杂志汇太空探索

欧洲伽利略导航系统全面投入运行

作者:□ 刘春保
2016年12月15日,欧空局宣布:伽利略全球卫星导航系统正式投入初始运行,至此联合国确定的四大全球卫星导航系统全部投入运行,全球卫星导航领域多系统共存格局初步形成,全球卫星导航服务进入了新纪元。

从1998年11月欧空局启动伽利略系统开始,欧洲人用18年的时间完成了伽利略系统初始运行能力建设,共发射卫星20颗,耗资数十亿欧元。伽利略系统投入初始运行使欧洲具有了完全自主的卫星导航能力,使欧洲在政治、外交等方面更具独立性,也使欧洲在航天高技术领域的竞争中拥有更广阔的天地。

伽利略系统空间星座

伽利略系统地面控制段部署伽利略系统组成

伽利略系统由空间段、地面控制段和用户段组成。其空间段由30颗部署在中地球轨道(MEO)的卫星组成,其中27颗工作星,3颗备份星。卫星部署在3个轨道面,轨道高度23222千米,轨道倾角56度,轨道周期14小时4分钟,地面轨迹重复周期10天,轨道面间夹角120°,每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。伽利略系统地面控制段由2个控制中心、5个任务上行站、5个遥测跟踪与控制站、2个发射与早期操作中心、1个在轨测试中心和16个~20个伽利略敏感器站组成,实现了伽利略系统测控弧段的全球覆盖,从而较好保证了伽利略系统测控与导航信息的精度。

控制中心是伽利略地面控制段的核心,2个控制中心部署在德国和意大利,由轨道同步与处理设施、精确授时设施、完好性处理设施、任务控制设施、卫星控制设施和服务与产品设施组成。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。

遥测跟踪与控制站负责伽利略系统星座卫星的测量、跟踪与控制;伽利略上行站负责将控制中心生成星历等导航信息注入到空间段的卫星;发射与早期操作中心和在轨测试中心主要负责卫星发射、入轨初期的卫星测控与测试,卫星测试完成后,卫星的测控与管理由控制中心负责。

伽利略系统空间段由30颗部署在中地球轨道卫星组成,其中27颗工作星,3颗备份星。考虑到高纬度地区(如欧洲北部)的信号覆盖和一箭多星发射的要求,与GPS系统星座相比,伽利略系统星座采用3轨道面、轨道倾角56°的设计,以保证对纬度75°地区的信号覆盖和星座的快速部署。

GIOVE-A卫星

GIOVE-B卫星

Galileo-IOV卫星伽利略系统研发三阶段

为保证伽利略系统研发与建设的稳步推进,伽利略卫星的研发分为三个阶段,即试验卫星(GIOVE)、在轨验证卫星(Galileo-IOV)和全运行能力卫星(Galileo-FOC)。

试验卫星共发射2颗,分别为GIOVE-A与GIOVE-B,其任务是:确保国际电信联盟分配给伽利略系统的导航频率、MEO轨道空间环境探测、有效载荷关键技术验证、伽利略空间信号的测试与验证,完成信号的最终定义工作。

GIOVE-A卫星由英国萨里公司研制,采用该公司的MEMINI小卫星平台,卫星尺寸1.3米×1.8米×1.65米,发射质量600千克,三轴稳定姿态控制,有效载荷功率700瓦,设计寿命2年,2005年12月发射。卫星的主要有效载荷包括:2部磁选态铷原子钟、信号发生器、星上转换器、放大器和天线,以及用于MEO轨道空间环境探测的宇宙射线能量累积试验装置(CEDEX)和QinetiQ公司提供的墨林(Merlin)探测器,用于带电粒子监视、质子流测量和电离状态评估。

GIOVE-B卫星由阿斯特留姆德国公司研制,泰莱斯·阿莱尼亚空间公司(意大利)负责卫星的总装与测试,有效载荷由阿斯特留姆德国公司(英国)研制,采用泰莱斯·阿莱尼亚空间公司(法国)的海神(Proteus)平台,卫星质量530千克,尺寸0.95米×0.95米×2.4米(收缩状态),设计寿命2年,2008年4月发射。主要有效载荷包括:1部磁选态被动氢原子钟和2部磁选态铷原子钟、时钟监测与控制单元、导航信号发生器、固态功率放大器等,以及用于轨道环境探测的标准辐射环境探测器(SREM)和俄罗斯研制的激光反射器。

Galileo-IOV卫星由欧洲宇航防务公司研制,采用经改进的PROTEUS小卫星平台,卫星重700千克,功率1600瓦,卫星尺寸3.02 米×1.58 米×1.59米(收缩状态),设计寿命12年。主要有效载荷包括:2部磁选态被动氢原子钟、2部磁选态铷原子钟,导航信号生成器、固态功率放大器、导航天线等,导航有效载荷总重115千克,功率780瓦;搜索救援载荷重20千克,功率100瓦。

