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伽利略定位系統

歐盟建置的衛星定位系統

伽利略定位系統（義大利語：Galileo），是一個正在建造中的衛星定位系統，該系統由歐盟通過歐洲空間局和歐洲導航衛星系統管理局（英語：European GNSS Agency）建造[3]，總部設在捷克共和國的布拉格。該系統有兩個地面操控站，分別位於德國慕尼黑附近的奧伯法芬霍芬（德語：Oberpfaffenhofen）和意大利的富齊諾（義大利語：Fucino）。這個造價五十億歐元[4]的項目是以意大利天文學家伽利略的名字命名的。伽利略系統的目的之一是為歐盟國家提供一個自主的高精度定位系統，該系統獨立於俄羅斯的格洛納斯系統和美國的全球定位系統（GPS），在這些系統被關閉時，歐盟就可以使用伽利略系統。該系統的基本服務（低精度）是提供給所有用戶免費使用的，高精度定位服務僅提供給付費用戶使用。伽利略系統的目標是在水平和垂直方向提供精度1公尺以內的定位服務，並且在高緯度地區提供比其他系統更好的定位服務。[5]

伽利略定位系統
伽利略定位系統
國家或地區歐盟
運行組織歐洲導航衛星系統管理局（英語：European GNSS Agency）
歐洲空間局
類型民用，商用
狀態已啟用
覆蓋範圍全球
精度1公尺（免費開放）
1公分（付費使用）
星座規模
衛星總數30
在軌衛星數量23顆工作
5顆不可用
首次發射2011
已發射數量28，不包括2枚試驗衞星
（2023年5月）[1]
軌道類型
軌道構型3個 中地球軌道 平面
軌道高度23,222公里（14,429英里）
其他信息
造價100億歐元[2]
伽利略定位系統標誌
2011年10月21日，一枚由聯盟號火箭酬載的伽利略衛星在蓋亞那太空中心發射。

伽利略系統是中地球軌道搜救衛星系統（英語：International Cospas-Sarsat Programme#MEOSAR）的一部分，可提供一種新的全球搜救方式。伽利略系統的衛星安裝有轉發器，可以把求救信號從事故地點發送到救援協調中心，救援協調中心就會開始組織救援。同時，該系統還會發射一個返回信號到事故地點處，通知求救人員他們的信號已被收到，相應的救援也正在展開。現有的全球衛星搜救系統（英語：International Cospas-Sarsat Programme）是不具備回饋信號功能的，所以伽利略系統這個發消息功能被認為是對全球衛星搜救系統的一個重要升級。[6]2014年，研究人員對伽利略系統的搜救功能進行了測試，該系統是作為當時的全球衛星搜救系統的一部分工作的，測試結果顯示，該系統對77%的模擬求救位置定位精度在2公里以內，95%的求救位置定位精度在5公里以內。[7]

伽利略系統的第一顆試驗衛星GIOVE-A（英語：GIOVE-A）於2005年12月28日發射，第一顆正式衛星（英語：List of Galileo satellites）於2011年8月21日發射。該系統計劃發射30顆衛星，截止2018年7月，已有26顆衛星發射入軌。[8]伽利略系統於2016年12月15日在布魯塞爾舉行啟用儀式，提供早期服務。於2017年到2018年提供初步工作服務，最終於2019年具備完全工作能力。[9] 該系統的30顆衛星預計將於2020年底前發射完成，其中包含24顆工作衛星和6顆備用衛星。[10]

系統目的

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建造此系統的目的有以下幾點:

  • 為用戶提供更準確的數據，比GPS管制更少；
  • 由於歐洲緯度較高，系統加強對高緯度地區的覆蓋，包括挪威及瑞典等地區，因而，改以將8枚衛星佈局在3條軌道上的方式；
  • 減低對全球定位系統的依賴，藉由實際組建預先累積操作經驗，尤其是在發生戰爭時，可提供非美國盟友有機會使用軍事定位。

歷史

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主要目的

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伽利略系統的的三大投資方（德國、法國和意大利）[11]對該系統的發展提出了不同的目標。1999年，這些目標被這三國工程師組成的聯合小組精簡為一個。2003年5月26日，歐盟和歐洲空間局正式批准了這個項目的第一階段計劃。伽利略系統主要用於民用，而美國的全球定位系統、俄羅斯的格洛納斯系統和中國的北斗系統更加偏向軍事用途。伽利略系統僅僅在一些極端情況下才會因為軍事目的而關閉（比如武裝衝突[12]）。對於軍用和民用終端來說，該系統都提供最高的定位精度。

資金

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2001年11月，有幾份據稱是該項目「年度」銷售預測的表格被揭發，它們實際上是「累計」銷售預測，所謂的年銷售額實際上包含了以往年份的銷售總額。然後，歐盟委員會對伽利略系統下一階段的投資遇到了麻煩。人們對這個高達數十億歐元的預測錯誤的關注，引發了歐盟委員會和其他相關組織普遍的擔憂，人們開始懷疑伽利略系統並不能產生之前向投資者和決策者預示的那麼多收益[13]。2002年1月17日，伽利略系統的一名發言人表示，由於美國的壓力以及經濟問題，伽利略系統的計劃「接近死亡」[14]。

