（精密仪器及机械专业论文）伽利略Galileo导航卫星系统守时关键技术研究.pdf

摘要摘要目前欧洲正在开发自己的全球导航卫星系统( g n s s ) 伽利略( g a l i l e o ) 导航卫星系统。伽利略系统由欧空局( e s a ) 和欧盟( e c ) 联合发起，既独立于g p s 和g l o n a s s ，又能与其兼容。它将在民用部门的管理下提供高精度的、有保障的全球定位和授时服务。与g p s 和g l o n a s s 这两个现行系统的空间和地面段中广泛使用超稳定频率源一样，伽利略系统核心功能的实现都离不开时钟。为了能精确地同步系统所有时钟，在伽利略计划中的第一个阶段伽利略系统测试平台v l ( g s t bv 1 ) ，由意大利阿莱尼亚航天公司( a l e n i as p a z i o ) 和意大利国家计量研究院( i n r i m ) 负责设计和实现实验伽利略精确定时中心( e p t s ) ，用以产生实验伽利略系统时间( e 乇s t ) 并通过一组实验来评价伽利略时间尺度。本文就是在这个背景情况下，以e p t s 中四台原子钟为中心，开展相关守时关键技术研究。首先，分析了e p t s 各原子钟的数据特征，主要包括系统性变化和随机性变化两部分。其系统性变化可用时差、频差和频漂的状态叠加来表示，而随机性变化可用五种独立的能量谱噪声来描述。在此原子钟模型基础上，应用实测相位时差数据，分析各钟在不同时间间隔的速率变化情况。应用a l l a n 方差对各钟的短期和长期频率稳定度进行了全面分析。运用最小二乘法对短期和长期的时域稳定度( a l l a n 标准差)进行线性拟合，根据拟合斜率鉴别影响e - p t s 中各原子钟的主要噪声类型。讨论了动态a l l a n 方差方法，并分别应用仿真和实测数据，证实其有效性。通过对各原子钟进行长期的观测和实验表明，具有优异短期频率稳定度的氢钟，以及三台有着优良的中长期稳定度的铯钟，能够满足e p t s 产生实验伽利略系统时间e - g s t 的设计要求，能为处于初级实验阶段伽利略系统提供统一的参考时间基础。其次，本文研究了在e - p t s 守时系统中采用的两种频率比对时差测量方法。重点介绍了双混频时差测量方法，给出了铯钟和氢钟的测试结果。通过与时间间隔测量法的比较，分别给出了噪声测量、速率测量以及频率稳定度的实验结果。结果显示，双混频时差测量特别适用于频率短期稳定度非常高的氢原子钟频率和时间比对。对于氢钟的短期稳定度测量，该测量方法具有更高的比对精度和更高的频率稳定度，并能够解决时间比对的同时性问题。再次，利用e p t s 的实验数据进行滞后的实验伽利略时间尺度算法的探讨。分别实现了两种经典的时间尺度算法，a l g o s 算法和a t l 算法。将两种时间尺度的稳定度进行比较，结果表明由于a t l 算法在钟组权值的确定方面具有更多的灵活性和实时性，a t i 算法时间尺度要略优于a l g o s 算法时间尺度。实现一种基于r b f 神经网络修正a t l 算法的实验时间尺度，由于能够综合以往更多时刻的频率信息预测当前频率，较之a t l 算法时间尺度的频率稳定度得到了提高。实现了基于k a l m a n 滤波的实验时间尺度，通过增加b t s e 方程，对各钟加权获得加权k a l m a n 时间尺度，比粗k a l m a n 时间尺度的频率稳定度有所改进。基于粒子滤波方法实现了一种p f 实验伽利略时间尺度，通过比较表明，该尺度与加权k a l m a n 时间尺度频率稳定度水平相当。最后，应用e p t s 三台铯原子钟和一台氢原子钟相位时差比对数据进行守时钟时间预测研究。应用多项式模型最小二乘估计方法对氢钟和铯钟进行不同时间间隔的相位时差预测，经r m s 计算后得出的预测精度较为理想，五日预测精度均达a s 级。基于k a l m a n 滤波实现对各钟的相位时差、频差和频漂三种状态的估计和预测，与多项式模型预测相比，预测精度相当。对各钟的相位时差建立a r 模型，实现时间预测，其预测精度比多项式模型和k a l m a n 滤波的预测精度均有所提高。实验结果表明，上述三种时间预测方法，预测误差都会随预测间隔的增加而增大。但应用r b f 神经网络的非线性函数的逼近能力，可实现对各钟的时间预测，并能克服这一缺点。关键词：伽利略系统，全球导航卫星系统，守时，原子钟，时间尺度，频率稳定度，原子时，国际原子时，时间预测a b s t r a c ta tp r e s e n t , e u r o p ei sd e v e l o p i n gi t so w ng l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ( g n s s ) ，n a m e dt h eg a l i l e on a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m t h ej o i n ti n i t i a t i v eb e t w e e nt h ee u r o p e a ns p a c ea g e n c y ( e s a ) a n dt h ee u r