伽利略系统 [“伽利略”的江湖时代]

　　2008年4月27日，俄罗斯“联盟”号运载火箭再次将欧洲“伽利略”全球卫星导航系统(简称“伽利略”计划)中的第二颗实验卫星(GIOVE-B)送入预定轨道。在经历了种种技术和政治的磨难后，“伽利略”计划进入了发展的快车道。有些媒体因此断言GPS的战国时代已经来临。那么，这次杀入导航定位“江湖”的“伽利略”系统是什么来龙去脉呢?
　　
　　杀入江湖――“伽利略”计划的发展
　　
　　欧洲“伽利略”计划虽然提出很早，但其实质性发展也只是近几年的事情，发展的整个过程就是一场技术、经济和政治的博弈。
　　计划提出 1991年的海湾战争让参加联军作战的欧洲国家感受到了美国GPS在高技术战争中的神奇作用，为此欧洲安全航行局、欧盟和欧空局(ESA)在1994年1月联合提出了一项名为CNSS的欧洲自主全球卫星导航系统方案。该方案分为两个阶段实施，第一阶段是在欧洲区域内对美国GPS和俄罗斯GLONASS的功能进行增强，被称为“欧洲静止轨道导航重叠服务”(EGNOS)。第二阶段才是独立开发的“伽利略”计划，最初也是仿效美国GPS系统建立21+3的卫星结构，即21颗工作星和3颗备份星，但考虑到对北欧国家的信号覆盖问题，最终确定了现在的27+3的卫星结构，
　　1999年的科索沃战争再次让欧洲看到了GPS在超视距、远程打击中的威力，“伽利略”计划也得以加速。新的方案在科索沃战争当年提出，预计耗资38亿欧元。但由于耗资巨大，关于资金分配问题在欧盟成员国内部引起激烈争论。经过多方协调，欧盟于2002年正式批准该计划，并确定建设阶段的1／3经费由欧盟公共资金承担，其余由8家参与研发的欧盟重要企业组成的集团承担，最终建立一个超越美国GPS系统的卫星导航系统。经过两年的联合开发，2004年底，欧盟批准了实际部署“伽利略”系统，计划2008年投入使用。但该计划从一开始就被美国视为眼中钉，从技术和政治上不断向欧盟施压，使“伽利略”计划险些夭折。
　　一波三折克林顿在位时，美国政府对“伽利略”计划不断施压，称欧洲搞“伽利略”计划纯属多余，不如把钱用在提高欧洲落后的防卫能力上。美国还鼓动英国、荷兰等国在资金、用途等问题上进行纠缠，导致“伽利略”计划一再推迟实施。同时，由于“伽利略”计划使用的无线电频率与新一代GPS频率重叠，因此美国在2000年就强烈反对该计划，这一问题不得不提交当年的世界无线电通讯会议讨论，最后双方共同让步，才达成了现在“伽利略”系统的波段规范。但以后由于欧盟成员国内部对“伽利略”计划的利益分配存在分歧，所以具体部署情况一直难以达成协议，使测试计划一拖再拖。最后由于2006年是世界无线电通讯会议规定的该频段的最后启用时限，欧盟才在2005年12月发射了“伽利略”系统的第一颗实验卫星GIOVE-A，用于占用、测试国际电信联盟批准的通信频率。
　　但欧盟内部的分歧并未解决。按照原计划规定，如果2007年5月10日前还无法达成组建统一管理协议，无法落实建设资金，该计划将重新讨论。为此，欧盟委员会决定从欧盟农业补贴预算余款中提取24亿欧元填补空缺。此后由于德国担心自己的航天企业被排除在招标之外、西班牙担心本国不设立卫星控制中心，继续反对。最终欧盟委员会不得不一再修改部署方案，才使该计划在欧盟内部达成一致，使几乎胎死腹中的“伽利略”计划获得重生，但这已经使计划推迟了1年多。
　　
　　全面复兴 实际上，面对紧迫形势和激烈的国际市场竞争，欧盟各国早已迫不及待了。德国总理默克尔和法国总统萨科齐在2007年11月的会晤中强调了“伽利略”计划作为欧洲战略计划的重要性，并表示愿意继续推动该计划。在这两国的努力下，欧盟所有27个成员国很快就“伽利略”计划的项目合同分配方案达成一致，为计划的重启扫除了障碍。2008年4月23日，欧盟立法机构欧洲议会经过两天的讨论通过了“伽利略”计划的最终部署方案。