然而，幾個月後事情出現了轉機。歐盟成員國認為，在政治衝突中擁有一個不會被美國輕易關閉的衛星定位授時系統是很重要的[15]。

歐盟與歐洲空間局於2002年3月同意為該計劃注資，並計劃於2003年審核該報告（最終於2003年5月26日完成）。按計劃，這一階段持續到2005年，需要的初始投資預估為11億歐元。該項目所需的衛星（需30顆）計劃於2011年至2014年之間發射，並開始建造、運行該系統，最終於2019年轉為民間控制。這份報告預估伽利略系統最終將花費30億歐元，這包括了地球上的基礎設施，它們將於2006年至2007年間建造完成。按照這份投資計劃，三分之二的資金來自私人企業及個人投資，剩下的部分由歐盟和歐洲空間局來承擔。伽利略系統的開放服務提供給所有安裝有用戶免費使用，只需要用戶安裝一個兼容的接收器即可。付費用戶可以使用經過加密的大寬帶高精度商務服務。到了2011年初，該項目的實際花費已超出了最初預算的50%[16]。

德國航空航天中心對伽利略系統的注資是最多的，它位於諾伊斯特雷利茨的地球觀測中心、通信與導航研究院對伽利略系統的研發與應用是至關重要的。[17]

與美國的緊張關係

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美國國防部副部長保羅·沃爾福威茨於2001年12月寫給歐盟成員國部長的一封信，表達了美國對伽利略系統的反對態度。

歐盟的伽利略系統旨在建立一個向所有用戶開放的民用全球衛星導航系統。GPS是美國的軍用全球衛星導航系統，為美國軍事用戶提供高精度的定位服務，同時也為其他用戶提供低精度定位服務。GPS可以在其軍用信號（M波段）不被干擾的情況下關閉民用信號。建造伽利略系統的一個初衷便是歐盟擔心美國會在政治衝突中禁止其他用戶使用GPS信號。[15]

伽利略系統的目的是為所有用戶提供儘可能高的定位精度（比GPS還高），因此，美國擔心其敵人會利用伽利略系統的信號對美國及其盟友進行軍事打擊（一些武器使用衛星導航系統進行制導）。伽利略系統最初選用的頻率使得美國無法在不干擾GPS信號的的情況下屏蔽掉伽利略系統。美國打算在阻止敵人使用衛星導航系統（GNSS）的同時自己依然能使用GPS。當有報道指出中國對伽利略系統也很有興趣後，美國官方對此更是擔憂。[18]

一名不願透露姓名的歐盟官員稱，美國官員暗示，如果敵人在衝突中使用裝備了伽利略系統的武器攻擊美軍，美國也許會考慮擊落伽利略衛星[19]。歐盟的立場是，伽利略定位系統是中立的技術，可以被任何國家、個人使用。開始時，歐盟官方並不想改變伽利略系統的計劃，但是最終還是達成了妥協，伽利略系統改用另一種頻率。這將使得對一個系統的屏蔽不會影響到另一個系統（屏蔽伽利略系統的同時不影響GPS，或者屏蔽GPS不影響伽利略），這使得美國在衝突中擁有巨大的優勢，因為他們的電子戰能力占優勢[20]。

GPS和伽利略系統

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應美國軍方的要求，GPS使用了選擇可用性機制（英語：Selective Availability），其定位信息被故意加入了誤差，這是歐盟意圖獨立發展伽利略系統的一個原因。GPS在全球範圍內廣泛用於民用，包括飛機導航和着陸設備，伽利略系統的支持者認為這些民用設施不能完全依賴於一個有漏洞的系統。

2000年5月2日，時任美國總統比爾·克林頓停止了GPS的選擇可用性機制。2001年底，管理GPS的機構證實他們將不再啟用選擇可用性機制[21]。但這時的GPS系統仍然具備選擇可用性能力，到2007年9月19日，美國國防部宣布，新的GPS衛星不再具備實施選擇可用性機制的能力[22]；聲明稱，將於2009年發射的Block IIF系列衛星，以及後續的所有GPS衛星都不支持選擇可用性機制。所有的老式衛星將在Block IIIA（英語：Block IIIA）計劃中被替換掉，屆時，GPS將再也不能實施選擇可用性機制。這個現代化的項目包含了一些標準化的功能，使得第三代GPS能和伽利略系統合作工作，另外，利用這些標準可以開發出同時使用GPS和伽利略系統的定位終端，這將構建出一個更加精確的全球衛星導航系統。

與美國的合作

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2004年6月，歐盟與美國簽署了協議，同意在伽利略系統中使用「二進制偏置載頻（英語：Binary Offset Carrier）1.1」標準，就此GPS和伽利略系統互相兼容合，這也使得人們有可能在將來同時使用這兩個系統進行定位。