o p e a nc o m m i s s i o n ( e c ) w i l lb ei n d e p e n d e n ta n di n t e r o p e r a b l ew i t hg p sa n dg l o n a s s i tw i l lp r o v i d eah i g h l ya c c u r a t e ，g u a r a n t e e dg l o b a lp o s i t i o n i n ga n dt i m i n gs e r v i c eu n d e rc i v i l i a nc o n t r 0 1 k e yf u n c t i o n so fg a l i l e os y s t e ma r ee n a b l e db yc l o c k s ，t h a ti s ，u l t r a - s t a b l ef r e q u e n c ys o u r c e st h a tc u r r e n t l ye x i s ta n da r ew i d e l ye m p l o y e di nt h es p a c ea n dg r o u n ds e g m e n t so fa l r e a d yo p e r a t i o n a ls y s t e m ss u c h 舔g p sa n dg l o n a s s t op r e c i s e l ys y n c h r o n i z ea l ls y s t e mc l o c k si nt h ef r a m e w o r ko f g a l i l e os y s t e mt e s tb e dv 1 ( g s t bv 1 ) ，t h ef i r s te x p e r i m e n t a lp h a s ei nt h eg a l i l e op r o j e c t , a l e n i as p a z i oa n dt h ei t a l i a nn a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t ef o rm e t r o l o g y ( i n m m ) h a v et h er e s p o n s i b i l i t yt od e s i g na n dr e a l i z ee x p e r i m e n t a lp r e c i s et i m i n gs t a t i o n 正- p t s ) a b l et og e n e r a t et h ee x p e r i m e n t a lg a l i l e os y s t e mt i m e ( e - g s t ) a n dt h e np r o v i d eas e to fe x p e r i m e n t sd e d i c a t e dt oa na s s e s s m e n to ft h eg a l i l e ot i m e s c a l e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，f o c u s e do nt h ef o u ra t o m i cc l o c k si ne - p t s ，a l lr e s e a r c ho fk e yt e c h n i q u er e l a t e dt ot i m ek e e p i n gi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r f i r s t , i n c l u d i n gt h ed e t e r m i n i s t i ca n dr a n d o mp a r t , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t af r o ma t o m i cc l o c k si ne p t sa r ea n a l y z e d t h ed e t e r m i n i s t i cp a r ti sq u a n t i f i e db yt h ea d d i t i o no f t i m ed e v i a t i o n , f r e q u e n c yo f f s e ta n df r e q u e n c yd r i f t t h er a n d o mp a r ti sc h a r a c t e r i z e db yf i v ei n d e p e n d e n tp o w e r - l a wn o i s e s b a s e do nt h em o d e lo fa t o m i cc l o c k ,s p e e dv a r i a t i o n so nd i f f e r e n tt i m ei n