伽利略衛星導航系統

伽利略衛星導航系統

伽利略定位系統(Galileo Positioning System),是歐盟一個正在建造中的衛星定位系統,有“歐洲版GPS”之稱,也是繼美國現有的“全球定位系統”(GPS)及俄羅斯的GLONASS系統外,第三個可供民用的定位系統。伽利略系統的基本服務有導航、定位、授時;特殊服務有搜尋與救援;擴展套用服務系統有在飛機導航和著陸系統中的套用、鐵路安全運行調度、海上運輸系統、陸地車隊運輸調度、精準農業。2010年1月7日,歐盟委員會稱,歐盟的伽利略定位系統將從2014年起投入運營。

  • 中文名稱
    伽利略衛星導航系統
  • 衛星壽命
    12年以上
  • 離地面高度
    23,222公裏 (MEO)
  • 衛星數量
    30顆
  • 衛星重量
    每顆675公斤
  • 衛星長寬高
    2.7m x 1.2m x 1.1m

發展歷史

歐盟于1999年首次公布伽利略衛星導航系統計畫,其目的是擺脫歐洲對美國全球定位系統的依賴,打破其壟斷。該項目總共將發射32顆衛星,總投入達34億歐元。因各成員國存在分歧,計畫已幾經延後。

1999年歐洲委員會的報告對伽利略系統提出了兩種星座選擇方案:一是21+6方案,採用21顆中高軌道衛星加6顆地球同步軌道衛星。這種方案能基本滿足歐洲的需求,但還要與美國的GPS系統和在地的差分增強系統相結合。二是36+9方案,採用36顆中高軌道衛星和9顆地球同步軌道衛星或隻採用36顆中高軌道衛星。這一方案可在不依賴GPS系統的條件下滿足歐洲的全部需求。該系統的地面部分將由正在實的歐洲監控系統、軌道測控系統、時間同步系統和系統管理中心組成。為了降低全系統的投資,上述兩個方案都沒有被採用,其最終方案是:系統由軌道高度為23616km的30顆衛星組成,其中27顆工作星,3顆備份星。每次發射將會把5或6顆衛星同時送入軌道。

新華網巴黎10月21日電(記者舒適)法國巴黎時間21日12時30分(台北時間18時30分),俄羅斯"聯盟"運載火箭攜帶歐洲伽利略全球衛星導航系統首批兩顆衛星,從法屬蓋亞那庫魯航天發射中心發射升空。

伽利略系統是由歐盟主導的新一代民用全球衛星導航系統,耗資超過30億歐元。系統由兩個地面控製中心和30顆衛星組成,其中27顆為工作衛星,3顆為備用衛星。衛星軌道高度約2.4萬公裏,位于3個傾角為56度的軌道平面內。

此次發射成功後,歐洲航天局計畫明年再發射兩顆衛星,並在隨後幾年內陸續發射其他26顆衛星,以完成衛星導航系統的構建。歐洲阿麗亞娜公司將負責所有衛星的發射。

目前全世界使用的導航定位系統主要是美國的GPS系統,歐洲人認為這並不安全。為了建立歐洲自己控製的民用全球衛星導航系統,歐洲人決定實施伽利略計畫。伽利略系統的構建計畫最早在1999年歐盟委員會的一份報告中提出,經過多方論證後,于2002年3月正式啓動。系統建成的最初目標是2008年,但由于技術等問題,延長到了2011年。2010年初,歐盟委員會再次宣布,伽利略系統將延後到2014年投入運營。

與美國的GPS系統相比,伽利略系統更先進,也更可靠。美國GPS向別國提供的衛星信號,隻能發現地面大約10米長的物體,而伽利略的衛星則能發現1米長的目標。一位軍事專家形象地比喻說,GPS系統隻能找到街道,而伽利略則可找到家門。

