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“伽利略”的加入 全球卫星导航系统进入“战国时代”

发布日期:2019-11-16 21:28   来源:未知   阅读:

  如今人们出行都离不开GPS,开车需要GPS导航,坐公交地铁也需要GPS来找车找路,GPS这个词俨然已经成为导航服务的代名词。然而实际上,GPS只是由美国提供的全球卫星定位系统,它从最开始的军事用途现在广泛下放到民用层面并获得了巨大的成功,但它并不是世界上唯一的导航系统。

  出于国家安全、军事以及商业的多种目的,世界上的强国都希望在卫星定位系统这一重要方面赶超美国。目前正在运行的全球卫星定位系统除了美国的GPS外就还有俄罗斯的GLONASS系统和我国的北斗系统。2016年12月15日,就在西方传统圣诞节的前一周,欧洲空间局(ESA)宣布伽利略卫星导航系统正式开展初始服务。与此同时,印度、日本自己的定位系统也一直按部就班地稳步推进。

  伽利略卫星导航系统前后经历了17年的准备,如今,它终于成为全球卫星导航系统家族的新成员,一经问世就引起了广泛关注。它到底有哪些特点?未来将给欧洲乃至世界带来怎样的改变?

  长久以来,欧洲国家一直使用的卫星定位系统是美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。然而,这两种定位系统主要用于军事用途,一旦发生战争或进入特殊状态,美国关闭GPS的民用波段,将使严重依赖GPS进行导航的欧洲国家相关产业陷入混乱。正是从这一安全角度出发,德国、法国、意大利三国从1999年起便开始提出建设民用卫星导航系统的设想,并以意大利天文学家伽利略的名字命名。2003年,欧盟与欧洲空间局正式批准建设伽利略卫星导航系统。

  伽利略卫星导航系统(Galileo)目前的初步服务由18颗距离地球23222公里的静地卫星组成。到2020年整个系统最终建成时,卫星总数将达到30颗,其中运行卫星24颗,6颗备用卫星,每颗卫星的设计寿命不少于12年。

  按照欧洲人的设计思路,“伽利略”要比目前市面上所有的导航系统高上不止一个档次:首先是“精度高”。GPS对地面目标的定位误差大约10米,而“伽利略”免费公共服务的误差为1米左右,加密的收费服务误差值可达30厘米。如此高的精确值与“伽利略”的欧洲地球同步卫星导航增强系统(EGNOS)以及每颗卫星上装载的原子钟密不可分。用法国航天局局长乐加尔的话形容:“GPS只能定位火车在哪个区域行驶,‘伽利略’则能定位火车在哪条铁轨上行驶。”其次是“强度大”。使用“伽利略”导航系统,用户即使在隧道里或高楼群中也能正常收到信号。再次是“覆盖广”。由于“伽利略”卫星与地球呈56度斜角,因此对地球两极的定位准确率与其他导航系统相比具有独特优势。这些优势足够令欧洲人自豪。同时,用欧洲空间局的说法,“伽利略”捍卫了欧洲人自己的“独立和主权”。

  在普通民众眼里,卫星导航与生活关系最为紧密的联系就是汽车导航与手机地图。根据“伽利略”的推广计划,从2018年4月起,所有在欧洲销售的汽车将安装“伽利略”卫星导航系统。目前,一款专为“伽利略”量身开发的西班牙BQ品牌手机与华为Mate9已使用“伽利略”卫星导航系统的芯片,未来还会有更多电子产品使用“伽利略”的导航服务。

  图为位于布拉格老城与新城交界处的欧洲伽利略卫星导航系统总部。该总部于2011年从布鲁塞尔迁至捷克布拉格,每年为捷克政府创收700万欧元,并带动就业、科研、经济合作等一系列相关收益。光明日报记者任鹏摄

  除了常见的导航功能,“伽利略”其实还有很多令人惊叹的民用技术。据伽利略卫星导航系统市场开发部副主任迪亚妮女士介绍,伽利略系统是中轨卫星搜救系统(MEOSAR system)的一部分。当遇到人在海上或荒野迷失时,“伽利略”将会把定位时间从至少3小时降低至10分钟,而定位范围也可从10米降低至5米以内,未来将大大提升实施搜救的效率。据了解,伽利略系统的卫星安装有转发器,可以把求救信号从事故地点发送到救援协调中心。同时,该系统还会发射一个返回信号到事故地点处,通知求救人员他们的信号已被收到,相应的救援也正在展开。现有的全球卫星搜救系统(Cospas-Sarsat system)是不具备回馈信号功能的,因此伽利略系统这个发消息功能被认为是对现有搜救系统的一个重要升级。

  此外,“伽利略”除了为欧洲的农业、环境、气象等一系列发展提供良好的服务外,由于有了更加精确的导航能力,还会使无人驾驶汽车的发展速度加快。

  其实,“伽利略”走到今天这一步着实不易。这一计划原本采用政府与社会资本合营(PPP)的形式,但是此模式以商业运营为目标,涉及多国及多个企业集团的经济利益,因此始终无法有效协调。后来,随着公私合营体制的解散,计划改由欧盟接盘注资,但就在这一期间还多次因为资金问题而导致项目停摆。据目前估算,整个“伽利略”计划所投入的资金由起初的10亿欧元飙升至100亿欧元。好在,有关机构对“伽利略”未来的盈利前景十分乐观,称运行最初的20年内将会有900亿欧元进账。

