“伽利略”系统

“伽利略”全球卫星导航系统介绍

轨鉴定阶段

“伽利略”计划又划分为论证、研制与在轨鉴定和全面部署与运行三个阶段。论证阶段于2003年完成，形成了系统的基本技术指标。研制与在轨鉴定阶段于2003年底启动，目标是利用由4颗卫星组成的简化星座和一系列相关地面站来实现对系统的在轨鉴定。4颗星是保证能在试验位置得到确切定位和授时信息的最低卫星数。该阶段之初还要发射上述的两颗试验卫星。随后，整个计划将迈入部署阶段，包括建成整个地面基础设施网络和发射星座中剩余的26颗卫星。

“伽利略”星座中的每颗卫星都将广播精确的时间信号、星历和其它数据。优化后形成的额定星座技术指标为：1）圆形轨道（卫星高度23222公里）；2）轨道倾角56度；3）三个间隔均匀的轨道面；4）每个轨道面上均布9颗工作星；5）每个轨道面设一颗备份星（也发射信号）。卫星重700公斤，功率1.6千瓦。卫星绕指向地球的轴线旋转，以使太阳阵总能面向太阳，从而最大限度地获取太阳能。卫星底面上的天线总是指向地球。卫星平台尺寸为2.7米×1.1米×1.2米，太阳翼翼展为13米。

卫星的组成情况为：1）L波段天线，用于在1.2～1.6吉赫的频率范围内发射导航信号。2）搜救天线，可从地球上的信标机处获取遇险信号，尔后发送给地面站，供其转发给当地救援部门。3）C波段天线，用于从各“伽利略”上行站接收包含任务数据的信号。这些数据包括用于使星钟与地基基准时钟同步的数据以及含有每颗卫星工作状况信息的完好性数据。完好性信息被纳入导航信号中，向用户发送。4）作为遥测、跟踪与指令分系统一部分的两部S波段天线。它们向地面控制部门发送有关有效载荷和星体的星务管理数据，并接收卫星控制和有效载荷操作指令。两部S波段天线还接收、处理和发送能以几米的精度测定卫星高度的测距信号。5）红外地球敏感器和精太阳敏感器（FSS），均用于帮助卫星保持对地定向。红外地球敏感器通过探测深空与地球大气的冷热反差来工作，精太阳敏感器是可见光探测器，可测量其安装基座与入射阳光间的夹角。6）激光后向反射器，用于反射由地面站发射的激光束，从而以几厘米的精度测定卫星高度。激光后向反射器每年大概只需使用一次，原因是利用S波段天线测距信号得到的测高精度已足够高。7）空间散热器，是能把星体内设备产生的废热散发到深空中的热交换器，可使各装置保持在其工作温度范围之内。

星体内有效载荷的组成情况是：1）一台无源脉泽钟，用作星上的主钟。它是一种原子钟，利用氢原子内的超稳1.4吉赫转变过程来测定时间，12小时误差小于0.45纳秒。2）一台铷钟，供主钟失效时使用，12小时误差小于1.8纳秒。卫星实际上有4台时钟，每种两台，但在任何时间上每种都只有一台在工作。正常情况下，工作中的主钟会生成用以产生导航信号的基准频率。若主钟失效，工作中的铷钟会立即接替它，另两台备份钟也将启动。如失效主钟所存在的问题只是出于自身原因，那么另一台主钟将在其已全面运行之时于几天后接替那台铷钟。该铷钟随后将保持待机状态或重新作为备份。采取这种方式，因为有4台星钟，“伽利略”卫星将确保能不间断地生成导航信号。3）星钟监控装置，提供4台时钟与导航信号发生器之间的接口。它把信号从工作主钟传送到导航信号发生器，并保证主钟和热备份钟所产生的频率是同步的，从而使该备份钟能在主钟失效时立即接替它。4）导航信号发生器、频率发生器和上变频器，可利用来自星钟监测装置的输入信息及来自C波段天线的上行导航与完好性数据生成导航信号。这些导航信号被转换到L波段，以便向用户广播。5）远置终端单元，是各有效载荷单元与星上计算机