伽利略計畫對歐盟具有關鍵意義,它不僅能使人們的生活更加方便,還將為歐盟的工業和商業帶來可觀的經濟效益。更重要的是,歐盟將從此擁有自己的全球衛星導航系統,有助于打破美國GPS導航系統的壟斷地位,從而在全球高科技競爭浪潮中獲取有利位置,並為將來建設歐洲獨立防務創造條件。

作為歐盟主導項目,伽利略並沒有排斥外國的參與,中國、韓國、日本、阿根廷澳大利亞、俄羅斯等國也在參與該計畫,並向其提供資金和技術支持。伽利略衛星導航系統建成後,將和美國GPS、俄羅斯"格洛納斯"、中國北鬥衛星導航系統共同構成全球四大衛星導航系統,為使用者提供更加高效和精確的服務。

2015年3月30日,歐洲發射兩顆伽利略導航衛星, 欲抗衡GPS。

體系結構

衛星

·數量: 30顆

·離地面高度: 23,222公裏 (MEO)

·三條軌道,56°傾角 (每條軌道將有九顆衛星運作,最後一顆作後備)

·衛星壽命: 12年以上

·衛星重量: 每顆675公斤

·衛星長寬高: 2.7m x 1.2m x 1.1m

·太陽能集光板闊度: 18.7m

·太陽能集光板功率: 1500W

全球設施

空間段由分布在三個軌道上的30顆中等高度軌道衛星(MEO)構成,

全球設施部分由空間段和地面段組成。空間段的30顆衛星均勻分布在3個中高度圓形地球軌道上,軌道高度為23616km,軌道傾角56°,軌道升交點在赤道上相隔120°,衛星運行周期為14h,每個軌道面上有1顆備用衛星。某顆工作星失效後,備份星將迅速進入工作位置,替代其工作,而失效星將被轉移到高于正常軌道300km的軌道上。這樣的星座可為全球提供足夠的覆蓋範圍。

地面段由完好性監控系統、軌道測控系統、時間同步系統和系統管理中心組成。伽利略系統的地面段主要由2個位于歐洲的伽利略控製中心(GCC)和29個分布于全球的伽利略感測器站(GSS)組成,另外還有分布于全球的5個S波段上行站和10個C波段上行站,用于控製中心與衛星之間的資料交換。控製中心與感測器站之間通過冗餘通信網路相連。全球地面部分還提供與服務中心的接口、增值商業服務以及與"科斯帕斯-薩爾薩特"(COSPAS-SARSAT)的地面部分一起提供搜救服務。

區域設施

區域設施由監測台提供區域完好性資料,由完好性上行資料鏈直接或經全球設施地面部分,連同搜救服務商提供的資料,上行傳送到衛星。全球最多可設8個區域性地面設施。

局域設施

有些使用者對局部地區的定位精度、完好性報警時間、信號捕獲/重捕等性能有更高的要求,如機場、港口、鐵路、公路及市區等。局域設施採用增強措施可以滿足這些要求。除了提供差分校正量與完好性報警外(≤1s),局域設施還能提供下列各項服務:

商業資料(差分校正量、地圖和資料庫);

附加導航信息(偽衛星);

在接收GSM和UMTS基站計算位置信號不良的地區(如地下停車場和車庫),增強定位資料信號;

移動通信信道。

使用者

使用者端主要就是使用者接收機及其等同產品,伽利略系統考慮將與GPS、GLONASS的導航信號一起組成復合型衛星導航系統,因此使用者接收機將是多用途、兼容性接收機。

服務中心

服務中心提供伽利略系統使用者與增值服務供應商(包括局域增值服務商)之間的接口。根據各種導航、定位和授時服務的需要,服務中心能提供下列信息:

性能保證信息或資料登錄;

保險、債務、法律和訴訟業務管理;

合格證和許可證信息管理;

商貿中介;

