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伽利略计划之始末
作者:曹冲  来源:中国测绘   更新时间:2007-8-28 14:00:02

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    1.伽利略计划是技术、经济和政治的一次重大挑战
    伽利略计划,实际上是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上笫一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统,与现在普遍使用的GPS相比,它将更显先进、更加有效、更为可靠。它的总体思路具有四大特点:自成独立体系;能与其它的GNSS系统兼容互动;具备先进性和竞争能力;公开进行国际合作。
    从GPS工作伊始,国际上,特别是欧洲,透过国际民航组织这一窗口,一直致力于建设一个纯民用的全球卫星导航系统(GNSS)的努力。通过实践和研究,又将GNSS分为两步走计划,即GNSS1和GNSS2。简而言之,GNSS1就是对现有的GPS和GLONASS进行增强,目前欧洲所积极运作的EGNOS便是GNSS1行动的一个组成部分,当然美国的WAAS和日本的MSAS均属于这一范畴。值得指出的是,这种增强是区域性的,是星基增强,真正要实现全球性的增强,则多个广域增强的星基系统必须实施兼容和联网互动。从更高的应用层次和级别而言,还需要全球性的地面局域增强系统(LAAS)联网或补充,方可保证海陆空天多模交通运输的高效和安全运行。GNSS2则是像Galileo这样的新颖的全球卫星导航系统,加上现有的或经过现代化改造后的GPS和GLONASS,或者还有其它的新建系统,共同构成全球多个系统的相对独立、各具特色、互动兼容、互为备份、彼此补充的崭新格局,当然这类系统也不是越多越好,而是适可而止,最经济实用的办法是走国际合作,共同发展的道路。
    欧美关系一向甚笃,美国又一再表示可以给欧洲提供最好的GPS服务(含军用的PPS),但是欧洲还是顶着来自美国方面巨大打压,决心化大本钱去建设自己的伽利略系统,这是为什么?因为新欧洲正在形成和发展过程中,需要有大项目大工程来振奋人心士气,增强欧洲的凝聚力和向心力,强化独立于美国的精神,打破美国的独霸的一统天下的单极世界,营造更有发言权的多极世界,伽利略就是一张举足轻重的牌,是一张颇具显示度的牌。同时,伽利略又是现代科学技术,特别是空间技术及其应用技术的一种全面的大组合大集成大展现,会在很大程度上实现一系列技术领域的突破和创新,执行业和产业技术发展的牛耳。随着伽利略系统的建设和运作,一系列新服务和新应用的排比展开,会带来巨大的经济和社会效益,能增加10万人的就业机会,至2010年后,在欧洲每年形成超过100亿欧元的设备和服务的产值。
    2.伽利略系统的构成
    伽利略系统摆脱了GPS和GLONASS那样的“老三段”组成方式的巢臼,形成四大组成部分的新模式。系统由空间段、环境段、地面段和用户段。虽然,似乎只在“老三段”上增加了一个环境段,实际上其内涵都在变,并体现了与时俱进的精神,使系统变得更先进、更高效、更精密、更安全、更完善、更可靠。
    伽利略的空间段有位于中高度(MEO)30颗卫星构成,这些卫星分置于3个轨道面内,轨道高度为23616km,倾角为56度。卫星绕地球旋转一周的时间为14小时04分钟,卫星重量为625kg,在轨寿命15年,耗功1.5kw,发射频段为四个(包括SAR使用的频段),工作信道(基本信号)达11个。
    伽利略的环境段是新增的部分,实际上在GPS和GLONASS中都是隐含的部分,在伽利略中明确提升到最关键的组成部分中来,这是由于实用需求日益广泛和技术进步带来的结果,因为定位精度日益提高和可靠性更加重份量的客观需求,以及使用中遇到的各种各样的问题,必然要把这个环境段放到重要位置上加以考虑。环境段主要研究电离层、对流层、电波干扰和多径效应,以及它们的缓解技术和对策。
    伽利略的地面段主要有伽利略控制中心(2个)、C波段任务上行站(5个)、伽利略上行站(5个,TT&C-S波段和ULS-C波段)、伽利略传感器站(29个),以及Delta完好性处理装置和任务管理办公室组成,它们之间由伽利略数据链路和伽利略通信网络进行连接,外面相关的部门还包括搜索救援(SAR)中心,EGNOS和世界协调时部门。伽利略控制中心分为四大系统:完好性处理系统,精密定时系统,轨道同步和定时系统,以及伽利略资源控制系统。后者又包括服务产品部、卫星控制部和任务控制部。
    伽利略的用户段涉及到海陆空天各种应用领域,由于伽利略提供的服务及水平要比GPS多得多和高得多,所以对用户接收机的要求就更高更广更多,而且还应兼顾到与GPS的兼容互动。值得指出的是随着卫星导航的逐步深入人心,与各种电子设备的融合趋势锐不可挡,尤其在汽车电子领域和个人通信领域前景更为广阔。
    3.伽利略的服务
    虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间,但是伽利略提供的服务种类远比GPS多,GPS仅有标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS)两种,而Galileo则提供五种服务,这就是:公开服务(OS),与GPS的SPS相类似,免费提供;生命安全服务(SoLS);商业服务(CS);公共特许服务(PRS);以及搜救(SAR)服务。以上所述的前四种是伽利略的核心服务,最后一种则是支持SARSAT的服务。伽利略服务不仅种类多,而且独具特色,它能提供完好性广播;服务的保证;民用控制;局域增强。
    伽利略的公开服务提供定位、导航和授时服务,免费,供大批量导航市场应用。商业服务是对公开服务的一种增值服务,以获取商业回报,它具备加密导航数据的鉴别功能,为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。生命安全服务,它可以同国际民航组织(ICAO)标准和推荐条款(SARs)中的“垂直制导方法”相比拟,并提供完好性信息。公共特许服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的,是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,受成员国控制。
    伽利略提供的公开服务定位精度通常为15-20m(单频)和5-10m(双频)两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到1m,商用服务有局域增强时为10cm-1m。
    4.伽利略的市场前景
    伽利略的推动力来源于应用用户和市场的需求,对于各种各样应用的认知和开拓,以及可能的经济和社会效益的全面分析,是伽利略定义阶段的基本任务。伽利略的特色及其与GPS兼容互动是它的成功的重要因素。市场研究和预测结果表明,至2020年伽利略的用户数量达到25亿个。其中90%的用户是在批量市场,是与GNSS接收机集成的移动电话用户,以及车辆应用系统(telematics)用户。估计在伽利略正式投入全面运行四年后的2012年,Galileo/GPS兼容接收机已形成自然组合,并用于批量市场。到2010年卫星导航产品及其服务在欧洲的产值高达100亿欧元,至2020年则可达250亿欧元。预计导航产品的收入到2015年进入饱和期,其后的收入主要来自于服务。从长远看,移动位置服务(LBS)将是伽利略成功的重头戏。
    5.伽利略的国际合作
    伽利略是个全球性的系统,只有走国际合作的道路,才能达到其利益的最大化,这也是系统计划的基础。这种国际合作能强化系统和产业的know-how(经验)与实力,最大限度地降低技术和政治风险。自然的合作者当然是现有GPS和GLONASS的两个国家,美国与俄罗斯。由于要实现与GPS的兼容和互动,欧洲己就一系列技术问题跟美国磋商。对于俄罗斯在开发与运作GLONASS上的经验,欧洲也十分重视。此外,伽利略还要和现有的卫星导航系统进行技术协调,国际合作对于地面设备的开发和建设均十分重要,更重要的是广泛的应用和市场拓展,都需要良好的国际合作环境氛围。已有若干非欧洲国家涉足伽利略系统的定义、研究和产业发展的合作。除了与美俄展开实质性的合作谈判外,欧洲与中国经过近两年的准备,已于2003年5月16日正式开始中欧伽利略计划合作谈判。
    6.伽利略的建设进度与项目管理
    上世纪九十年代欧洲一直在积极筹划GNSS计划,并开始运作GNSS1中的EGNOS,到1999年正式提出GNSS2中的Galileo(伽利略)计划,并分成四个阶段来加以实施。这就是系统定义阶段(1999-2001)、研发验证阶段(2002-2005)、系统部署阶段(2006-2007),以及系统运营阶段(2008-)。系统定义阶段由EC和ESA来实施,进入研发验证阶段则交由JU(JiontUndertaking)来负责,然后再行过渡,最终是由一个伽利略运营公司进行运作和管理,所推行的机制为公私合营(PPP)。
    7.伽利略的投资与未来
    伽利略的系统基本投资约为32-34亿欧元,这个投资额相当于在欧洲建一个中小型机场,或者说是150km的高速公路的投入。在伽利略的定义阶段已由EC和ESA投入8000万欧元,在随后的2001-2007年间,还需要投入32.5亿欧元,按照公私合营法则,公私方分别承担总投入的50%左右。其中系统工程和管理的费用为2.9亿欧元,卫星和发射费用16.4亿欧元,地面段费用8.6亿欧元,EGNOS集成费用0.6亿欧元,用户段费用1.3亿欧元,运营费用2.1亿欧元。在2008年正式投入全面工作后,每年需运营费2.2亿欧元,这不包括在32.5亿欧元的初始的集资中,而是由伽利略运营公司从接收机芯片的知识产权(IP)的提成和服务收费加以维持。伽利略公私合营机制的得意之处就在于此,非但基础建设不全是由公家来投,更重要的是系统建成后,长期需要支付的运营费也不需要公家再投入。应该说是一种经营上的创新。



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