　　根据最终部署方案，“伽利略”计划将分两个阶段实施，即2008-2013年的建设阶段和2013年以后的运行阶段。欧盟将在建设阶段出资34亿欧元，用于完成“伽利略”计划的基础设施建设，其中包括30颗卫星的发射。该计划的所有项目合同分为地面基础设施、控制中心、卫星制造、发射装置、系统软件和其它任务六大类，供欧盟国家的公司竞标。其中地面控制中心分别建在西班牙、德国和意大利境内。
　　
　　江湖前辈――全球卫星导航系统现状
　　
　　目前，卫星导航已经成为太空、IT和军事科技发展的重点，许多国家和组织都在建立和完善自己的卫星导航系统。目前除欧洲“伽利略”和美国的GPS外，俄罗斯也正在全面恢复苏联遗留的GLONASS系统，中国和日本等国也在建设自主的卫星导航系统。
　　江湖大哥――美国GPS现在应用的GPS是第二代，美国在1994年全面建成。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户接收设备三部分组成。空间部分由21颗GPS卫星和3颖备份卫星组成，轨道高度约20200千米，分布在互隔60度的轨道面上，在地球上的任何地点、任何时间，都可以同时收到4颗星的信号，定位精度约为10米。GPS卫星在设计中能发送两种不同的信号：精码即P码，用于为授权使用的军方用户提供精密定位服务；粗码即C／A码，用于为民用用户提供标准定位服务。C／A码比P码的精度低，易受干扰，但易于捕获，所以军用接收机也先接收此码，然后再转接P码。美军方以前采用SA技术干扰措施，降低C／A码精度。2000年5月1日美国终止了这一做法，使民用用户定位精度从100米提高到了6-12米，但美国随时可恢复干扰。目前，美国防部正在开发新的GPS技术，提高抗干扰能力的同时，将定位精度提高到1米以下。
　　江湖隐士――俄罗斯GLONASS俄罗斯继承了苏联时代的GLONASS系统，于1995年完成组建，也由24颗卫星组成，分布在3个轨道面上。其民码定位精度优于100米，军码定位精度略低于GPS。近几年由于俄罗斯经济状况恶化，卫星老化并且没有及时完成新老更替，无法发挥导航功能。按照设计，该系统卫星达到18颗时，才能发挥功能：当卫星总数达24颗时，可覆盖整个地球表面和近地空间。但目前该系统大致只有13颗星，而且大部分是1999年以后发射的，使在轨卫星的数量无法满足独立组网的要求。2005年12月，普京下令要求GLONASS系统在2008年前准备就绪。为此，俄罗斯已经加快了卫星部署步伐。俄联邦航天局副主任在2007年5月宣称，GLONASS系统将在2009年恢复到24颗的水平，并取消军用和民用的区别，在2011年达到GPS的1米精度水平。
　　江湖新锐――中国“北斗” “北斗”系统是中国自主开发的区域型导航系统，又称“双星定位系统”，共由3颗卫星组成，其中2颗为工作星，1颗为备用星，于2000年和2003年依 次发射成功。工作星为两颗距离地球36000千米的地球同步静止轨道卫星(一般由静止轨道通信卫星兼任)，地面用户发射询问信号后，经由卫星转发到地面站。由于地面站与两颗卫星间的位置和距离是固定的，因此可以利用两星接收用户无线电波的时间差来确定其平面位置，由地面站解算，并经卫星再转发给用户。这是全球目前所有导航系统中唯一使用应答方式的系统。虽然这种方式终端设备体积大、易受干扰、易暴露目标、通信容量有限、应用区域有限，但也具有成本低、位置报告能力强等优势，在野外救援中十分有效，，因为其定位与通信功能一体，在救援中只要发出信号，外界就可以知道其位置，并可利用简单的通信功能报告情况。
　　此外，日本也一直试图发展本国的区域性卫星导航定位系统，提出了3颗静止卫星加3颗倾角同步轨道卫星的“3+3”导航方案。
　　
　　江湖亮相――“伽利略”计划的特点
　　
　　根据欧盟的公布，“伽利略”系统由30颗中高度圆轨道卫星组成，其中27颗为工作星，3颗为候补星，轨道高度为24126千米，位于3个倾角为56度的轨道平面内，每个轨道面部署9颗工作星和1颗备用星(题图)，定位精度小于l米，即使免费信号精度也能达到6米。