支持開發套用與介紹研發方法。

套用服務

基本服務

導航、定位、授時。

特殊服務

搜尋與救援(SAR功能)。

擴展服務

GNS在飛機導航和著陸系統中的套用鐵路安全運行調度、海上運輸系統、陸地車隊運輸調度、精準農業。

進度安排

定義階段

(1999-2000)

該階段已在2001年宣告結束。

開發階段

(2001-2005)

該階段稱為開發和在軌驗證階段,正在進行,主要工作有:

匯總任務需求;

開發2-4個衛星和地面部分;

系統在軌驗證。

部署階段

(2006-2007)進行衛星的發射布網,地面站的架設,系統的整體聯調。

運營階段

(2008- )商業營運階段,提供增值服務,資方獲得收益。

曾經延後

早在2002年,由于德國和義大利在領導歐空局實施"伽利略衛星導航計畫"這個問題上一直爭吵不休,導致歐空局的半數預算未能到位。

伽利略計畫一再延後的原因其中有經濟上的因素,歐洲面臨經濟危機的問題。經濟危機前一段時間歐洲人確實對于伽利略的投入問題產生了很多分歧的意見,有些起伏。另外一個伽利略計畫之所以滯後,很大一個原因還在于歐盟的政治體製,它由于多個國家之間需要長時間地磋商,這也導致了它進度延後。

系統優勢

"伽利略"系統是世界上第一個基于民用的全球衛星導航定位系統,在2008年投入運行後,全球的使用者將使用多製式的接收機,獲得更多的導航定位衛星的信號,將無形中極大地提高導航定位的精度,這是"伽利略"計畫給使用者帶來的直接好處。另外,由于全球將出現多套全球導航定位系統,從市場的發展來看,將會出現GPS系統與"伽利略"系統競爭的局面,競爭會使使用者得到更穩定的信號、更優質的服務。世界上多套全球導航定位系統並存,相互之間的製約和互補將是各國大力發展全球導航定位產業的根本保證。

"伽利略"計畫是歐洲自主、獨立的全球多模式衛星定位導航系統,提供高精度,高可靠性的定位服務,實現完全非軍方控製、管理,可以進行覆蓋全球的導航和定位功能。"伽利略"系統還能夠和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統實現多系統內的相互合作,任何使用者將來都可以用一個多系統接收機採集各個系統的資料或者各系統資料的組合來實現定位導航的要求。

"伽利略"系統可以傳送即時的高精度定位信息,這是現有的衛星導航系統所沒有的,同時"伽利略"系統能夠保證在許多特殊情況下提供服務,如果失敗也能在幾秒鍾內通知客戶。與美國的GPS相比,"伽利略"系統更先進,也更可靠。美國GPS向別國提供的衛星信號,隻能發現地面大約10米長的物體,而"伽利略"的衛星則能發現1米長的目標。

衛星發射

2011年"伽利略"衛星首發成功

歐洲伽利略全球衛星導航系統---"伽利略計畫"的首批兩顆衛星2011年10月21日從位于法屬蓋亞那的庫魯航天中心成功發射升空。歐盟希望在2019年完成全部 30顆衛星的發射,從而對全球衛星導航市場進行重新洗牌。

第三顆和第四顆衛星2012年10月發射

第三顆和第四顆"伽利略"在軌驗證(IOV)衛星預計搭乘"聯盟"火箭于10月發射升空。這些新衛星將加入2011年發射的首批兩顆伽利略衛星,定位于距地23222千米高的中地球軌道。

此舉標志著該項目邁進了重要一步,因為它將完成IOV階段所需的基礎設施部署,並首次實現僅僅基于伽利略衛星進行地面定位估算。IOV階段後將是繼續按需部署衛星和地面段,最終實現"全面運行能力",達到服務預期。

首批22顆"全面運行能力"衛星目前正在德國建造,德國還將負責平台和最終衛星的集成。英國薩裏衛星技術有限公司負責建造有效載荷。

2012年10月12日,隨著歐洲伽利略全球衛星導航系統第二批兩顆衛星成功發射升空,該系統建設已取得階段性重要成果。太空中已有4顆正式的伽利略系統衛星,將可以組成網路,初步發揮地面精確定位的功能。

