冲突的地方,伽利略系统也会为冲突区域提供全天时、全天候的导航定位服务。
可兼容
伽利略系统导航信号采用了BOC调制方法,更容易与其他卫星导航系统实现兼容与互操作,这等于直接增加了导航卫星的数量;其
无线电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。
精度高
伽利略系统使用了精度非常高的星载原子钟、
DSP技术及长寿命卫星,地面监控站密布全球,这些有利条件使得伽利略系统的导航信号精度更高,可以为用户提供更为优良的导航定位服务。伽利略系统确定目标位置的误差将控制在1m之内,远远胜于GPS为军事提供的误差10m的性能。GPS为民事用户提供的精度为100m。按照“伽利略计划”的最初设想,系统的定位精度将达到厘米级。
服务多
伽利略系统仅用于民用,并且为地面用户提供3种信号:免费使用的信号;加密且需要交费使用的信号;加密并且需满足更高要求的信号。免费服务信号与GPS民用信号相似;收费信号主要指为民航和涉及生命安全保障的用户服务。
技术新
伽利略系统由于采用了许多较GPS和GLONASS更高的新技术,使得系统更加灵活、全面、可靠。并且可以提供完整、准确、实时的数据信号。伽利略系统的卫星发射信号功率较GPS的大,所以在一些GPS系统不能实现定位的区域,伽利略系统可以很容易克服干扰并进行信号接收,例如高纬度地区、
中亚以及
黑海等地区。
系统应用
应用服务
开放服务
伽利略系统的信号利用E5a、E5b和E2-L1-E1
载波上不加密的测距码和导航数据电文,单频
无线电接收机可接收E2-L1-E1B和E2-L1-E1c的信号以及GPS L1频段C/A码信号。双频接收机还另外可以接收E5a1、E5aQ以及GPS和L5信号,采用附加信号E5b1和E5bQ还可以进一步提高精度。开放服务是免费的。
生命安全服务
伽利略系统的信号利用所有E5和E2-L1-E1载频上的开放服务测距码及
导航电文数据,主要是完好性和空间信号精度数据。完好性数据的使用是有偿服务。
商业服务
伽利略系统的信号利用E2-L1-E1B和E2-L1-E1c信号上的开放服务测距码和导航电文数据及E6B和E6c
载波上的附加保密商业数据电文和测距码,提供增值服务。商业
xSP与伽利略地面控制中心有接口,由商业服务供应商直接向用户提供收费商业服务数据。
公共管理服务
伽利略系统的信号利用E6和E2-L1-E1(或L1)载频上加密PRS测距码和导航数据电文,用E6A、和E2-L1-E1A表示。
搜救服务
伽利略系统的卫星装有搜救转发器,可增强“科斯帕斯-萨尔萨特”的搜救功能,缩短遇险信标位置检测时间和提高信标定位精度,并向用户发送接收遇险电文的确认信息。遇险用户从“科斯帕斯-萨尔萨特”信标发出的遇险电文,由星上搜救转发器接收,下行传送给科斯帕斯-萨尔萨特地面站,再经地面站转发至救助中心,对电文进行进一步处理。
科斯帕斯-萨尔萨特地面站随即向伽利略地面站发出确认电文。接收报警电文的确认信息通过上行链路发送到用户视界内的卫星,再由卫星转发器发回到发出报警的信标。电文包含在伽利略导航信号中,装有伽利略接收机的用户才能接收该信号。科斯帕斯-萨尔萨特根据伽利略搜救服务提供的信号与数据确定遇险信标的位置,信标的定位精度约5km,装备伽利略接收机的先进信标的定位精度优于10m。
导航通信服务
综合利用伽利略系统和
无线电、地面和卫星通信网络,将导航数据与
通信系统进行综合开发是一项重要的商机。在伽利略卫星上装设通信转发器方案的评估,要求卫星体积不能过大。
星基增强服务
EGNOS可向单频GPS和GLONASS
无线电接收机提供完好性与差分校正量数据。数据通过
地球静止卫星向
欧洲地区播发。EGNOS能完成GPS和GLONASS方域差分校正量及完好性数据的测定与发布并与其它星基增强系统,如北美的广域增强系统(WAAS)和
日本的星基增强系统(MSAS)交互作用。
应用效益
经济效益
伽利略系统将提升
欧盟在这一领域的实力,带来巨大经济收益。欧盟的一项研究结果估计,发展“伽利略”卫星定位及导航技术仅在欧洲就可创造约14万个就业岗位,每年创造的经济收益将高达90亿欧元。
社会效益
伽利略系统作为交通管理和测量系统的核心部分,是降低有关成本、产生宏观经济效益的关键。在公路导航系统应用方面,旅行时间、交通堵塞、大气污染和交通事故每减少1%,就会节约2000亿欧元;在民用航空方面,相应的数字约为5亿欧元。
重要意义
伽利略系统极大地促进了欧洲国家的工业发展,拉动就业。
伽利略系统有助于保证欧洲在太空领域技术和政策的独立性,更被视为欧洲独立防务的重要一步。
伽利略系统摆脱了对GPS系统的依赖,打破美国对全球卫星导航产业的垄断。
伽利略系统的精度大大提高,为其在
无人驾驶汽车、农业自动施肥、银行资金交易等诸多领域提供了新的应用可能。
重大事件
原子钟出现故障
2017年1月18日,在伽利略导航卫星搭载的72台
原子钟里,有9台原子钟发生了故障,包括3台钟和6台
氢原子钟,这里面不包括一台氢原子钟在发生故障后,又成功重新启动了的氢原子钟。
服务发生中断
欧洲全球卫星导航系统服务中心2019年7月14日发布公告称,受与地面基础设施相关的技术问题影响,欧洲的全球卫星导航系统伽利略系统的初始导航和计时服务暂时中断。公告指出,伽利略系统的搜索和救援服务并未受影响,仍可以正常运作。在导航等服务“休克”一周后,欧洲
伽利略卫星导航系统当地时间18日终于恢复正常。
系统时间异常
2020年2月14日,
中国科学院国家授时中心系统时间性能监测评估组监测到伽利略卫星导航系统时间发生异常,异常持续时间3小时左右。