　　定位精度高从系统构成来看，“伽利略”系统比GPS和GLONASS多出近30％的工作星，这使其工作更加可靠，而且多一次参数校正。此外，由于“伽利略”系统使用频率高于GPS和GLONASS，因此定位更加精细。
　　从设计目标来看，“伽利略”为地面用户提供有3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密目需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米，负责卫星研制的戴姆勒一克莱斯勒研究和科技中心的克里斯托・威尔逊主任公开承诺：“精确性和安全性对‘伽利略’系统来说将不是问题，我们的定位要精确到厘米。”与GPS相比，这两种系统之间存在巨大的差异。“伽利略”确定地面位置或近地空间位置要比CPS精确lO倍。如GPS只能找到街道，而“伽利略”系统能找到车库门而且如果卫星失灵，系统会在几秒钟之内发出警报。这些都是目前GPS和GLONASS等系统所不具备的。
　　
　　系统兼容性好“伽利略”系统作为后来者，将加强与已有导航系统的兼容性。2004年2月，欧盟与美国就“伽利略”系统与GPS的合作问题达成了总体性的原则协议，使两套系统相互具有可兼容性，双方还承诺在卫星导航产品和服务方面实行“非歧视性原则”，不限制最终用户使用各自的公共服务信号。也就是说，“伽利略”系统的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求，因此可与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。欧盟负责运输与能源的高级官员帕拉齐欧指出：“我们认为多一套系统对美国人来说也是好消息，一旦GPS系统遇袭，他们还可依靠欧盟的‘伽利略’系统。”欧洲航空航天局发言人弗朗科・伯纳西那表示，届时，人们在“伽利略”和美国GPS之间转换就像更换手机网络一样容易。
　　设备抗干扰性强 “伽利略”系统采用了较高的发射频段和较大的发射功率，因此具有较强的抗干扰能力。这一频率范围与美国计划在新一代GPS卫星中推广的所谓M代码部分重合，信号增益比GPS发射机当前采用的增益要高得多，因此具有良好的抗干扰性。美国与欧盟就“伽利略”系统的使用频率进行了多次磋商，最后双方都作出妥协，欧盟将“伽利略”所分配的频段略加限制，而美国也让出部分GPS频段，在确保两系统兼容性的同时，保证了“伽利略”系统的抗干扰能力。
　　卫星覆盖范围大由于美国大部分地区纬度不高，其设计的GPS系统与俄罗斯GLONASS系统相比，在北极圈内等高纬度地区的信号覆盖情况并不理想。而许多北欧国家纬度较高，甚至地处最需要定位导航的北极圈内，因此为保证高纬度地区的信号稳定性，“伽利略”增加了工作星的个数，将轨道设计在24126千米，比GPS的轨道高出约4 000千米，在保证地球大部分地区定位精度的同时，也确保了卫星较大的覆盖范围，即使在高纬度地区也能正常使用。
　　适用范围广 “伽利略”系统是现有导航系统中唯一由民闻组织发起建设的，不像GPS、GLONASS等从一开始就是由军方发展，并以军用为主，而且它由多个国家和组织共同开发，从一开始就考虑到了各方面的使用。目前除欧盟成员国外，中国、印度等多个国家都积极参与该系统的建设与发展，因此它在正式投入运行前就已经为将来的广泛应用奠定了基础。可以预见的是，它会成为世界地理信息交流的全球性平台和技术标准，而且其终端机等设备的推广使用也将先天优于其它系统。