這4顆衛星將組成一個微型網路以對系統進行初步測試,並確保今後發射的該系統其他衛星能準確進入預定軌道,正常運轉。

2013年春季,已組網的這4顆衛星將可以首次提供導航服務。

歐洲航天局計畫在2013年和2014年分別發射3次和2次"聯盟"火箭,每次火箭攜帶兩顆伽利略系統衛星。此外,歐航局還計畫在2014年用一枚特別改造的阿麗亞娜火箭一次發射4顆伽利略系統衛星,2015年再使用這種火箭進行2次發射。

重要意義

不僅能使人們的生活更加方便,還將為歐盟的工業和商業帶來可觀的經濟效益。更為重要的是,歐盟將從此擁有自己的全球衛星導航系統,這有助于打破美國GPS系統的壟斷地位,從而在全球高科技競爭浪潮中獲取有利地位,更可為將來建設歐洲獨立防務創造條件。

中國參與

蜜月期

(2003年-2004年)中歐優勢互補 反對單極世界

2003年,歐洲人主動"邀請"中方加入伽利略全球衛星導航系統,中方欣然受之。

歐洲把中國納入,不僅使歐洲一些國家的領導人賺足了政治資本,也使"伽利略"計畫捉襟見肘的財政狀況得到極大緩解,更給"伽利略"進入中國誘人的市場打下了基礎。2004年中歐正式簽署技術合作協定,中方承諾投入 2.3億歐元的巨額資金。

中歐在高端技術上的合作,實質上打破了美國主導的歐洲對華武器禁運,也相當于廢棄了針對中國這樣特定國家的歐美武器貿易條例(ITAR),為最終從法律層面解除對華武器禁運撕開了一個口子。

轉折期

(2005年-2007年)歐洲政治轉向 聯美排擠中國

2005年,"伽利略"首顆"中軌道"實驗衛星發射,標志著歐盟"伽利略"計畫從設計向運轉方向轉變。

然而,進入2005年,歐洲政治開始轉向,親美政治人物紛紛上台,歐洲航天局與美國"修好"。歐盟開始排擠中國。投入巨額資金,卻得不到與之相稱的對待,中國不但進不到"伽利略"計畫的決策機構,甚至在技術合作開發上也被歐洲航天局故意設定的障礙所阻擋,中方十分不滿。

在此背景下,中國開始把註意力轉移到"北鬥"系統上。2007年發射的第四顆"北鬥"一號導航衛星,替換了退役的衛星,"北鬥"系統開始激活。到2007年底,中國成功發射了第一顆"中軌道"導航系統,標志著"北鬥"系統在技術和規劃上的重大突破。

競爭期

(2008年-2009年)"北鬥"橫空出世 技壓"歐系"衛星

由于實質參與歐洲"伽利略"衛星導航系統受挫,中國決定"單幹"。2006年11月,中國對外宣布,將在今後幾年內發射導航衛星,開發自己的全球衛星導航和定位系統,到2007年底,有關覆蓋全球的"北鬥"二號系統計畫浮出水面。

直到2008年4月27日,"伽利略"系統的第二顆實驗衛星才升空,此時距上次發射已經有差不多四年時間,比最初的計畫延後了整整五年。

"北鬥"二號橫空出世,不僅使歐洲"伽利略"系統準備與美國GPS一爭高下的願望大打折扣,也沖淡了"伽利略"未來的市場前景。"北鬥"二號在技術上比 "伽利略"更先進,定位精度甚至達到0.5米級,令歐洲人深受震撼。另一方面,之前"伽利略"計畫的推出,刺激了美國和俄羅斯加快技術更新,新一代GPS 和新一代"格洛納斯"的定位精度等技術指標均很快反超"伽利略","伽利略"逐漸喪失了技術相對領先的優勢。

