石豪：伽利略系統“拉閘”，也許要從缺少這個技術説起
【文/ 觀察者網專欄作者 石豪】
從北京時間2019年7月10日起，歐洲伽利略衞星導航系統開始出現數據中斷等異常情況。
7月11日22時45分，歐洲GNSS服務中心發佈公告，稱伽利略系統所有衞星“服務降級”，導航信號可能不可用，正在儘快修復。
而就在7月14日凌晨4時15分，歐洲GNSS服務中心再次發佈公告，宣佈“用户服務中斷”。
四大全球導航系統之一的伽利略，陷入全面“拉閘”狀態。
罕見的故障
自1978年美國發射第一顆GPS衞星以來，人類對全球導航衞星系統（GNSS, Global Navigation Satellite System）的建設已經超過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。雖然各系統的發展都不是一帆風順，單星故障、服務不穩定等小毛病不算少，但像伽利略系統這次的全局服務中斷故障，着實罕見。
四大全球導航系統的實時星下點位置，其中已無代表伽利略的綠色圓點 | 圖片來源@國際GNSS監測評估系統
伽利略系統衞星工作狀態，可見已全部掉線 |圖片來源@國際GNSS監測評估系統
其實，從7月10日開始，由我國建設運行的國際GNSS監測評估系統（iGMAS）就已經記錄到伽利略系統的信號異常：
7月10日伽利略系統衞星工作狀態|圖片來源@國際GNSS監測評估系統
7月11日伽利略系統衞星工作狀態|圖片來源@國際GNSS監測評估系統
從10日和11日的衞星工作狀態圖中我們不難發現，伽利略系統中的所有衞星都出現了步調一致的“掉線”，如果是衞星自身的問題，一般不會多顆星同時出現故障，並且故障發生時間完全一致，因此初步判斷問題出在地面系統。
根據慕尼黑聯邦國防軍大學退休教授、前歐空局GNSS發展計劃負責人Günter W. Hein的説法，伽利略系統的故障是由位於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一樣，伽利略系統也由衞星和地面設備組成，建成後的伽利略系統將有30顆衞星在距地面2.3萬千米的三個軌道面上運行。
伽利略系統星座示意圖 | 圖片來源@ESA
地面部分則由2個地面控制中心、6個測控站和多個數據上傳站等組成，這次出現問題的精密定時裝置就是屬於富齊諾控制中心的地面任務段。
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、高穩定度的時間數據（伽利略系統時間GST），能夠對星上時鐘進行校準，以實現高精度定位。
精密定時裝置（PTF）框圖 | 圖片來源@參考文獻[2]
奇怪的沉默
在伽利略系統由信號異常到服務完全中斷的過程中，由我國建設運行的國際GNSS監測評估系統（iGMAS）全程保持監測，並持續對國內外用户提供數據。
iGMAS是全球第一個涵蓋四大導航系統的監測平台，也是我國第一個在聯合國框架下發起並主導的科學工程。iGMAS的跟蹤站遍佈全球，包括8個國內站、14個海外站，甚至在北極的黃河站和南極的中山站也設有跟蹤站，能夠在全球範圍內對四大導航系統的信號進行接收測量，對數據質量進行評估。全球用户可以通過iGMAS網站（www.igmas.org）獲得免費的四大導航系統監測評估數據。
iGMAS南北極跟蹤站 | 圖片來源@iGMAS
根據一些專業GNSS網站的消息透露，工程師正在加班加點維修伽利略系統，預計服務將會在週末（7月13日到14日）恢復。
然而令人疑惑的是，在伽利略系統全面“拉閘”的幾天裏，公認的“西方主流媒體”並沒有什麼動靜。
【作者注：在本文完稿後，直到北京時間7月15日早上7點，BBC終於報道了此事。從伽利略官方首次發佈異常公告到BBC報道，超過80小時，即使從官方宣佈全面“拉閘”算起，也隔了超過一天。實際上從北京時間7月12日5時50分起，伽利略系統已徹底中斷服務，如果從這個時間點算起，“瞞報”時間近兩天。】
也許是CNN、BBC等西方主流媒體對歐洲的全球導航系統宕機漠不關心？或者他們對歐洲的寬容度更高，選擇為尊者諱？
只是不知道如果宕機的是中國的北斗系統，他們又會作何反應。
不過，想要北斗出現這種全系統掉線的情況，還真是有點困難的，這都源於一項北斗擁有，GPS也有，GLONASS都有，就伽利略沒有的技術——星間鏈路。
缺少的技術
其實星間鏈路技術在北斗系統的應用，多少和歷史有關。
全球導航系統包含數十顆衞星，衞星飛出國土範圍後的測控很成問題——衞星上的遙測數據下不了，地面的遙控指令上不去。所以我們能看到遠望號航天測控船隊經常遠航太平洋，為發射提供測控服務。
遠望七號 | 圖片來源見水印
對於英法美等老牌殖民主義國家而言，遍佈全球的殖民地為設立測控站提供了諸多便捷，而我國建設的海外測控站則面臨所在國政治局勢的影響，始終存在風險。
20世紀90年代，我國在太平洋島國基里巴斯建設了海外測控站，但2003年11月，基里巴斯當局背信棄義，與台灣當局建立所謂“外交關係”，基里巴斯測控站也遭受了重大挫折。
嚴峻的局勢對北斗全球定位系統提出了更高的要求：北斗衞星不依賴境外測控站，就能完成對系統內衞星的測控。
而星間鏈路技術，是我們最好的選擇。
星間鏈路示意圖 | 圖片來源@中國空間技術研究院
實際上，星間鏈路不光能傳輸數據，還能實現衞星之間的精密測距和校時，並以此自主計算並修正衞星的軌道位置和時鐘系統。就算我國境內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月時間。
反觀伽利略系統，因為沒有星間鏈路，衞星只好“各自為戰”，在地面站出現問題時，整個星座因為缺乏自主運行能力而陷入癱瘓，地面設施一天不恢復正常，伽利略系統也就一天不能重啓，用户們也就要苦苦等待。
北斗衞星搭載的是Ka波段相控陣天線，相比於GPS搭載的UHF波段鏈路和GLONASS搭載的S波段鏈路，技術更先進，傳輸速率更快，同時對波束的指向性要求也更高。Ka波段星間鏈路技術的突破，不僅是北斗系統向世界頂級導航衞星系統邁進的重要一步，更為未來通信、導航、遙感一體化技術埋下了意味深長的伏筆。
通導遙一體化場景 | 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實力，完全可以做出比現在更好的導航系統，但伽利略系統從誕生之日起，就伴隨着爭吵與妥協，現在的樣子只能算是各參與國的“最大公約數”。儘管到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是否會帶來消極影響，依然值得觀察。
作為伽利略項目曾經的參與方與投資方，中國用北斗系統再次證明了自力更生在核心技術領域的重要性，有些東西是等不了、靠不住、要不來的。北斗系統的故事，值得我們細細品味，“北斗人”的精神，值得與每一位有志於為祖國突破尖端科技貢獻力量的朋友共勉。
北斗衞星導航系統 | 圖片來源@北斗系統官網
參考文獻
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