北斗迈出第三步

<p>　　伽利略卫星导航系统的发展历程</p><p>　　伽利略系统是欧洲独立发展的全球导航卫星系统，提供高精度、高可靠性的定位服务。伽利略系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。</p><p>　　伽利略系统的发展最早可追溯到1998年11月，欧洲投资1亿欧元开展了伽利略系统方案论证工作。论证工作分三个阶段进行，即比较研究阶段1、阶段2和最终方案确定。论证中充分反映了潜在用户、业务提供商和设备供应商各自的导航要求，2000年底方案论证结束。</p><p>　　2002年3月，欧盟正式批准伽利略计划。计划投资34亿欧元，以公私伙伴关系的方式发展“全民用的”伽利略系统。</p><p>　　2005年12月，首颗伽利略试验卫星GIOVE-A成功发射，开展试验验证与空间环境探测工作。</p><p>　　2007年，伽利略系统特许经营权谈判破裂，公私伙伴关系的投、融资方式与管理模式终结，对伽利略系统的后续发展产生重大影响。</p><p>　　2008年4月，欧盟决定全部以公共资金支持伽利略计划的发展。</p><p>　　2008年4月，第二颗伽利略系统试验卫星GIOVE-B发射，开展有效载荷试验验证与空间环境探测工作。</p><p>　　2008年7月，欧盟正式启动伽利略采购计划。</p><p>　　2011年1月，欧盟发布伽利略与EGNOS系统中期评估报告，报告称完成伽利略系统部署资金缺口达19亿欧元，伽利略系统发展总投资约54亿欧元；且伽利略与EGNOS系统的运行费用约为每年8亿欧元。</p><p>　　2011年8月，计划发射前2颗在轨组网验证卫星；3个月后，发射另外2颗，最终完成在轨组网验证。</p><p>　　2015年左右，伽利略系统具备初始运行能力。</p><p>　　2018年左右，完成伽利略系统部署，系统具备全面运行能力。</p><p>　　1.2 伽利略卫星导航系统的体系构成</p><p>　　伽利略系统是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务。伽利略系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。伽利略卫星及星座如下图34所示，</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro1.jpg" border="0"></center><p>　　伽利略系统由空间段、地面控制段和用户段三部分组成，其核心部分是由30颗卫星组成的空间段。伽利略系统空间段采用MEO轨道，3个轨道面，轨道面间夹角120°，轨道高度23,600km，轨道倾角56°，轨道周期14h 4min，地面轨迹重复周期10天，30颗卫星等间隔地分布在三个等间隔分布的轨道面上。</p><p>　　伽利略系统地面控制段由2个控制中心、9个上行链路站、5个遥测跟踪与控制站、30~40个敏感器站，以及伽利略全球通信网络组成。伽利略系统地面控制段全球分布，在轨组网验证阶段地面控制如图35。</p><p>　　2个控制中心是伽利略系统地面控制段的核心，分别位于德国和意大利。控制中心的主要功能是：控制卫星星座，保证星上原子钟的同步，完好性信号处理，监控卫星及其卫星提供的服务，同时还进行内部与外部信息的处理。控制中心由轨道同步与处理设施(OSPF)、精确授时设施(PTF)、完好性处理设施(IPF)、任务控制设施(MCF)、卫星控制设施(SCF)和服务与产品设施(SPF)组成。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro2.jpg" border="0"></center><p>　　GIOVE-A和GIOVE-B卫星（有效载荷和能力的分析）</p><p>　　GSTB-V2是伽利略系统试验平台的第2阶段，也称为在轨验证阶段，将发射4颗伽利略试验验证卫星。该阶段的主要任务是：发射GIOVE-A、GIOVE-B两颗伽利略试验卫星，以国际电信联盟批准的频率发射伽利略导航信号、利用伽利略导航信号和小型接收机网络验证伽利略系统轨道性能和时钟特性、研究伽利略星座轨道的环境特性等。2003年7月11日，欧空局与英国萨瑞空间技术公司和伽利略集团签署了前两颗伽利略试验卫星的研制合同，2005年11月欧空局将这两颗卫星分别命名为GIOVE(伽利略 In-Orbit Validation Element) A和GIOVE B。</p><p>　　GIOVE-A卫星</p><p>　　英国萨瑞空间技术公司研制的伽利略试验卫星，又称为GSTB-V2/A，该卫星合同金额为2790万欧元，卫星于2005年7月由萨瑞公司交付给欧空局，并由欧洲空间技术中心完成卫星的测试工作，计划于2005年12月发射。GIOVE-A卫星如图36。