Galileo-IOV卫星的首次发射于2011年10月进行,采用俄罗斯的“联盟”号运载火箭,发射方式为一箭双星。

Galileo-IOV卫星的主要任务包括:空间段、地面控制段与用户段的联合验证、系统性能分析与优化、确认系统运行控制程序和降低系统的部署风险。具有伽利略卫星的全部功能,播发伽利略系统的全部导航信号。因此,在完成在轨测试、验证后,Galileo-IOV卫星以工作星的方式加入伽利略系统空间星座。

2010年1月,欧洲空间局将Galileo-FOC卫星的首个研发合同授予了由德国不莱梅轨道科学公司(OHB)和英国萨里公司(SSTL)组成的团队;其中OHB公司为主承包商,负责卫星平台、组装、测试等;英国萨里公司为有效载荷分包商,负责全部有效载荷的研发。目前,Galileo-FOC卫星的采购数量为22颗,以满足伽利略系统投入全面运行服务的需求。Galileo-FOC卫星的首次发射于2014年8月进行,采用俄罗斯联盟号运载火箭一箭双星发射。截至2016年底,欧洲已经完成14颗Galileo-FOC卫星的发射,其中一箭双星发射5次,一箭四星发射1次,除首次发射部分成功外,其余5次发射全部成功。

Galileo-FOC卫星采用模块化设计,整个卫星分为7个模块,分别为:有效载荷核心模块、时钟系统模块、天线模块,上述三个模块构成Galileo-FOC卫星的有效载荷单元;另外4个模块为别为:平台核心模块、中心模块、推进模块和太阳电池模块,上述4个模块构成Galileo-FOC卫星平台单元。

Galileo-FOC卫星的主要有效载荷包括:时间子系统、任务上行子系统、导航信号生成子系统、射频放大子系统、搜索救援子系统和激光反射器阵列等。

时间系统由2部磁选态被动氢原子钟、2部磁选态铷原子钟和时钟监测与控制单元组成,采取产生10.23MHz的基准频率。星上温度控制系统保证时间系统的环境温度在很小的范围内变化,以改善其稳定性。

Galileo-FOC卫星

欧洲伽利略系统演进路线图伽利略系统发展现状

至2016年底,欧洲空间局已经完成了14颗Galileo-FOC卫星的发射,使在轨卫星数量达到18颗(加上4颗Galileo-IOV卫星),并完成了伽利略系统地面控制段的部署。2016年12月8日,欧洲空间局宣布:2016年5月24日发射的2颗Galileo-FOC卫星(第9、10颗)已正式播发导航信号,但尚未有11月17日发射4颗Galileo-FOC卫星投入运行的报道。因此,我们有理由相信,12月15日正式投入初始运行的伽利略系统最多由14颗在轨运行的伽利略卫星组成,而11月发射的4颗Galileo-FOC卫星仍处于调试、测试状态,有可能于2017年6月底前加入伽利略系统星座,而改善伽利略系统的初始运行能力。

按照目前的计划,欧洲空间局将于2017年、2018年各进行一次Galileo-FOC卫星的一箭四星发射,届时伽利略系统在轨卫星数量将达到26颗。按照欧洲空间局对伽利略系统全面运行能力的最新定义(24颗工作星+在轨备份卫星。伽利略系统全面运行能力最初的星座定义为:27颗工作星+3颗备份卫星),2020年前伽利略系统将具备全面运行能力,并投入全面运行。

欧洲空间局首次公开宣布于2015年启动了新一代伽利略系统的论证与定义研究工作。按照新一代伽利略论证、研究路线图,需求征询与调研工作已经基本完成,进入到需求固化阶段。需求固化阶段计划于2017年完成,欧盟的主要任务是建立任务需求;欧洲空间局负责研究与确定系统想定;欧洲全球卫星导航系统局则负责新一代伽利略系统的成本效益分析。第2代伽利略卫星的设计工作将于2019年启动。预计星间链路、新一代原子钟,甚至是信号增强等有可能成为新一代伽利略系统与卫星的发展重点。

欧洲空间局在伽利略系统只有11颗在轨工作卫星的条件下宣布伽利略系统投入初始运行,既表明欧洲急于获得完全自主的全球卫星导航服务的迫切心情,也表明欧洲希望伽利略系统能够抢在印度IRNSS系统之前投入运行愿望,在落后于北斗系统区域服务的条件下,欧洲不希望再落后于印度。

 

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