t e r v a la r ea n a l y z e db y u s i n gt h em e a s u r e m e n td a t ao ft i m ed e v i a t i o n s e q u e n t l y , t a k i n gt h eu s eo fa l l a nv a r i a n c e ，t h es h o r - t e r ma n dl o n g - t e r mf r e q u e n c ys t a b i l i t i e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h em a i nt y p e so fn o i s e sa f f e c t i n ga t o m i cc l o c k si ne p t sc a nb ed i s c r i m i n a t e da c c o r d i n gt ot h es l o pw h i c hi sf o r m e db yl i n e a rf i t t i n go na l l a nd e v i a t i o nd a t au s i n gl e a s ts q u a r em e t h o di ns h o r - t e r ma n dl o n g - t e r m t h ed y n a m i ca l l a nv a r i a n c ei si n t r o d u c e dh e r ea n di sp r o v e dt ob ev a l i db yu s i n gt h es i m u l a t i n ga n dm e a s u e m e n td a t a t h er e s u l t so fl o n g - p e r i o dm e a s u r e m e n t sa n de x p e r i m e n t so na t o m i cc l o c k ss h o wt h a tt h eh i 。g hs h o r t - t e r m- r s t a b i l i t yh y d r o g e nm a s e ra n dt h et h r e eh i g hl o n g - t e r m s t a b i l i t yc e s i u ma t o m i cc l o c k sf u l f i l lt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st og e n e r a t et h ee - g s ti ne - p t s 1 1 1 e yc a l lp r o v i dt h eu n i q u et i m er e f e r e n c et ot h ed e v e l o p i n gg a l i l e os y s t e m s e c o n d , t h er e s e a r c ho f t w ok i n d so f t i m ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n ts y s t e m si ne - p t s st i m ek e e p i n gs y s t e mi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h ed u a l - m i x e dt i m ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y a tt h es a m et i m e ，t h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n td a t ao fc e s i u mc l o c k sa n dh y d r o g e nm a s e ri sp r e s e n t e d c o m p a r e dw i t ht i m e i n t e r v a lm e t h o d ，m e a s u r e m e n tr e s u l t so fn o i s e ，s p e e da n df r e q u e n c ys t a b i l i t i e sa r ep r e s e n t e da n ds h o wt h a td u a l - m i x e dt i m ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h ef r e q u e n c ya n dt i m ec o m p a r i s o no fh y d r o g e nm a s e r sh a v i n gh i g hf r e q u e n c ys h o r - t e r m s t a b i l i t y f o rt h em