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro3.jpg" border="0"></center><p>　　GSTB-V2/A卫星的主要任务如下：</p><p>　　在国际电信联盟规定的最后期限前，以伽利略系统申请的频率发射伽利略导航信号，保证伽利略系统已经获得的导航频率资源不会得而复失；</p><p>　　测量MEO轨道环境的辐射特性；</p><p>　　为确认和验证伽利略有效载荷关键技术提供平台，如欧洲研制的铷钟等；</p><p>　　为试验和验证的需要，提供伽利略基准空间信号，完成信号定义工作。</p><p>　　GIOVE-A采用英国萨瑞公司的MEMINI小卫星平台，该平台采用模块化设计方法，从LEO平台继承了部分模块化子系统，降低了卫星研制成本，缩短了研制周期。由于是试验验证卫星，该卫星的设计寿命小于3年。</p><p>　　GIOVE-A卫星尺寸1.3m×1.8m×1.65m，发射质量600kg，采用三轴稳定，有效载荷功率700W，设计寿命2年。结构为边长1m的立方体，其两侧为折叠状态的电池板（见图37），进入轨道后电池板展开。</p><p>　　电源子系统：GSTB-V2/A卫星的电源子系统采用模块化、可升级设计，能够为有效载荷提供1~1.25kW的动力，供电电压为50V和28V两种。电池为AEA技术的锂离子电池，太阳电池采用Dutch航天公司的产品。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro4.jpg" border="0"></center><p>　　有效载荷：最初GSTB-V2/A卫星只有一项任务，即在与伽利略系统相近的轨道以申请的频率发射伽利略导航信号，为此萨瑞公司开发了专用的、简化有效载荷，以避免任务的拖延。有效载荷包括2台铷原子钟、信号发生器、星上转换器、放大器和天线。后来，卫星的任务扩展为包括欧空局开发的、用于伽利略卫星的有效载荷子系统的验证，萨瑞公司研制的有效载荷作为备份，如果欧空局有效载荷的研制按计划实现，萨瑞公司研制的有效载荷将不用于空间飞行。但萨瑞公司研制的信号发生器将作为欧空局提供的CFI信号发生器和星上转换器的备份进行空间飞行。</p><p>　　GIOVE-A卫星携带的环境有效载荷由萨瑞空间中心和萨瑞空间技术实验室制造的CEDEX(Cosmic-Ray Energy Deposition Experiment)，即宇宙射线能量累积试验装置和QinetiQ公司提供的墨林(Merlin)装置。它们共同提供带电粒子监视、质子流测量和电离状态评估。其目的是在第1颗伽利略卫星发射前，提供有价值的MEO轨道空间环境信息。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro5.jpg" border="0"></center><p>　　GIOVE-A卫星的有效载荷还包括一部GPS接收机和后向激光反射器为卫星提供精确的轨道与位置定位能力。激光后向反射器阵列由为GPS和GLONASS卫星提供该反射器的俄罗斯供应商提供，该阵列的尺寸大约是GPS的2倍。目前，欧空局已经完成了该卫星的全面测试，按计划将于2005年12月利用俄罗斯的联盟号运载火箭发射升空。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro6.jpg" border="0"><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro7.jpg" border="0"></p></center><p>　　GIOVE-A卫星的控制由英国萨瑞公司负责，萨瑞公司的任务控制中心、部署在英国的地面站，以及设在印度和马来西亚的上行站协同工作，2006年1月9日完成了卫星太阳电池帆板的展开、卫星对太阳的捕获，以及卫星平台各分系统功能的测试。2006年1月10日完成了卫星有效载荷各单元的测试，2006年1月12日卫星首次成功地在太空发送了伽利略导航信号。到目前为止，已经按顺序完成了伽利略各种信号模式和信号结构的试验与验证工作。试验结果表明，伽利略系统导航信号非常清晰、明亮。</p><p>　　2009年，GIOVE-A卫星完成全部试验任务后，移到墓地轨道。</p><p>　　GIOVE-B卫星</p><p>　　GIOVE-B是继英国萨瑞公司建造的GIOVE-A卫星之后的第2颗伽利略试验卫星。卫星主承包商为ASTRIUM GmbH公司(德国)，Thales Alenia Space公司(意大利)负责卫星的总装与测试，有效载荷由ATSTRIUM UK公司(英国)提供，采用Thales Alenia Space公司(法国)的海神(Proteus)卫星平台，设计寿命2年，2008年4月26日发射。GIOVE-B卫星见图40，GIOVE-B卫星结构见图41。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro8.jpg" border="0"></center><p>　　GIOVE-B卫星为三轴稳定卫星，卫星质量530kg，尺寸0.95×0.95×2.4m(收缩状态)，两部展开后长4.34m的太阳电池提供1100W的功率，星上推进系统采用肼单组元推进剂，星上推进剂质量28kg。