導(dǎo)航衛(wèi)星靠得住嗎？

文/遲惑

▲伽利略系統(tǒng)在德國(guó)的控制中心

2019年7月，歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)突然發(fā)生了嚴(yán)重的故障，連續(xù)170個(gè)小時(shí)不能工作，這對(duì)于一個(gè)雄心勃勃的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，無論從技術(shù)上還是從聲望上都是沉重的打擊。幸好除了伽利略之外，這個(gè)世界上還有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在正常工作。因此，用戶們似乎沒有感覺到自己的應(yīng)用受到什么損害。然而，在衛(wèi)星導(dǎo)航界看來，這卻是一個(gè)空前嚴(yán)重的事件。那么，人類還能夠相信和依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)嗎？

是誰惹了麻煩

伽利略系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生過星上原子鐘大面積失效的嚴(yán)重事故。不過這次系統(tǒng)服務(wù)中斷倒不是星鐘的問題，而是地面系統(tǒng)惹了麻煩。

在解釋這個(gè)問題之前，我們首先還是要回到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理上。每顆導(dǎo)航衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)內(nèi)容，簡(jiǎn)單說起來，就是“我這里現(xiàn)在X點(diǎn)了”。這個(gè)時(shí)間信息由星上的原子鐘生成，應(yīng)該說是相當(dāng)精確的。然而30多顆衛(wèi)星的原子鐘，彼此之間多少會(huì)有一些差異。這些原子鐘和地面生成的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間也會(huì)有一些差異。如果不做干預(yù)，隨著時(shí)間積累，差異會(huì)越來越大。電磁波的傳播速度是每秒30萬公里。那么，即使是1個(gè)納秒的時(shí)間誤差，也會(huì)造成0.3米的測(cè)距誤差。因此，各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都要定時(shí)用地面標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來修正星上原子鐘，讓它們盡量保持同樣的走時(shí)。

▲伽利略系統(tǒng)地面段全球部署

伽利略系統(tǒng)的時(shí)間修正工作屬于地面段，它分布在幾個(gè)國(guó)家。地面段由地面控制段和地面任務(wù)段兩大部分組成。地面控制段主要負(fù)責(zé)星座控制和衛(wèi)星管理，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的控制、監(jiān)視、計(jì)劃和自動(dòng)化運(yùn)行都在地面段進(jìn)行。地面段由兩個(gè)地面控制中心和6個(gè)分布在全球的遙測(cè)、跟蹤和控制站組成。這兩個(gè)地面控制中心分別位于意大利富西諾和德國(guó)奧博珀法芬霍芬，兩個(gè)站互為備份。伽利略地面段的各個(gè)功能站通過各種有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)連接到這兩個(gè)地面控制中心，遙測(cè)、跟蹤和控制站正常情況下用S頻段13米口徑天線和衛(wèi)星交換信息。

▲伽利略系統(tǒng)在德國(guó)的控制中心大廳

伽利略任務(wù)段的主要設(shè)施就部署在控制中心里，外加一些任務(wù)上行站和敏感器站，部署在世界各地。敏感器站用來生成和上傳導(dǎo)航電文的有關(guān)信息。因此，敏感器站需要全球組網(wǎng)，各站之間用通信衛(wèi)星和電纜相互聯(lián)系。而敏感器站與伽利略衛(wèi)星之間的信息交互就通過任務(wù)上行站來實(shí)現(xiàn)。伽利略系統(tǒng)一共有5個(gè)任務(wù)上行站，采用3米口徑的天線。

▲ 伽利略系統(tǒng)德國(guó)控制中心內(nèi)景

具體來說敏感器站有兩個(gè)使用模式。首先是軌道確定和時(shí)間同步功能，每10分鐘對(duì)所有衛(wèi)星進(jìn)行一次觀測(cè)，并計(jì)算出每顆衛(wèi)星的精確軌道和時(shí)鐘漂移數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)出未來幾個(gè)小時(shí)的空間信號(hào)精度數(shù)據(jù)。每隔100分鐘，就向所有衛(wèi)星上傳一次有關(guān)的數(shù)據(jù)。

很顯然，這次的故障就是因?yàn)檐壍来_定和時(shí)間同步功能出了錯(cuò)。但詭異的是，無論歐空局，還是國(guó)外主要航天媒體，對(duì)這次故障都諱莫如深,既不討論故障原因，也不分析故障的影響。負(fù)責(zé)運(yùn)行伽利略系統(tǒng)的歐洲GNSS局只是在服務(wù)恢復(fù)之后，發(fā)布了一條極為簡(jiǎn)短的通知。只有少數(shù)來源透露了有限的消息。英國(guó)皇家導(dǎo)航研究所在通知中稱，“控制中心的一臺(tái)負(fù)責(zé)計(jì)算時(shí)間和軌道的設(shè)備發(fā)生了異常，對(duì)兩個(gè)中心的多臺(tái)設(shè)備造成了影響”。而zdnet網(wǎng)站的報(bào)道則稱，歐洲GNSS局還在查找故障原因當(dāng)中。

