伽利略陷入全面“拉閘”狀態(tài),背后的原因是什么?

從北京時間2019年7月10日起，歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷等異常情況。

7月11日22時45分，歐洲GNSS服務(wù)中心發(fā)布公告，稱伽利略系統(tǒng)所有衛(wèi)星“服務(wù)降級”，導(dǎo)航信號可能不可用，正在盡快修復(fù)。

而就在7月14日凌晨4時15分，歐洲GNSS服務(wù)中心再次發(fā)布公告，宣布“用戶服務(wù)中斷”。

四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)之一的伽利略，陷入全面“拉閘”狀態(tài)。

罕見的故障

自1978年美國發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星以來，人類對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS, Global Navigation Satellite System）的建設(shè)已經(jīng)超過40年，形成了美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗和歐洲伽利略四大系統(tǒng)。雖然各系統(tǒng)的發(fā)展都不是一帆風(fēng)順，單星故障、服務(wù)不穩(wěn)定等小毛病不算少，但像伽利略系統(tǒng)這次的全局服務(wù)中斷故障，著實罕見。

四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的實時星下點位置，其中已無代表伽利略的綠色圓點 | 圖片來源@國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)

伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星工作狀態(tài)，可見已全部掉線 |圖片來源@國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)

其實，從7月10日開始，由我國建設(shè)運行的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）就已經(jīng)記錄到伽利略系統(tǒng)的信號異常：

7月10日伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星工作狀態(tài)|圖片來源@國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)

7月11日伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星工作狀態(tài)|圖片來源@國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)

從10日和11日的衛(wèi)星工作狀態(tài)圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，伽利略系統(tǒng)中的所有衛(wèi)星都出現(xiàn)了步調(diào)一致的“掉線”，如果是衛(wèi)星自身的問題，一般不會多顆星同時出現(xiàn)故障，并且故障發(fā)生時間完全一致，因此初步判斷問題出在地面系統(tǒng)。

根據(jù)慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)退休教授、前歐空局GNSS發(fā)展計劃負(fù)責(zé)人Günter W. Hein的說法，伽利略系統(tǒng)的故障是由位于意大利富齊諾控制中心的精密定時裝置（PTF, Precise Timing Facility）引起的。

和其他全球定位系統(tǒng)一樣，伽利略系統(tǒng)也由衛(wèi)星和地面設(shè)備組成，建成后的伽利略系統(tǒng)將有30顆衛(wèi)星在距地面2.3萬千米的三個軌道面上運行。

伽利略系統(tǒng)星座示意圖 | 圖片來源@ESA

地面部分則由2個地面控制中心、6個測控站和多個數(shù)據(jù)上傳站等組成，這次出現(xiàn)問題的精密定時裝置就是屬于富齊諾控制中心的地面任務(wù)段。

精密定時裝置的核心是一個氫原子鐘和多個銫鐘，能夠生成高精度、高穩(wěn)定度的時間數(shù)據(jù)（伽利略系統(tǒng)時間GST），能夠?qū)π巧?a href="http://ttokpm.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘進行校準(zhǔn)，以實現(xiàn)高精度定位。

精密定時裝置（PTF）框圖 | 圖片來源@參考文獻[2]

奇怪的沉默

在伽利略系統(tǒng)由信號異常到服務(wù)完全中斷的過程中，由我國建設(shè)運行的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）全程保持監(jiān)測，并持續(xù)對國內(nèi)外用戶提供數(shù)據(jù)。

iGMAS是全球第一個涵蓋四大導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)測平臺，也是我國第一個在聯(lián)合國框架下發(fā)起并主導(dǎo)的科學(xué)工程。iGMAS的跟蹤站遍布全球，包括8個國內(nèi)站、14個海外站，甚至在北極的黃河站和南極的中山站也設(shè)有跟蹤站，能夠在全球范圍內(nèi)對四大導(dǎo)航系統(tǒng)的信號進行接收測量，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估。全球用戶可以通過iGMAS網(wǎng)站（www.igmas.org）獲得免費的四大導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測評估數(shù)據(jù)。

iGMAS南北極跟蹤站 | 圖片來源@iGMAS

根據(jù)一些專業(yè)GNSS網(wǎng)站的消息透露，工程師正在加班加點維修伽利略系統(tǒng)，預(yù)計服務(wù)將會在周末（7月13日到14日）恢復(fù)。