  此外,除了资金,来自美国的压力也是“伽利略”进展缓慢的主要原因。由于“伽利略”的设计精度远远高于GPS,美国担心所谓敌人会使用“伽利略”来对付美国。美国甚至暗中威胁,如果敌人在冲突中使用装备了伽利略系统的武器攻击美军,美国也许会考虑击落伽利略卫星。尽管起初欧盟强调其技术中立,但最后还是不得不妥协而改用了不影响GPS的频率,这使得对一个系统的屏蔽不会影响到另一个系统,同时使美国在冲突中尤其是电子战能力上拥有巨大的优势。

  目前,“伽利略”的命运仍然与GPS紧紧连在一起。由于伽利略卫星导航系统暂时只有18颗卫星,因此一开始它的信号会是间断性的,需要来自美国GPS系统的推动才能发送。但是,与GPS捆绑的好处也是显而易见的,用户使用兼容GPS与“伽利略”系统的多制式的接收机,可获得更多的导航定位卫星的信号,这就在无形中极大地提高了导航定位的精度。

  2017年1月18日,就在“伽利略”宣布初期服务上线一个月后,欧洲空间局总干事沃尔纳在巴黎的新闻发布会上坦承,目前18颗卫星中的72台原子钟中,有9台原子钟停止工作,其中有3台铷原子钟和6台氢原子钟。原子钟是“伽利略”卫星的核心原件,300万年只有1秒的误差,因而保证了“伽利略”系统导航的高精度。每颗“伽利略”卫星承载了2台铷原子钟和2台氢原子钟。这9台原子钟分别来自9颗卫星,因此尚未发现原子钟停止工作后影响卫星运行,但后续影响仍应给予足够的重视。

  沃尔纳表示,目前正在研究原子钟停止工作的原因。对于即将在今年4月和6月分两批发射的四颗卫星,是按时发射还是等了解故障原因后再发射存在争议。欧洲空间局对于解决原子钟的问题很有信心,并希望在今年年底前发射下面的四颗卫星。刚刚起锚的“伽利略”号一出港便遭遇风浪,未来能否承载欧洲人的希望顺利远行,值得关注。

  早在2003年“伽利略”刚启动之时,欧洲人就向中国伸出了橄榄枝。一方面是希望中国能够投入资金,另一方面,时任德国总理施罗德与法国总理希拉克对美国在中东的单边做法不满,有意与中国拉近距离。当时,中国也希望通过加盟“伽利略”计划,摆脱对美国GPS导航系统的依赖。

  然而随着德法政权更替,欧洲再次亲近美国,并在美国的压力之下,以违反国际武器贸易条例(ITAR)为由,拒绝将中国列为“伽利略”核心国。这意味着,中国尽了责任和义务,却没得到相应的权利。自此,中国开始全力自主开发“北斗二号”全球卫星定位系统,并在很短的时间内取得突破,在“伽利略”之前投入使用。按照“谁先使用谁先得”的国际法原则,中国的“北斗二号”卫星占据有利频率后,“伽利略”要想使用同样频率必须征得中国的同意,这使得欧洲人先前的“优越感”荡然无存。

  虽然经历了这段不愉快的插曲,中国仍然以大局出发,重视和欧盟的双边合作。2015年,中欧双方在捷克布拉格举行了北斗与伽利略卫星导航系统第四次频率磋商会谈。欧盟代表团接受了中方提出的频率共用理念,同意在国际电信联盟框架下完成卫星导航频率协调。这标志着中欧卫星导航系统结束了长达八年之久的频率协调工作。2016年10月,中国科技部与欧盟委员会、欧洲空间局在北京召开了中欧空间科技合作对话第四次会议并取得圆满成功。会上,北斗与伽利略系统代表均表达了积极合作的意愿并拟定后续会谈时间表。此外,中欧双方在研发伽利略合作大众市场接收机(GMR)项目方面进展顺利,有利于伽利略系统在中国的市场应用。

  “合则两利,斗则两伤”。中欧在全球卫星导航的合作中仍将继续。但是,在当初被“伽利略”排挤后,中国下定决心并成功研发了“北斗二号”系统,牢牢把握住了战略机遇期。这仿佛应了那句俗话:“感谢曾经伤害过我的人,是你们让我变得更强大。”

  全球卫星导航系统(GNSS)是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统,它允许小巧的电子接收器通过接受卫星信号来确定它所在的精确位置(经度、纬度和高度)。GNSS的应用不仅覆盖了公路、铁路、航空、航海等交通方面,还对整个人类的经济和工业层面有着深刻的影响。如今,GNSS的运用已经渗透到全球的各个方面,市场上相关服务和设备的年增长率为25%左右。预计到2020年,全球的GNSS接收设备将达到30亿个,卫星导航将出现在生活中的方方面面,不仅是手机和汽车之中,而且会覆盖到能源配给、时间与银行服务乃至更多领域。

  目前,只有美国的全球定位系统(GPS,共由24颗卫星组成)及俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)是完全覆盖全球的定位系统。中国的北斗卫星导航系统(BDS)则于2012年12月开始服务于亚太区(共由16颗卫星组成),预计于约2020年覆盖全球。欧洲联盟的伽利略定位系统则为在初期部署阶段,刚刚投入使用的全球导航卫星系统,预定最早到2020年才能够充分的运作。一些国家,包括日本和印度,都在发展区域导航系统。

  每个覆盖全球的系统通常都是由20至30颗卫星组成的卫星集团,以中地球轨道分布在几个轨道平面上。实际的系统各自不同,但是使用的轨道倾斜都大于50°,轨道周期大约都是12小时(高度大约20000千米)。(任鹏)

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