e a s u r e m e n to fh y d r o g e nm a s e r , t h i sm e t h o dh a sh i g h e rp r e c i s ea n dh i g h e rf r e q u e n c ys t a b i l i t y , a n dc a ns o l v et h ep r o b l e mo fs i m u l t a n e o u s n e s sf o rt i m ec o m p a r i s o nm e a s u r e m e n t t h i r d ，u s i n gt h ee x p e r i m e n td a t af r o me - p t s ，t h ed e l a y e de x p e r i m e n t a lg a l i l e ot i m es c a l ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a tt h eb e g i n n i n g ，t w oc l a s s i ct i m es c a l ea l g o r i t h m s ，a l g o sa n da t l ，a r ei n t r o d u c e d a sar e s u l to fc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e i rs t a b i l i t i e s ，a t li ss l i g h t l yb e t t e rt h a na l g o sb e c a u s eo ft h es e n s i t i v i t ya n dt i m e l i n e s si nd e t e r m i n i n gt h ew e i 曲to fa t o m i cc l o c k s t h e nt a k i n gi n t oa c c o u n tm o r ef r e q u e n c yi n f o r m a t i o np a s ta n dp r e d i c t i n gp r e s e n tf r e q u e n c y , am o d i f i e dt i m es c a l ea l g o r i t h mb a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r kc a ni m p r o v es t a b i l i t yv e r s u sa t l a d d i n gab t s ee q u a t i o na n dc o n s i d e r i n gc l o c k s w e i g h t s ，a ne x p e r i m e n t a lt i m es c a l eu s i n gt t t东南大学博士学位论文w e i g h t e dk a l m a nf i l t e r ( k f ) i sr e a l i z e d ，b e t t e rt h a nr a w - k a l m a nt i m es c a l eo nf r e q u e n c ys t a b i l i t y ap a r t i c l ef i l t e r ( p f ) e x p e r i m e n t a lg a l i l e ot i m es c a l ei sp r o p o s e d f r e q u e n c ys t a b i l i t yo fp ft i m es c a l ei ss a m ea st h eo n eo fw e i g h t e dk ft i m es c a l e f i n a l l y , a p p l y i n gt i m ed e v i a t i o nd a t af r o me p t s ，r e s e a r c ho ft i m ep r e d i c t i o nf o re - p t s s3c e s i u mc l o c k sa n d1h y d r o g e nm a s e ri sd e v e l o p e d u s i n gp o l y n o m i a lm o d e la n de s t i m a t i o nm e t h o do fl e a s ts q u a r e ( l s ) ，t i m ed e v i a t i o np r e d i c t i o n so fc e s i u mc l o c k sa n dh y d r o g e nm a s e rf o rd i f f e r e n ti n t e r v a la r ei m p l e m e n t e d i nt h i sw a yr m sp r e c i s i o no fa l lc l o c k