　　建设用期短从建设方案来看，“伽利略”系统在目前的全球性导航系统中的建设周期是最短的。美国的GPS系统从上世纪70年代初到90年代中期用了20多年时间，俄罗斯的GLONASS系统建设时间更长，至今仍无法使用，而“伽利略”系统如果按计划实施，将只用10年左右的时间即投入运行，而且性能要优于前期系统。这主要得益于“伽利略”计划采用了“公私伙伴合作”的开放发展模式。“公私伙伴合作”是指在发展前期，前景不明朗，风险较大，因此由政府或组织提供发展资金，占到总资金的1／3，例如欧盟和欧洲空间管理局在开发前期各出资5.5亿欧元，而在发展中后期所需的2／3资金由企业通过其它方式进行融资。美国GPS由于是出于军事目的，所以20年花费的200亿美元资金全部由政府投入，这成为其发展缓慢的一个重要原因，而且新的合作方式使企业承担了未来的大部分风险，更好地调动了企业积极性。
　　
　　江湖的雄心与无奈――“伽利略”计划的动因分析
　　
　　在已经拥有GPS的前提下，欧洲为什么还要不遗余力地发展“伽利略”系统呢?这其中既有欧洲要继续保持信息革命先锋的雄心，也有着“寄人篱下”的无奈。
　　加强欧洲防务自主能力二战后，欧洲一直处于美国的军事保护之中，这直接影响了欧洲国家的政治独立。欧盟成立后，始终强调欧洲的政治独立，于是摆脱美国军事保护伞的阴影成为欧盟追求的目标之一。科索沃战争中，美国就曾关闭了GPS信号，造成整个巴尔干地区都无法收到信号，因为他们担心塞尔维亚的防空系统利用该信号操控导弹，毗邻的奥地利就受到了波及。因此，许多非军事用户不敢在对安全有很高要求的领域内(如飞机)使用GPS导航，而更加看好“伽利略”卫星导航系统。尽管“伽利略”计划是民用卫星导航服务，但该项计划完成后，将使欧洲赢得建立欧洲共同安全防务体系的条件。“伽利略”计划最初也含有军事上的用途，这点曾在欧盟内部引起很大分歧。法国、德国等主张保留该系统在军事上使用的潜在能力，英国、荷兰等惧怕美国的压力，极力主张使“伽利略”计划完全民用化。经过反复磋商，欧盟最后对外称“伽利略”系统将是 一个民用系统，将提供三种卫星导航信息服务，其中第三种就是为欧洲各国公安、反恐、情报等部门使用的“公共特许服务”，这隐藏有巨大的军事应用潜力。
　　欧盟委员会主席普罗迪在“伽利略”计划启动时曾说，这是事关欧洲前途的大事，是一场垄断与反垄断的斗争，是一场涉及政治、经济、军事和国家利益的外交斗争。它给欧洲人带来的自豪感，决不亚于“空中客车”飞机和“阿丽亚娜”火箭，法国总统希拉克批驳美国说，放弃“伽利略”计划则意味着“接受欧洲在太空沦为美国附庸的悲惨现状”。
　　打破技术垄断，占领高科技领先地位“伽利略”计划是近年来欧洲多国共同发展的最大的高技术项目之一，因此是欧洲国家占领高科技领先地位的重要途径。英国《卫报》在“伽利略”实验卫星发射成功后评论称，欧洲与美国间的空间竞赛已经开始，欧洲将因此走向“空间技术独立”。由于欧洲国家目前普遍使用的GPS系统以军用为主，美国随时能以“军事”原因切断卫星信号，这无疑让目前还依赖美国这一技术的欧洲国家不满，成为欧洲国家一致同意发展“伽利略”系统的重要原因。此外，由于“伽利略”计划由多个国家的众多企业参与，将在新的领域辐射出许多信息技术增长点，从而带动这些国家的高科技发展。英国《独立报》对此评论称，有鉴于“伽利略”系统的优势与压力，美国已经开始着手研究下一代GPS系统。
　　
　　现有GPS存在弱点，需要开发自主系统全球定位系统的市场巨大，但由于公开的民用系统的精度远远不能满足人们的需要，因此科学家对美国GPS系统进行了多年分析、研究，已基本掌握了GPS技术。一些国家利用一种称作“差分GPS”的辅助设备与民用接收器相结合，对干扰进行修正，可大幅提高信号精度，这一技术已经被美国禁止出口加密GPS设备的国家广泛应用。另外，由于原GPS技术相对落后，很容易被干扰，其军事价值逐渐在降低。一般情况下，从卫星传到地面的GPS信号很小，如果对方采取瞄准式干扰、阻塞式干扰或欺骗式干扰，都会使GPS接收机无法正常工作，从而使其定位、导航精度降低或产生误导。据英国《新科学家》周刊报道，只要利用在普通商店购得的设备，并使用下载自互联网的资料，即可干扰全球定位系统。该周刊透露，美国空军曾成立了一支代号“太空侵略者中队”的小组，专责寻找卫星通讯和导航系统的弱点。结果，充当敌人的两位新晋工程师，通过从互联网下载的资料和购自家庭用品店的配件，成功制造了一台干扰装置。