之间的接口。

星体内服务舱的组成情况是：1）太阳阵驱动机构，用于太阳阵与星体的连接，并用于缓慢转动太阳阵，以使阵面能随时保持与阳光垂直。2）陀螺仪，用于测量卫星的转动。3）反作用轮，用于控制卫星的转动。反作用轮转动时，星体也会随之旋转。星体每运行一圈要转动两周，以使太阳阵能始终面向阳光。4）磁力棒，可通过在反方向上施加一个力矩（转动力）来调整反作用轮的转速。5）功率调节与分配单元，用于调控来自太阳阵和蓄电池的电力，并把电力分配给卫星各分系统和有效载荷。6）星上计算机，用于对卫星和有效载荷的工作进行全方位的控制。

全面部署与运行阶段

在轨鉴定阶段后的全面部署阶段涵盖26颗卫星的制造和发射以及整个地面段的建设。全部卫星均部署到位后，由27颗工作星和3颗备份星组成的完整星座将开始运行。星座的运行需要有由地面站和局域及区域服务中心构成的庞大网络的支持。

由欧盟委员会和欧空局联合组建的伽利略联合执行体（GJU）正在选择特许经营公司（将称为“伽利略经营公司”），由其负责最终的部署和运行工作。

“伽利略”系统由全球设施、区域设施和局域设施构成。全球设施是系统的核心，包括卫星和所需的地面段。区域设施将包括多个外部区域完好性系统（ERIS），分别由欧洲以外的各机构、国家或国家群组建设和运行，以取得独立于“伽利略”系统的完好性服务，满足与系统保障相关的法律规定的要求。局域设施可在当地对“伽利略”的性能进行增强。这些设施可在无法接收卫星信号的地方提高导航信号传送性能。增值服务商将会部署局域设施。

全球设施中的每颗卫星将广播导航授时信号和导航数据信号。导航数据信号不仅含有导航所必需的时钟和星历修正数据，也包含用以提供全球天基增强服务的完好性信号。为空间段提供支持的“伽利略”系统地面段包括两座控制中心和一个全球收发站网络。

空间段的30颗卫星形成所谓的沃克（Walker）27/3/1星座，分布于额定倾角为56度的三个轨道面上。每个轨道面均匀布设9颗工作星，间隔40度，另设1颗备份星，用以替代失效的工作星。23222公里的轨道高度带来的星座重复周期为10天，其间每颗卫星要飞行17圈。

卫星轨道高度的选择考虑到了避免引力谐振的问题。这样一来，经初步轨道优化后，卫星在其寿命期内就无需再进行位置保持机动。轨道高度还要保证卫星有高度的可见性。由于要保持星座的均匀性，对各颗卫星的位置也要有所限制。每颗卫星相对于同轨道面内相邻卫星的位置均要保持在±2度以内，偏离该轨道面不能超过2度。同轨道面位置精度要求相当于相对距离容许误差可超过1000公里，但仍需对卫星速度进行很精细的调整，以保证所有卫星的轨道周期都能保持严格一致。垂直于轨迹方向的容许误差意味着每颗卫星在发射时都允许有倾角和升交点赤经上的偏差，只要自然漂移处于容差之内、无需耗费大量燃料来改变轨道面即可。

各轨道面上不在使用之中的备份星将保证在有卫星失效的情况下星座能迅速得到修复，办法是由该备份星接替失效的卫星。卫星的替换仅需几天时间，无需安排新发射卫星。新发射卫星有可能要耗费数个月的时间。另外，“伽利略”卫星可采用多种火箭进行一箭双星或多星发射。

“伽利略”系统地面段的核心是两座控制中心。每座控制中心将在一专用地面控制段（GCS）