sa r ev e r yg o o d ，r e a c h i n gn a n os e c o n do nf i v ed a y i n c l u d i n gt i m ed e v i a t i o n , f r e q u e n c yo f f s e ta n df r e q u e n c yd r i f t , t h r e es t a t e so fc l o c k sc a l lb ee s t i m a t e da n dp r e d i c t e db yk a l m a nf i l t e r t h ep r e c i s i o nl e v e lo fk fp r e d i c t i o ni sv e r yc l o s ew i t hp r e d i c t i o no fp o l y n o m i a lm o d e l s e t t i n gu pa rm o d e lf o rt i m ed e v i a t i o no fc l o c k , ap r e d i c t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，i m p r o v i n gi np r e c i s i o nv e r s u st h ep r e d i c t i o no fp o l y n o m i a lm o d e la n dk f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tp r e c i s i o n so ft h r e ep r e d i c t i o nm e t h o d sa b o v ec a nr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s i n gi n t e r v a lo fp r e d i c t i o n h o w e v e r , t h i sd i s a d v a n t a g ec a l lb eo v e r c o m e db yu s i n gr b fn n ，h a v i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nn o n - l i n e a rf u n c t i o na p p r o x i m a t i n gf o rt h ep r e d i c t i o no fc l o c k k e y w o r d s ：g a l i l e os y s t e m ，g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，t i m ek e e p i n g ，a t o m i cc l o c k , t i m es c a l e ，a t o m i ct i m e , t a lt i m ep r e d i c t i o ni v东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：仁日期：二晔华胆东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。第一章绪论第一章绪论1 1 伽利略全球导航卫星系统概述l _ 1 1 伽利略系统的组成伽利略全球导航卫星系统，简称伽利略系统( g s ，g a l i l e os y s t e m ) 是目前欧洲正在自主建设中的全球导航卫星系统( g n s s g l o b a l n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) ，可在完全非军方控制和管理下提供高精度、高可靠性的全球定位与授时服务”。】。它将与另两个全球卫星导航系统美国的全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 和髋罗斯的全球导航卫星系统( g l o n a s s ，g l o b a l n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m )兼容。伽利略系统的组成可分为三个部分：空间段、地面段和用户段。( 1 ) 空间段。作为伽利略系统的原型设计和试验阶段的第一步，在伽利略系统测试平台( g s t b ，g a l i l e os y s t e m t e s tb e d ) 阶段中两颗试验卫星g i o v e - a 和g i o v e - b ，分别以于2 0 0 5 年1 2 月2 8 日和2 0 0 8 年4 月2 7 日在哈萨克斯坦的拜科努尔发射基地成功发射，且两颗卫星均已进入稳定的试验j 二作状态。伽利略系统按照计划还将继续有4 颗工作卫星先行发射，以鉴定基础性的伽利略系统空间和相关地面段。在轨鉴定阶段完成后。将发射剩余的2 6 颗卫星，使系统达i q 全面运行能力( f o c ，p u l lo p e r a t i o n a lc a p a b i f i t y ) 。