GIOVE-B可以同时在伽利略3个信号频段中的2个信号频段播发导航信号，并对导航信号发生器已经进行了改进，使其能够按欧盟与美国于2007年7月签署的协议播发MBOC(复合二元偏置载波)信号。星上安装1部氢钟和2部铷钟，氢钟的精度为每天1ns。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro9.jpg" border="0"></center><p>　　GIOVE-B卫星的有效载荷还包括用于探测中地球轨道辐射环境的标准辐射环境探测器(SREM)和由俄罗斯研制的激光反射器。</p><p>　　GIOVE-B卫星采用海神平台。该平台原为低地球轨道小卫星平台(如图42)，平台主要技术参数见表14，平台姿态与轨道控制系统框见图43。</p><p>　　卫星的姿态控制系统包括4个反作用飞轮，2部磁力矩器和8个推力器，2部地球敏感器，2部陀螺，卫星TT&C系统的上行速度为2kbps，下行速率32kbps。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro10.jpg" border="0"></center><p>　　GIOVE-B卫星的主要任务是：播发伽利略导航信号；测试关键技术，如被动氢钟、铷钟、信号发生器等；轨道空间环境探测。</p><p>　　2008年7月7日，ASTRIUM GmbH公司在欧洲空间技术研究中心公布了GIOVE-B的试验结果。在为期2个月在轨验证试验活动中，GIOVE-B卫星表现出色，满足设计要求。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro11.jpg" border="0"><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro12.jpg" border="0"></p></center><p>　　2008年4月27日，伽利略成功发射第二颗在轨验证卫星GIOVE-B，GIOVE-B导航卫星在轨展开图及其导航阵面天线如图21所示。GIOVE-B卫星除了进行技术验证外，将接管GIOVE-A任务，确保伽利略频率。GIOVE-B卫星的成功发射，标志着伽利略计划验证阶段将要结束。GIOVE-B集成了伽利略卫星的全部关键技术和有效载荷，是伽利略全球导航卫星系统的关键。GIOVE-B还载有一个辐射监视有效载荷，能表征伽利略星座运行高度上的太空环境，还装有一个激光反射器，用于高精度激光测距。</p><p>　　GIOVE-B有效载荷</p><p>　　GIOVE-B卫星主要有效载荷包括有效载荷主要包括时钟监测与控制单元、导航信号发生器、固态功率放大器以及卫星星钟。</p><p>　　（1）时钟监测与控制单元时钟监测与控制单元是伽利略导航有效载荷的一部分，它是原子钟与任务单元间的重要环节。其功能是：产生10.23MHz的基准频率；对铷原子钟与被动氢钟进行相位比较，是时钟系统与星上数据处理系统间的界面。主要参数：</p><p>　　体积：  4.0l；</p><p>　　输出功率：3.0dBm；</p><p>　　输出端口数量： 4；</p><p>　　输出频率：10.23MHz；</p><p>　　伪载波增益：  （2） 导航信号发生器</p><p>　　导航信号发生器是伽利略卫星的重要载荷，主要功能是生成导航数据，生成导航测距码，生成E5a、E5b、E6和E2L1E1导航频段的全部导航信号，全部数字信号的格式化和调制，数据、速率和码的灵活重构。与GIOVE-A卫星导航信号发生相比，GIOVE-B卫星导航信号发生器增加了MBOC(GPS与伽利略互操作信号)功能。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro13.jpg" border="0"></center><p>　　（3）固态功率放大器</p><p>　　2000年伽利略电子获得了伽利略固态功率放大器的开发合同，设计中采用了先进的器件和经验证的技术，2001年完成了试验样机的开发，2002年完成高、低频段EM单元的开发，并开始了全面验证试验活动。伽利略卫星固态功率放大器主要参数如下：</p><p>　　体积：107×239×62mm；</p><p>　　质量：1300g；</p><p>　　输出功率： 50W；</p><p>　　直流功率： 125W。</p><p>　　（4）卫星星钟</p><p>　　伽利略铷钟的发展可追溯到上世纪90年代初，在欧空局的技术演示计划下开始了铷钟的发展，1996年签署了第1个适合于导航应用的铷钟开发合同；2000年上半年交付了第1部EQM铷钟，2002年开始进行铷钟的寿命试验，并交付了用于辐射试验的铷钟；2003年底交付了经改进的EQM铷钟，2004年交付了用于伽利略试验卫星的PFM铷钟。