按照國際電信聯盟通用的程式,中國已經向該組織通報了準備使用的衛星發射頻率,這一頻率正好是歐洲"伽利略"系統準備用于"公共管理服務"的頻率。

頻道是稀有資源。佔得先機的美國和俄羅斯分別擁有最好的使用頻率,中國所看中的頻率被認為是美國和俄羅斯之後的"次優"頻率。

按照"誰先使用誰先得"的國際法原則,中國和歐盟成了此頻率的競爭者。然而,中國在2009年發射三顆"北鬥"二代衛星,正式啓用該頻率,而歐盟連預定的三顆實驗衛星都沒有射齊,註定敗下陣來,失去對頻率的所有權。

伽利略系統的基本服務有導航、定位、授時;特殊服務有搜尋與救援(SAR功能);擴展套用服務系統有在飛機導航和著陸系統中的套用、鐵路安全運行調度、海上運輸系統、陸地車隊運輸調度、精準農業。

伽利略計畫是歐洲于1999年初正式推出的旨在獨立于GPS和GLONASS的全球衛星導航系統。目前全世界使用的導航定位系統主要是美國的GPS系統,歐洲人認為這並不安全。為了建立歐洲自己控製的民用全球導航定位系統,歐洲人決定實施"伽利略"計畫。

1996年7月23日,歐洲議會和歐盟交通部長會議製定了有關建設歐洲聯運交通網的共同綱領,其中首次提出了建立歐洲自主的定位和導航系統的問題。這一共同綱領成為日後"伽利略計畫"出台的基礎。1999年1月13日,歐洲議會批準了由歐洲委員會提交的名為《建立一個歐洲聯運定位和導航網:歐洲全球衛星導航系統發展戰略》的報告。1999年2月10日,歐洲委員會在其名為《伽利略(Galileo)--歐洲參與新一代衛星導航服務》的報告中首次提出了"伽利略計畫"。計畫分為4個階段:論證階段(2000-2001),論證計畫的必要性、可行性以及落實具體的實施措施;系統研製和在軌驗證階段(2001-2005);星座布設階段(2006-2007);運營階段(從2008年開始)其任務是系統的保養和維護,提供運營服務,按計畫更新衛星等。

該系統計畫將由30顆中高度圓軌道衛星和2個地面控製中心組成,其中27顆衛星為工作衛星,3顆為候補。衛星高度為24126km,位于3個傾角為56度的軌道平面內,該系統除了30顆中高度圓軌道衛星外,還有2個地面控製中心。當時預計系統于2008年建成,總投資36億歐元,以商業運營的模式全部民用。

伽利略系統由空間段、地面段、使用者三部分組成。空間段由分布在3個軌道上的30顆中等高度軌道衛星(MEO)構成,每個軌道面上有10顆衛星,9顆正常工作,1顆運行備用;軌道面傾角56度。地面段包括全球地面控製段、全球地面任務段、全球域網、導航管理中心、地面支持設施、地面管理機構。

伽利略系統的基本服務有導航、定位、授時;特殊服務有搜尋與救援(SAR功能);擴展套用服務系統有在飛機導航和著陸系統中的套用、鐵路安全運行調度、海上運輸系統、陸地車隊運輸調度、精準農業。