全面部署后的伽利略系统将由3 0 颗卫星组成，其中2 7 颗为_ | 二作星，3 颗为在轨热备份星每颗卫星重约6 2 5 k g ，在轨寿命1 2 年左右，功耗为l5k w 。按设计卫犀将分布在地球上空约2 3 2 2 2 公里的三个中地轨道( m e o ，m e d i u me a r t ho b i t ) 面上各轨道面相对于赤道面的倾角为5 6 度。卫星全部部署到位后，伽利略系统的导航信号即便对纬度高达7 5 度乃至更高的地区也能提供良好的覆盖。由于卫星数鼍多，星座经过优化，加上有3 颗热备份旱可用，系统可保证在有一颗卫星失效的情况下不会对j j 户产生明显影响。圈1 i 伽利略试验卫星g i o v e - a图l 一2 伽利略试验卫星g l o v e - e( 2 ) 地瓦段。伽利略系统地面段的主要任务是承担卫星的导航控制和星座管理，为用户提供系统完好性数据的检测结果，保障用户安全、可靠地使用伽利略系统提供的全部服务。伽利略系统将在欧洲设立两座伽利略控制中心( g c c ，g a l i l e o c o n t r o l c e n t e r ) ，以对卫星进行控制，并对导航任务进行管理。由4 0庠伽利略传感器站( g s s ，g a l i l e os e n s o rs t a t i o n ) 构成的一个全球网络所提供的数据将通过一冗余通信网传送给伽利略控制中心。控制中心将利用传感器站的数据来计算完好性信息，并对所有卫星和地面站时钟的时间信号进行同步。控制中心与卫星间的数据交换将通过所谓的上行站来完成为此将在全球各地建设5 座s 波段和1 0 座c 波段上行站。( 3 ) 用户段。伽利略系统用户段部分主要由导航定位模块和通讯模块组成，包括用与飞机、舰船、乍辆等载体的各种用户接收机。由于伽利略系统尚未建成，因而目前还没有商品化的用户设备即接收机推东南大学博十学位* j向市场。从伽利略系统提供的多种应用与服务的模式来考虑，其用户接收机的设汁和研制分为高、中、低三个档狄，低档接收机一般只接收伽利略系统的免赞单频信号：中档接收机可接收取频商业服务信号；而高档接收机计划可兼容g a l i l e o g p s g l o n a s s 系统的信号，从而获得更高的定位精度、保障导航和定位信息的可片j 性、完好性及连续性。目前，欧美g p s 接收机和g p s ，g l o n a s s 兼容接收机已经具有成熟的产品，g p s ，g l o n a s s 和接收机的成熟技术完全可以用于低、中档伽利略接收机。伽利略用户接收机需要解决的荧键技术主要是高档接收机的多频、多星座系统融台技术。1 _ 1 2 伽利略系统的信号与服务2 0 0 2 年9 月，信号- 作组( s i f ，s i g n a l t a s k f o r c e ) 公布了伽利略频率和信号设计的方案。伽剥略系统的导航信号将在四个频段“j _ 6 ；：e s a 、e 5 b 、e 6 和l l 频段上传送，其信号频率计划如翻1 - 3 所示。除丁用于搜寻救援服务的信号外，伽利略所使用的频率分布在三个频段上，即1 1 6 4 - - 1 2 i5 m t l z ( e 5 a 和e s b ，低l 频段) 、1 2 6 0 - - 1 3 0 0 m h z ( e 6 ，中l 频段) 和j 5 5 9 - 15 9 1 m h z ( e 2 - l 1 e 1 ，高l 频段) 。这些频段都属于无线电导航卫星服务( r n s s ) 的频段范围。为了保证伽利略和g p s 的兼窖性，简化g p s g a l i l e o 兼容接收机的设计，伽利略信号的e 2 l 1 e i 频段和g p s 信号的l 1 频段的中心频率相同，伽利略信号的e 5 a 频段和g p s 信号的l 5 频段重台。所有的伽利略卫星共享相同的载波频率，使用和g p s 类似的码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术来区* 4 不同的卫星，而不是g l o n a s s 使用的频分多址技术。o a l i j e o 信号的颇带是在无线电导航卫星服务( r n s s ，r a d i o n a v i g a t i o ns a l e l j i t e s e 川i c e s ) 舶指定频谱之内。此外，频带e 5 a 、e 5 b 、和l j 还被包括在航空无线电导航服务( a r n s ，a e r o n a u t i c a l r a d i o n a v i g a t i o ns e r v i c e s ) 的指定频谱之内。ia r n sb a n d s? 萝萝岁，岁?，岁岁拶?萝 l；_ 自日口k 口口m圉1 3 伽利略系统信号频率计划伽利略系统将能提供五种类型的服务”“，它们分别为：开放服务( o s ，o p e ns e r v i c e ) 是指用户无需授权便能得到的位置、速度和时间信息的服务。这项服务土要适用于大众消费市场，尤其是对于具有广矧市场前景的车载导航用户和移动电话用户。用户使用能接收伽利略信号的接收机便能在全球任何地方实现这种功能。