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro14.jpg" border="0"><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro15.jpg" border="0"></p></center><p>　　伽利略卫星氢钟的发展开始于上世纪90年代初欧空局的技术演示计划，1998年签署了第1个适用于导航应用的主动氢钟开发合同，2000年上半年，调整了氢钟的开发方向，改为开发被动氢钟，2001年初签署了氢钟寿命验证试验和工业化生产研究合同，2003年一季度完成了氢钟的EM试验，2004年一季度交付了第一部EQM氢钟，2004年底交付了第一部PFM氢钟。伽利略氢钟主要参数：</p><p>　　输出频率：10.0028MHz</p><p>　　频率漂移/天：≤1×10-14</p><p>　　长期稳定性： 3×10-12/y</p><p>　　-5℃至10℃温度敏感度：  电压敏感度：≤±3×10-15/V</p><p>　　磁敏感度：  4x10-14 / Oersted</p><p>　　重量：     18kg</p><p>　　工作电压：50V±1V</p><p>　　功耗：    ≤70W</p><p>　　几何尺寸：210mm×500mm×250mm</p><p>　　设计寿命：大于12年</p><p>　　GIOVE-B卫星携带3部原子钟，其中氢钟1部，铷钟2部。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro16.jpg" border="0"><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro17.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro18.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro19.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro20.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro21.jpg" border="0"></p></center><p>　　1.42011年8月将发射4颗在轨验证（IOV）卫星（有效载荷和能力的分析）伽利略系统在轨组网验证系统由4颗在轨组网验证卫星、1个主控站、5个上行与跟踪站和18~20个伽利略敏感器站组成，进行伽利略性能的最终验证。伽利略系统在轨组网验证见图48。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro22.jpg" border="0"></center><p>　　伽利略在轨组网验证卫星(GALILEO-IOV)具有与伽利略工作星相同的有效载荷，播发伽利略系统定义的全部导航信号，提供伽利略全部导航定位服务与搜索救援服务。其任务为：</p><p>　　在系统全面部署前，验证空间段、地面控制段和用户段的组成，包括接口。</p><p>　　在系统全面部署前，分析系统性能，并进行优化。</p><p>　　确认合理的需求。</p><p>　　确认运行操作程序。</p><p>　　降低系统部署风险。</p><p>　　伽利略在轨组网验证卫星由EADS Arstrium公司研制，4颗卫星分布在2个轨道面。卫星采用经改进的PROTEUS小卫星平台，卫星重700kg，功率1600W，卫星尺寸：收缩状态3.02 m×1.58 m×1.59m，太阳电池展开后：2.74 m×14.5 m×1.59m。导航有效载荷重115kg，功率780W，搜索与救援载荷重20kg，功率100W。</p><center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro23.jpg" border="0"><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro24.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro25.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro26.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro27.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro28.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro29.jpg" border="0"></p><p align="center"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/euro30.jpg" border="0"></p></center><p>　　GALILEO-IOV卫星有效载荷与工作星相同，并在GIOVE-A与GIOVE-B卫星进行了在轨试验与验证。</p><center></center><br />