伽利略計畫是歐洲自主、獨立的全球多模式衛星定位導航系統,提供高精度,高可靠性的定位服務,實現完全非軍方控製、管理,可以進行覆蓋全球的導航和定位功能。伽利略系統能夠與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統實現多系統內的相互合作,任何使用者將來都可以用一個接收機採集各個系統的資料或者各系統資料的組合來實現定位導航的要求。伽利略系統可以分發即時的米級定位精度信息,這是現有的衛星導航系統所沒有的。同時伽利略系統能夠保證在許多特殊情況下提供服務,如果失敗也能夠在幾秒鍾內通知使用者,對安全性有特殊要求的情況如運行的火車、導航汽車、飛機著路等,伽利略系統的套用就特別適合。這個民用系統將為海上和陸上交通提供極大的便利,將為歐洲公路、鐵路、空中和海洋運輸、歐洲共同防務甚至是徒步旅行者有保障地提供精度為1m的定位導航服務。與美國的GPS相比,伽利略系統更先進,也更可靠。美國GPS向別國提供的衛星信號,隻能發現地面大約10m長的物體,而伽利略的衛星則能發現1m長的目標。一位軍事專家形象地比喻說,GPS隻能找到街道,而伽利略則可找到家門。

盡管伽利略的預想目標很先進,但是目前伽利略計畫的執行卻出現了許多問題。由于歐盟成員國對該項目規模和投資一直存在分歧,因此使項目啓動就耽擱了幾個月的時間,後又因種種原因使該計畫一延再延,歐空局(ESA)計畫投資3000萬歐元的搶佔頻率的GIOVE-A2也未能如期發射。歐洲有關官員稱該計畫的最後完成將延至2014年。

伽利略系統作為歐洲欲與美國GPS抗衡的衛星導航系統,其技術先進性不言而喻,目前已經有實驗衛星上天進行在軌測試,用歐洲人的話講就是"已經上了卡車",同時還在大力吸收合作伙伴, 2003年9月18日,歐盟和中國草簽了中國參與伽利略計畫的協定。2004年10月9日,雙方又簽署了此項目的技術合作協定。參與"伽利略"計畫是迄今為止我國與歐洲最大的合作計畫,這標志著我國航天事業在國際合作領域邁出走向歐洲化的第一大步。我們既要加強目前進度良好的中歐合作關系,又要為將來雙方導航系統在頻率重疊、衛星共軌、幹擾等可能出現的大量問題做好準備。

新華網巴黎3月12日電(記者黃涵)總部位于巴黎的歐洲航天局12日說,歐洲伽利略衛星導航系統的4顆衛星當天成功完成首次地面定位,標志著該系統建設取得重要進展。

歐航局的公報說,當天上午,歐航局位于荷蘭諾德韋克的技術中心成功通過伽利略系統進行了地面經緯度和海拔高度定位,精度達10米至15米。這也是歐洲首次使用自己的衛星導航系統進行定位。歐航局伽利略項目經理哈維爾·貝內迪克托說,這一成功是伽利略導航系統全面測試的一項基本步驟。

伽利略系統首批兩顆衛星在2011年10月發射,目前太空已有4顆衛星,可以組網進行地面三維定位。

按規劃,歐洲伽利略衛星導航系統將由兩個地面控製中心和30顆衛星組成,其中27顆為工作衛星,3顆為備用衛星。目前的4顆衛星組成的微型網路正處于測試階段,預計將在2014年底初步投入運營。作為這一項目的主要牽頭機構,歐航局計畫在今年下半年再發射4顆衛星。

國際參與

中國于2003年9月加入「伽利略計畫」,並將在往後幾年間投資2.3億歐元。

2004年7月,以色列與歐盟簽訂協定,成為「伽利略計畫」的合作伙伴。

2005年6月3日,歐盟與烏克蘭草簽了一份協定,讓烏克蘭加入「伽利略計畫」。

9月7日,印度也與歐盟簽約,加入「伽利略計畫」,參與建設基于歐洲地球同步衛星導航增強服務系統 (EGNOS) 的區域增強系統。

2006年9月9日,韓國同歐盟簽訂了有關韓國參與伽利略計畫的協定。[2]12月12日,歐盟與摩洛哥簽署了伽利略計畫的合作協定。

除此之外,不少國家如阿根廷、澳大利亞、巴西、加拿大、智利、日本、馬來西亞、墨西哥、挪威、巴基斯坦、俄羅斯等,也有可能加入「伽利略計畫」。

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