《新科学家》称，如果把装置装上货车，就成为一台可干扰卫星天线或军方超高频接收器的“有效流动干扰装置”。事后美国人算了算，做这个东西花了不到500美元，而想要使GPS能在一定程度上避免这种干扰，前期投资就要5500万美元。在2003年的伊拉克战争中，伊拉克军队就曾使用GPS干扰器干扰美国卫星制导炸弹，迫使美国不得不换用程序更复杂的激光制导炸弹进行打击。为此，美国正在开发新一代GPS技术。但按照以往经验，欧洲国家无法与美国享受同样的优先待遇，这将使欧洲国家的经济和军事安全受到威胁。因此开发“伽利略”系统成为必然的选择。
　　商业利益的驱使据统计，2001年GPS的业务就超过150亿美元，预计到2015年相关业务将增加到1400亿美元。欧盟发展“伽利略”系统的主要目的，就是为了打破美国的垄断，分享经济利益。“伽利略”有广阔的发展前景，它营运后，不仅广泛用于军事领域，而且还可广泛地用于民用领域，为其它方面的服务和应用创造14万个工作岗位。建立和初始运营该卫星导航系统的费用将达到35亿欧元，而收入则会达到180亿欧元。
　　专家估计，若融合欧盟、俄罗斯、中国、印度等技术和资金的“伽利略”系统投入运营，将会使美国GPS目前完全垄断的市场份额下降50％左右。而到2020年，将有30亿人使用“伽利略”导航系统，市场份额高达3 000亿美元。自2003年以来，欧盟在美国压力下，仍然坚持推动中国加加入“伽利略”计划，其目的也是谋求中国的庞大市场和高额投资。
　　
　　笑傲江湖――“伽利略”计划的影响
　　
　　作为全球第一套商用普及型卫星导航系统，“伽利略”将以优异的商业性能和巨大的军事潜力打破世界导航技术领域的现有格局，并将对未来生活和军事活动产生深刻的影响，，
　　美国的霸权地位将有所削弱 美国在上世纪就提出了“制太空权”和“导航战”的新概念。当初为了推广GPS系统，占领导航市场，美国曾采用所谓的“微软战略”(首先通过低价或免费产品占领市场，然后再不断更新换代，牟取利润)，关闭干扰系统，降低接收机价格，使各国对其产生技术依赖。美国推广GPS的真正目的并不仅仅是谋取巨大的市场份额，更重要的是迫使各国放弃或压缩GPS计划，以确保其独霸这一领域的目的，而一旦军事需要，就可以随时关闭服务，使别国尽在掌握之中、这已经成为其不战而屈人之兵的军事威慑手段之一。布什总统对“伽利略”计划潜在的影响十分重视，责令负责欧美谈判的美方代表尼古拉斯・伯恩斯务必做好欧洲的工作，使“伽利略”系统不会影响到美国的战略利益。
　　加剧太空军事对抗卫星导航系统是未来太空军事对抗的首选目标，为此许多国家都将导航卫星作为太空打击目标、、美国《商业周刊》在2004年10月透露，美军已制订了一份详细的作战计划，“在必要时”摧毁欧盟未来的“伽利略”卫星定位系统的卫星。英国广播公司甚至就此作了专题报道，分析美国将怎样对付“伽利略”系统的卫星。2008年2月20日，美国在太平洋海域利用“标准”3导弹击落了1颗侦察卫星，而其已经部署的地基中段拦截系统也具备拦截导航卫星的潜力，因此，“伽利略”系统的使用将加速美国的太空战准备，从而加剧太空军事对抗。
　　促进卫星导航技术的发展 由于“伽利略”计划的先天优势，迫使美俄等国纷纷开放其卫星导航限制，并开发新的导航技术，这在客观上促进了卫星导航技术的应用与发展。“伽利略”计划采用了开放式的发展模式，由全球数十个国家和企业共同开发，其技术起点高、来源多样，因此在技术先进性和成本方面将实现极大跨越。而考虑到“伽利略”系统的竞争，美国在2004年1月提出愿意与欧盟分享其严格保密的GPS技术。为了保持GPS对“伽利略”系统的技术先进性，美国又不得不加速了新一代GPS的开发，新系统增加了多种能力，其中的点波束技术将在某一特定区域内增加信号强度和抗干扰能力。可见，“伽利略”系统的出现搅乱了GPS一统天下的技术僵化格局，将极大地促进卫星导航技术的应用与发展。
　　
　　编辑：李海峰