作為這樣全球性的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，一臺(tái)設(shè)備的異常就導(dǎo)致全系統(tǒng)癱瘓,這在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)該是不允許的?？梢钥闯?，歐洲航天的跨國(guó)協(xié)調(diào)機(jī)制雖然運(yùn)行了幾十年，在多數(shù)型號(hào)工程上行之有效，但如果是應(yīng)對(duì)這種分秒必爭(zhēng)的緊急情況，效率實(shí)在是太差了。這不僅僅是歐空局的問題，更是歐盟的問題。相比之下，美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)可以更加高效地應(yīng)對(duì)類似情況。

導(dǎo)航衛(wèi)星靠不住了怎么辦？

這次伽利略發(fā)生故障，并沒有對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)造成什么影響。原因在于，當(dāng)今的衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)基本上都是多模式、兼容互操作的，可以同時(shí)接收GPS、格洛納斯、北斗和伽利略的信號(hào)，并用于生成導(dǎo)航解，少一個(gè)系統(tǒng)并不會(huì)帶來顯著的影響。從這個(gè)意義上說，伽利略系統(tǒng)的這次故障，也證明四大系統(tǒng)兼容互操作的做法是正確而有必要的。

那么，會(huì)不會(huì)發(fā)生四個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)全都失靈的情況呢？理論上說，這是不可能的。四大系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到了各種人為和自然因素，除非發(fā)生極端宇宙現(xiàn)象，例如太陽劇烈活動(dòng)、大規(guī)模隕石群襲擊地球軌道，大部分導(dǎo)航系統(tǒng)是不會(huì)喪失功能的。然而這次事件向人們證明，事情可能沒有那么樂觀。而且，就算在全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)不會(huì)中斷，在局部地區(qū)、特殊時(shí)段發(fā)生中斷的可能性還是不小的，我們還是要考慮一下衛(wèi)星之外的導(dǎo)航定位授時(shí)手段。

▲伽利略系統(tǒng)地面段架構(gòu)

▲伽利略系統(tǒng)的氫原子鐘

▲ 惹麻煩的伽利略系統(tǒng)意大利控制中心

實(shí)際上，美國(guó)在GPS系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，就經(jīng)歷了這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)過程。早在上世紀(jì)90年代后期，GPS的應(yīng)用迅速推開。各方發(fā)現(xiàn)，GPS的表現(xiàn)比人們預(yù)想的更好，因此美國(guó)提出了以GPS為唯一導(dǎo)航手段的想法。當(dāng)時(shí)人們擔(dān)心這成為美國(guó)推行霸權(quán)的手段，因此應(yīng)者寥寥。不過很快，美國(guó)自己也不再提及這個(gè)想法。其中原因是，GPS在使用中遇到了各種信號(hào)干擾、遮擋問題，在水下、地下空間、強(qiáng)干擾環(huán)境下，GPS的性能急劇下降。而且，很多應(yīng)用所需要的定位精度非常高，GPS未必能滿足要求，哪怕加上北斗和格洛納斯也不行。例如我們?cè)诼访嫔祥_車的時(shí)候，衛(wèi)星導(dǎo)航并不能分辨汽車在哪條車道上，甚至分不清我們?cè)谥髀愤€是輔路。所以，當(dāng)需要經(jīng)過岔路口的時(shí)候，導(dǎo)航軟件會(huì)彈出一個(gè)指示窗口，幫助我們用肉眼來分辨和導(dǎo)航。

因此，美國(guó)很快提出了綜合導(dǎo)航定位授時(shí)的概念，把人類目前正在使用的所有時(shí)間、空間測(cè)量手段都納入其中，除了衛(wèi)星系統(tǒng)，還包括了各種雷達(dá)、光學(xué)測(cè)量手段，以及慣性器件和普通的時(shí)鐘，當(dāng)然也有天然的導(dǎo)航星——脈沖星。在這當(dāng)中，慣性器件和時(shí)鐘得到了高度重視，因?yàn)樗鼈兺耆恍枰獜耐饨绔@得信號(hào)就可以工作，能夠提供穩(wěn)定的時(shí)間和空間信息。在衛(wèi)星或者其他導(dǎo)航定位授時(shí)信號(hào)無法工作的時(shí)候，可以提供基本的服務(wù)。

激光雷達(dá)、圖像識(shí)別和毫米波雷達(dá)技術(shù)則是最近幾年的新寵。激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是精度非常高，對(duì)近距離地形地物的測(cè)量精度甚至可以達(dá)到毫米級(jí)。它也成為諸多無人駕駛車輛的必備技術(shù)。圖像識(shí)別的關(guān)鍵在于人工智能技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別出圖像中的道路、其他車輛、人員等目標(biāo)，用于支持導(dǎo)航方案的制定。不過激光雷達(dá)在雨霧環(huán)境下表現(xiàn)不好，圖像識(shí)別還需要充足的光照條件。而毫米波雷達(dá)不受氣候和光照限制，是一種全天候的感知手段。而且最近幾年民用毫米波雷達(dá)的成本急劇下降，家用小轎車上也裝得起。

▲ 用阿里安5火箭四星發(fā)射的伽利略

因此，未來人們所使用的導(dǎo)航定位服務(wù)將是多源融合的。包括衛(wèi)星在內(nèi)的各種手段將提供豐富而無縫隙的導(dǎo)航服務(wù)，這些服務(wù)彼此支持、彼此校正，為我們提供無處不在、無時(shí)不在的導(dǎo)航服務(wù)。