然而令人疑惑的是，在伽利略系統(tǒng)全面“拉閘”的幾天里，公認(rèn)的“西方主流媒體”并沒有什么動靜。

也許是CNN、BBC等西方主流媒體對歐洲的全球?qū)Ш较到y(tǒng)宕機漠不關(guān)心？或者他們對歐洲的寬容度更高，選擇為***？

只是不知道如果宕機的是中國的北斗系統(tǒng)，他們又會作何反應(yīng)。

不過，想要北斗出現(xiàn)這種全系統(tǒng)掉線的情況，還真是有點困難的，這都源于一項北斗擁有，GPS也有，GLONASS都有，就伽利略沒有的技術(shù)——星間鏈路。

缺少的技術(shù)

其實星間鏈路技術(shù)在北斗系統(tǒng)的應(yīng)用，多少和歷史有關(guān)。

全球?qū)Ш较到y(tǒng)包含數(shù)十顆衛(wèi)星，衛(wèi)星飛出國土范圍后的測控很成問題——衛(wèi)星上的遙測數(shù)據(jù)下不了，地面的遙控指令上不去。所以我們能看到遠(yuǎn)望號航天測控船隊經(jīng)常遠(yuǎn)航太平洋，為發(fā)射提供測控服務(wù)。

遠(yuǎn)望七號 | 圖片來源見水印

對于英法美等老牌殖民主義國家而言，遍布全球的殖民地為設(shè)立測控站提供了諸多便捷，而我國建設(shè)的海外測控站則面臨所在國政治局勢的影響，始終存在風(fēng)險。

20世紀(jì)90年代，我國在太平洋島國基里巴斯建設(shè)了海外測控站，但2003年11月，基里巴斯當(dāng)局背信棄義，與***當(dāng)局建立所謂“外交關(guān)系”，基里巴斯測控站也遭受了重大挫折。

嚴(yán)峻的局勢對北斗全球定位系統(tǒng)提出了更高的要求：北斗衛(wèi)星不依賴境外測控站，就能完成對系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星的測控。

而星間鏈路技術(shù)，是我們最好的選擇。

星間鏈路示意圖 | 圖片來源@中國空間技術(shù)研究院

實際上，星間鏈路不光能傳輸數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)衛(wèi)星之間的精密測距和校時，并以此自主計算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng)。就算我國境內(nèi)的地面站遭受攻擊完全停止工作，依靠高精度的星間測距，北斗星座還能自主運行數(shù)月時間。

反觀伽利略系統(tǒng)，因為沒有星間鏈路，衛(wèi)星只好“各自為戰(zhàn)”，在地面站出現(xiàn)問題時，整個星座因為缺乏自主運行能力而陷入癱瘓，地面設(shè)施一天不恢復(fù)正常，伽利略系統(tǒng)也就一天不能重啟，用戶們也就要苦苦等待。

北斗衛(wèi)星搭載的是Ka波段相控陣天線，相比于GPS搭載的UHF波段鏈路和GLONASS搭載的S波段鏈路，技術(shù)更先進，傳輸速率更快，同時對波束的指向性要求也更高。Ka波段星間鏈路技術(shù)的突破，不僅是北斗系統(tǒng)向世界頂級導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)邁進的重要一步，更為未來通信、導(dǎo)航、遙感一體化技術(shù)埋下了意味深長的伏筆。

通導(dǎo)遙一體化場景 | 圖片來源@參考文獻[5]

平心而論，以十幾年前英法德意西歐國家的技術(shù)實力，完全可以做出比現(xiàn)在更好的導(dǎo)航系統(tǒng)，但伽利略系統(tǒng)從誕生之日起，就伴隨著爭吵與妥協(xié)，現(xiàn)在的樣子只能算是各參與國的“最大公約數(shù)”。盡管到7月15日為止，西方主流媒體有意或無意地放過了這次事故，沒有造成更大的輿論影響，但這次宕機對尚未完全建成的伽利略系統(tǒng)是否會帶來消極影響，依然值得觀察。

作為伽利略項目曾經(jīng)的參與方與投資方，中國用北斗系統(tǒng)再次證明了自力更生在核心技術(shù)領(lǐng)域的重要性，有些東西是等不了、靠不住、要不來的。北斗系統(tǒng)的故事，值得我們細(xì)細(xì)品味，“北斗人”的精神，值得與每一位有志于為祖國突破尖端科技貢獻力量的朋友共勉。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) | 圖片來源@北斗系統(tǒng)官網(wǎng)