生命安全黻务( s o l ，s a f eo f l i f e ) 是特别针对那些安全性要求相当高的用户而设计的。例如从事海运、航空和铁路运输的用户，团其作业的安全性和可拄性是与人们的生命和财产息息相关的，其应用和运营要求应该具备严格的规定和安全级别。生命安全服务可以同国际民航组织( i c a o ，i n t e r n a t i o n a lc i v i la v i a t i o n o r g a m z a t i o n ) 标准和推荐条款巾的“垂直制导方法”相比拟井提供完好性信息。商业服务( c s ，c o m m e r c es e r v i c e ) 是通过专业的商业服务信号发布井支持高精度定位应用的增值数一s一，_j i 一一blt_rls _ 1 s一_一n一_r一pl南 - - ij 夏_茚章绪论据并且允许专业应用的开发。负责系统部署、财务管理和运营计划的伽利略运营公司将通过市场调研，根据 f 在的应用市场来决定为每一种商业服务提供相对应的性能等级和服务保障。公共特许服务( p r s ，p u b l i c r e g u l a t e ds e r v i e e ) 只提供给要求更高保护级别的政府授权用户。公其特许服务信号是加密的，对该服务的访问将通过一个政府许可的安全密钥发送机制进行控制。公共特许服务是为欧洲，国家安全应用专门设置的，足特许的或关键的应用，以及具有战略意义的活动，其卫星信号更为可靠耐用，并受欧盟成员国控制。搜寻与救援服务( s a r s e a r c ha n d r e s c u es e r v i c e ) 是利用了现有的科斯帕斯萨尔萨特援救卫星系统，为需要紧急求助的用户提供快速救援，如图1 4 所示。为实现这一功能，每颓卫星要配备一台能把遇险信号从用户发射机发给救援协调中心以启动救援行动的转发器。同时该系统还能向用户发送信号，告知其所处险境己被探测到，以及救援工作已经展开。这项功能属于新技明，被认为是对现有系统的一项重大改进。现有系统不能向用户提供反馈信息。搜救组织中心任务控制中，t l ,图1 4 搜寻与救援服务流程1 1 3 伽利略系统的起源与发展( 1 ) 伽利略计划起源。全球卫星导航定位产业经过近二十年的迅猛技展，目前已经成为当令国际公认的八大无线电产业之一。卫星导航定位与授时已经在众多领域得到了r 泛的应用如航空航天、大地测量、野外勘探、交通运输、海上作业、土地资源管理及精密时间与频率传递等。但是，日前成熟的全球卫旱导航定位系统却只有美国的g p s 和俄罗斯的g l o n a s s 其中美国的g p s 以其技术优势和廉价的使用成本在全球卫星导航业务市场中处于绝对垄断地位，其相关产品和服务市场的年产值达9 0 亿美元。在欧洲各国，除了使用g p s 和g l o n a s s ，卫旱导航定位用户别无选择。然而在海湾战争和阿富汗战争期间欧洲使用的g p s 服务曾经受到限制，定位精度也有所下降。在科索沃战争中，美国还曾经单方面关闭过巴尔干地区的民用导航信号源。随着卫星导航定位系统应用范围的日益广泛如果用户无法获取持续不问断的导航与定位服务影响的就不仅仅是交通系统的效率甚至还将危及到人们的生命安全。为避免受制于他人，欧盟国家收心建造自己的卫星导航定位系统一伽剥略系统。早在上世纪九十年代初期，欧盟就已将自己建造卫星全球定位系统提上了议事日程。1 9 9 3 】9 9 4 年间欧洲联盟( e u ) 各国交通部长批准了统一的卫星导航策略，该策略认为应当建立国际控制下的民用导航卫星系统，现肯系统只能作为辅助导航手段。1 9 9 6 年7 月2 3 日，欧洲议会和欧盟交通部氏会议制定了有关建设欧洲联运交通网的共同纲领，首次提出了建立欧洲自主的定位和导航系统，这为日后伽利略计划的i f 台奠定了基础。1 9 9 8 年3 月1 7 同，欧盟交通部长会议通过了一篇名为建立了一个欧洲联运会定位和导航网：欧洲全球导航卫星系统( e g n o s ) 发展战略的报告，并委托欧洲委员会研究和拟定欧洲全球导航卫星系统发展计划。经过5 年的反复论证和分析评估欧盟3 - 1 9 9 9 年2 月l o 日在伽利略欧洲参与新一代卫星导航服务的报告中，首次提出了比较可行的欧洲全球卫星导航定能系统计划伽利略计划。东南大学博士学位论文此后，又分别于1 9 9 9 年4 月和6 月在德国举行的交通部长理事会正式会议上，对伽利略计划进行审议和裁定，并获得终审通过。当时公布的伽利略计划包括系统结构、导航服务、运营模式、国际合作、频率计划、安全性能、组织结构等7 个方面的内犁”j 。( 2 ) 伽利略计划出台。伽利略计划一经出台就受到来自政治和经济等多方因素的困扰。欧盟各国在系统研制经费等问题上一直存在分歧，同时还有技术上的困难及来自美国的压力，这使得伽利略计划的启动几经波折。2 0 0 0 年6 月，在世界无线电通信大会上，欧盟经过多方努力，终于获得了伽利略系统所需的l 频段频率资源，为伽利略计划的顺利实施创造了有利的条件。2 0 0 1 年4 月，在欧盟交通部长理事会上，确定伽利略计划总投资约为3 5 亿欧元，由欧盟、欧空局提供主要经费，其他费用由欧洲工业界和私人企业及投资商募集，系统建成后的运营费和维护费将由成立的运营公司承担。