伽利略陷入全面“拉閘”狀態(tài),背后的原因是什么?

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

7月11日22時(shí)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(jí)”，導(dǎo)航信號(hào)可能不可用，正在盡快修復(fù)。

而就在7月14日凌晨4時(shí)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(jiàn)的故障

自1978年美國(guó)發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星以來(lái)，人類對(duì)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(guò)40年，形成了美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、中國(guó)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(shí)罕見(jiàn)。

四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的實(shí)時(shí)星下點(diǎn)位置，其中已無(wú)代表伽利略的綠色圓點(diǎn) | 圖片來(lái)源@國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)

伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星工作狀態(tài)，可見(jiàn)已全部掉線 |圖片來(lái)源@國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)

其實(shí)，從7月10日開(kāi)始，由我國(guó)建設(shè)運(yùn)行的國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)（iGMAS）就已經(jīng)記錄到伽利略系統(tǒng)的信號(hào)異常：

7月10日伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星工作狀態(tài)|圖片來(lái)源@國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)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(lái)源@國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)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(wèn)題，一般不會(huì)多顆星同時(shí)出現(xiàn)故障，并且故障發(fā)生時(shí)間完全一致，因此初步判斷問(wèn)題出在地面系統(tǒng)。

根據(jù)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)退休教授、前歐空局GNSS發(fā)展計(jì)劃負(fù)責(zé)人Günter W. Hein的說(shuō)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(shí)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(wàn)千米的三個(gè)軌道面上運(yùn)行。

伽利略系統(tǒng)星座示意圖 | 圖片來(lái)源@ESA

地面部分則由2個(gè)地面控制中心、6個(gè)測(cè)控站和多個(gè)數(shù)據(jù)上傳站等組成，這次出現(xiàn)問(wèn)題的精密定時(shí)裝置就是屬于富齊諾控制中心的地面任務(wù)段。

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

精密定時(shí)裝置（PTF）框圖 | 圖片來(lái)源@參考文獻(xiàn)[2]

奇怪的沉默

在伽利略系統(tǒng)由信號(hào)異常到服務(wù)完全中斷的過(guò)程中，由我國(guó)建設(shè)運(yùn)行的國(guó)際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)（iGMAS）全程保持監(jiān)測(cè)，并持續(xù)對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶提供數(shù)據(jù)。

iGMAS是全球第一個(gè)涵蓋四大導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，也是我國(guó)第一個(gè)在聯(lián)合國(guó)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(gè)國(guó)內(nèi)站、14個(gè)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(duì)四大導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行接收測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。全球用戶可以通過(guò)iGMAS網(wǎng)站（www.igmas.org）獲得免費(fèi)的四大導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)。

iGMAS南北極跟蹤站 | 圖片來(lái)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(diǎn)維修伽利略系統(tǒng)，預(yù)計(jì)服務(wù)將會(huì)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(méi)有什么動(dòng)靜。

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

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

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

缺少的技術(shù)

其實(shí)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(guó)土范圍后的測(cè)控很成問(wèn)題——衛(wèi)星上的遙測(cè)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(hào)航天測(cè)控船隊(duì)經(jīng)常遠(yuǎn)航太平洋，為發(fā)射提供測(cè)控服務(wù)。

遠(yuǎn)望七號(hào) | 圖片來(lái)源見(jiàn)水印

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

20世紀(jì)90年代，我國(guó)在太平洋島國(guó)基里巴斯建設(shè)了海外測(cè)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(cè)控站也遭受了重大挫折。

嚴(yán)峻的局勢(shì)對(duì)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(cè)控站，就能完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星的測(cè)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(lái)源@中國(guó)空間技術(shù)研究院

實(shí)際上，星間鏈路不光能傳輸數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的精密測(cè)距和校時(shí)，并以此自主計(jì)算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時(shí)鐘系統(tǒng)。就算我國(guó)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(cè)距，北斗星座還能自主運(yùn)行數(shù)月時(shí)間。

反觀伽利略系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有星間鏈路，衛(wèi)星只好“各自為戰(zhàn)”，在地面站出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，整個(gè)星座因?yàn)槿狈ψ灾鬟\(yùn)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(jìn)，傳輸速率更快，同時(shí)對(duì)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(jí)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)邁進(jìn)的重要一步，更為未來(lái)通信、導(dǎo)航、遙感一體化技術(shù)埋下了意味深長(zhǎng)的伏筆。

通導(dǎo)遙一體化場(chǎng)景 | 圖片來(lái)源@參考文獻(xiàn)[5]

平心而論，以十幾年前英法德意西歐國(guó)家的技術(shù)實(shí)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(zhēng)吵與妥協(xié)，現(xiàn)在的樣子只能算是各參與國(guó)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(wú)意地放過(guò)了這次事故，沒(méi)有造成更大的輿論影響，但這次宕機(jī)對(duì)尚未完全建成的伽利略系統(tǒng)是否會(huì)帶來(lái)消極影響，依然值得觀察。

作為伽利略項(xiàng)目曾經(jīng)的參與方與投資方，中國(guó)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(lái)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(guó)突破尖端科技貢獻(xiàn)力量的朋友共勉。

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