[科普中国]-“伽利略”导航系统崩溃近一周，虽抢修成功但前路堪忧

7月12日星期五，国内的天文爱好者们开始注意到一件不寻常的事情：“伽利略”的导航信息停止更新了。伽利略（GALILEO）是欧盟开发的卫星导航系统，与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、中国的北斗（BeiDou）并称全球四大导航系统。伽利略计划一共发射30颗卫星，目前已经成功发射24颗，开始具备全部导航功能。这次崩溃非同小可，24颗卫星从UTC时间7月11日01:00起全部失灵，持续5天时间。导航领域专业媒体Inside GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）称之为“全球卫星导航系统历史上最严重的故障”。经过紧张的全天候抢修，根据国际GMSS监测评估系统（iGMAS）17日发布的最新消息，“伽利略”卫星导航系统终于在UTC时间7月16日19时恢复服务。但是，为什么这次故障会如此严重？伽利略导航系统未来还有希望吗？原子钟：导航系统的“心脏”伽利略官方目前仍然没有公布关于故障的具体信息。据Inside GNSS报道，这次故障与精确计时设施（Precise Timing Facility，简称PTF）有关。精确计时在导航系统中发挥着重要的作用。在使用导航服务的时候，卫星会将携带着发射时间与卫星位置信息的微波发送到我们的电子设备上，设备根据发射与接收之间的时间差，计算出卫星与我们之间的距离，进而确定我们的位置。在这个过程中，仅仅几纳秒的时间误差就会导致数米的定位偏差。为了精确计时，各大导航都使用了原子钟。当原子从高能级向低能级跃迁时，会发出特定频率的辐射（电磁波），只要知道这个辐射的频率，就可以通过测量辐射波的波动次数，精确地计量时间。在伽利略卫星导航系统中，每一颗卫星和地面的控制中心都设有原子钟。卫星上的原子钟主要用于计量信号发射时间，而地面上的原子钟则用于估测卫星目前所在的轨道，以及测量卫星原子钟和地面原子钟的时间差。其他三大导航系统也采用了相似的工作原理。伽利略在地面上的精确计时设施有两处，分别位于意大利和德国，其中一个作为备用系统。过去两年中伽利略发生过两次严重故障，也都和该设施有关。而在最近这次故障中，两个精确计时设施同时失灵，导致天上的24颗卫星全部无法工作。星间链路：让卫星之间无障碍沟通为什么两处故障就会导致整个系统失灵呢？这是因为和其他三大导航系统相比，伽利略的一个关键技术还十分不完善，那就是星间链路。星间链路就像是卫星之间的Wi-Fi，让卫星通过光学载波传输信息。与无线通信使用的射频载波不一样的是，星间链路使用的载波处在红外线波段，有更强的抗电磁干扰能力，并且它只适用于太空环境，在大气层中会快速衰减，使得卫星之间的通讯无法被地面设备探测或干扰。在日常工作中，星间链路技术让卫星能够直接和其他卫星联系，从而减少对地面设备的依赖。美国的GPS导航拥有遍布全球的地面控制点，而俄罗斯的GLONASS和中国的北斗导航，地面控制点主要位于各自的国境之内，那些飞出国境上空的卫星就依靠星间链路技术与系统保持联系。当北斗导航系统全部建成后，即使地面站全部失效，30多颗导航卫星也能通过星间链路相互校准，为地面用户提供准确的定位及导航服务。自主导航：大国必争之器导航不仅能方便人们的生活，更在航天科学和国防中发挥着至关重要的作用。除了伽利略之外，其他三大导航系统都由各国军方管理。美国的GPS、俄罗斯的GLONASS都是从冷战期间开始建造。进入21世纪，欧洲航天局（ESA）也发起伽利略项目，力图摆脱对GPS系统的依赖。伽利略项目最初由欧盟与私人企业和其他非欧盟国家合作建设。中国于2003年9月加入伽利略项目，并计划在接下来几年中投资23.4亿人民币参与项目建设。但是到2006年年中，欧盟与私人企业的合作破裂，从此项目由欧盟全权管理。同年11月，中国退出项目，全力建设北斗导航系统。接下来，北斗导航系统按计划稳步推进，先后建成了北斗一号、北斗二号系统。北斗三号系统正在建设中，2012年起开始向亚太地区提供服务，目前已从区域服务迈向全球覆盖，预计2020年完成全球组网建设。相比之下，伽利略导航系统的建设可以说有些坎坷。伽利略原计划也在明年完全建成，此前它已经历了两次重大故障、预算超支和英国脱欧退出项目，近期刚刚开始提供全球服务。在这个时候再发生这样的重大故障，无疑会大大打击人们对它的信心。正如在InsideGNSS的报道中，有受访者评论：“伽利略还有希望，但它需要作出一些重大改变。”作者 | 刘勤 戚译引审校 | 常建松 北京控制工程研究所 高级工程师责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国