2 0 0 1 年1 1 月，欧空局决定拨款5 5 亿欧元用于伽利略计划的技术研发。2 0 0 2 年3 月2 6 日，欧盟1 5 个成员国的交通部长在布鲁塞尔召开交通部长理事会上表决通过为伽利略计划划拨4 5 亿欧元研究经费，伽利略计划正式启动。伽利略计划的总体实施方案分为四个阶段，在不同的阶段有不同的任务，如图1 5 所示。第一阶段( 1 9 9 9 年至2 0 0 1 年) ，伽利略系统定义阶段。主要论证系统的必要性与可行性，以及伽利略系统组成和实施措施的框架定义。第二阶段( 2 0 0 2 年至2 0 0 5 年) ，伽利略系统研制和在轨验证阶段。该阶段将完成系统的整体结构( 包括空间段、地面段以及应用段) 、卫星和地面设计，并最终确定系统的可行性。主要任务包括汇总任务需求、开发2 至4 颗卫星、地面部分设施建设以及系统在轨验证等。第三阶段( 2 0 0 6 年至2 0 0 7 年) ，伽利略系统部署阶段。主要任务是卫星的发射布网，地面站的架设，系统的整体联调。第四阶段( 从2 0 0 8 年开始) ，伽利略系统运行阶段。该阶段是商业运营和系统维护阶段，通过整个系统的业务运行与维护，向用户提供增值服务，实现独立运转。( 上述方案已经根据实际情况进行了调整)22 0 0 7 2 0 1 0图1 5 伽利略系统的实施方案( 3 ) 伽利略计划再遇波折。2 0 0 5 年1 2f 1 2 8 日伽利略计划首颗卫星( g l o v e - a ) 成功发射。2 0 0 6 年1月1 2 日欧洲地面站接收到该星发出导航信号。欧空局的报告显示，首颗星的设计目标全部实现，包括占频、星载铷钟检测、轨道环境测试、位置信号精度、与美 虱g p s 系统的兼容等。2 0 0 6 年1 月1 9 日，欧空局和伽利略工业公司签署了价值9 5 亿欧元的伽利略开发阶段的总合同( 包括4 颗卫星) 。这标志着i o v s u 程的正式启动。根据原方案，在伽利略系统的部署阶段只有三分之一的资金由欧盟公共资金承担，其余资金由8 家参4第一苹绪论与研发伽利略计划的欧盟重要企业组成的集团承担。然而，这8 家企业难以在2 0 0 7 年5 月1 0 日最后期限内达成组建统一管理伽利略计划的联合母公司协议，无法落实部分建设资金，使计划一再推迟。2 0 0 7 年6 月，欧盟委员会已决定全面接管伽利略系统，部署和运营阶段所需的投资将全部由欧洲公共财政承担，不再由私营企业分担巨大的风险。欧盟委员会提议从欧盟的农业补贴预算余款中提取2 4 亿欧元填补上述资金空缺。但是由于担心本国航天企业可能被排除在招标之外，遭到德国反对。欧盟委员会又提出伽利略计划建设阶段的项目合同分配方案，计划通过确保项目竞争过程中的公平性以消除有关方面的顾虑，德国没有再对方案提出异议。但在2 0 0 7 年1 1 月召开的欧盟交通部长理事会上，西班牙表示其有权像德国和意大利一样拥有伽利略系统的控制中心。欧盟部长理事会对方案进行了修改，部分满足了西班牙的要求，从而就伽利略计划最终部署方案达成一致。( 4 ) 伽利略计划突破重重阻碍。欧盟立法机构欧洲议会经过两天的讨论于2 0 0 8 年4 月2 3 日通过了伽利略全球卫星导航系统的最终部署方案，这标志着为期6 年的伽利略计划基础设施建设阶段正式启动。欧洲伽利略全球导航卫星系统的第二颗实验卫星g l o v e b 也于2 0 0 8 年4 月2 7 日在哈萨克斯坦的拜科努尔人造卫星发射基地成功发射，此时距第一颗实验卫星g l o v e a 发射时隔近3 年。根据最终部署方案，伽利略计划将重新划分两个阶段实施，且p 2 0 0 8 年至2 0 1 3 年的建设阶段和2 0 1 3 年以后的运行阶段。欧盟将在建设阶段出资3 4 亿欧元，用于完成伽利略计划的基础设施建设，其中包括3 0 颗卫星的发射。该计划的所有项目合同被分为地面基础设施、控制中心、卫星制造、发射装置、系统软件和其他任务共6 大类，供欧盟国家的公司竞标，任何一家公司不能成为超过两类合同的主承包商，而每种产品都必须有两家不同的供应商。方案要求欧盟的执行机构欧盟委员会确定严格的技术要求和措施，控制接触伽利略计划核心技术的人员数量，并对这些人的信息资料严格保密。欧盟各成员国须制定安全法规，统一标准，确保伽利略计划在建设和运行阶段核心技术的安全。( 5 ) 伽利略计划迎接美好未来。伽利略全球导航卫星系统建成后，可以与g p s 和g l o n a s s 系统相互兼容，提供更高精度和更为可靠的民用全球导航定位服务，使人们的生活更加安全、方便、快捷和舒适。同时还将为欧洲工业界和商界带来可观的经济效益。伽利略系统可为欧洲各界在卫星导航及衍生应用领域中获取无法比拟的竞争优势，而且其带来的尖端技术和强势经济也有利于增强欧洲在世界上的影响和吸引力。更重要的是欧盟将从此拥有自己的全球卫星定位系统，这不仅能够使欧洲在空间信息技术的发展和交通管理基础设施的建设等方面摆脱对美国和俄罗斯的依赖，打破美国g p s 系统的垄断地位，在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置，还可以为将来建设欧洲独立的军事防务体系创造有利条件。欧洲议会的伽利略计划总协调人帕塔基指出，伽利略计划是欧盟国家首次在太空和地面共同建设基础设施的战略计划，标