最早的試驗衛星

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伽利略系統的第一顆試驗衛星GIOVE-A（英語：GIOVE-A）於2005年12月發射，隨後，第二顆測試衛星GIOVE-B（英語：GIOVE-B）於2008年4月發射。在軌驗證階段完成後，有更多的衛星被發射升空。2007年11月30日，來自歐盟成員國的27個交通部長達成協議，伽利略系統將在2013年投入運營[23]，但是，會後的新聞稿表明，它將被推遲到2014年[24]。

再次注資，管理問題

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淺藍線的伽利略系統
 
淺藍頻道的伽利略
 
系統分析架構

2006年中，為伽利略系統注資的政府社會資本共同體瓦解，歐盟委員會決定將伽利略系統國有化[25]。

2007年年初，歐盟還未決定如何負擔這個項目的經費，據說伽利略系統由於缺乏公共經費支持陷入了「深層次的危機」。當時只有一顆測試衛星被發射升空，德國交通部長Wolfgang Tiefensee特別擔憂財團在爭論中結束該項目[26]。

2007年6月13日，歐盟討論了一個方案，在下一年從相互競爭的經費中削減出五億四千八百萬歐元來用到其他財政項目上[27]，此舉將有可能部分滿足伽利略導航系統的開支。歐盟的研究與開發計劃有可能因為經費短缺而被終止。

2007年11月，歐盟同意將從農業和行政預算中重新分配資金[28]，以降低招標標準來邀請更多的企業來投資伽利略系統[29]。

2008年4月，歐盟的交通部長批准了伽利略系統實施條例。這使得歐盟從農業和行政預算中撥款34億歐元用來招標[30]，以啟動地面站和衛星的建設。

2009年6月，歐洲審計院發布的一份報告指出，管理不力、嚴重拖延和預算超支這些問題，導致了項目於2007年停擺，並導致了進一步的延遲和失敗[31]。

2010年，智庫「開放歐洲（英語：Open Europe）」估計，伽利略系統從啟動到建成後20年的花費共計222億歐元，這些經費將完全由納稅人來承擔。根據原先在2000年做出的估算，該系統將花費77億歐元，納稅人承擔其中的26億，其餘由私人投資者承擔[32]。

2009年11月，伽利略系統在法屬圭亞那庫魯航天中心的地面站正式落成[33]。

按計劃，前四顆「在軌驗證衛星」（IOV）將於2011年下半年發射，「完全運行能力衛星」（FOC）將於2012年年末發射。

2010年3月，據證實，由於伽利略系統的經費有限，到2014年最多能提供4顆「在軌驗證衛星」和14顆「完全能力衛星」。有人提議就使用這18顆衛星組網，對此，歐盟委員會衛星導航項目的主管Paul Verhoef舉了個例子來說明經費短缺的後果有多嚴重：「直觀的說，在這種情況下，一年中將有3個星期沒有導航信號」。

2010年7月，歐盟委員會評估，伽利略項目的額外費用將上升到15億至17億歐元，項目的建成日期要推遲到2018年。伽利略系統建成後，政府每年還需要補貼7.5億歐元[34]。另外，還需19億歐元將衛星數量補充到30顆（27顆工作衛星，3顆備用衛星）[16][35]。

2010年12月，歐盟部長在布魯塞爾舉行投票，將捷克共和國的布拉格作為伽利略系統的總部[36]。

2011年1月，據估計，截止2020年各項基礎設施的花費將達到53億歐元。就在這個月，維基解密透露，德國衛星公司OHB-System（英語：OHB-System）的CEO，Berry Smutny說伽利略系統「是一個主要服務法國利益的愚蠢計劃」[37]。BBC獲悉，2011年伽利略系統將獲得5億歐元用於採購，使用數年時間將18顆工作衛星增加為24顆[38]。

2011年10月21日，伽利略的前兩顆在軌驗證衛星由聯盟ST-B（英語：Soyuz-2 (rocket)#Soyuz 2.1b）火箭在圭亞那航天中心發射[39] ，另外兩顆於2012年10月12日發射。[40]

另外22顆「完全能力衛星」從2012年開始採購，其中的前四對衛星分別於2014年8月22日，2015年3月27日，2015年9月11日，2015年12月17日發射[41]。

服務中斷

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2019年7月11日至18日期間，伽利略系統失效，所有衛星訊號中斷。官方網站顯示所有衛星不可用（NOT USABLE）。[42]消息指，事件是由於地面的精確計時設備故障，導致系統無法計算衛星的位置及時間。

2020年12月14日，伽利略系統發生持續6小時的嚴重故障。[43]事件起因是地面的精確計時設備出現異常，令定位誤差上升至80公里。

國際參與

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2003年9月，中國加入了伽利略計劃，並將以後為該項目投資2.3億歐元（約合23.4億元人民幣）[44]。

2004年7月，以色列與歐盟簽訂了協議，成為了伽利略系統的合作夥伴。

2005年6月3日，據報道，歐盟與烏克蘭簽署了一份協議，烏克蘭也加入到了伽利略計劃。

2005年9月7日，印度也與歐盟簽約，加入「伽利略計劃」，參與建設基於歐洲地球同步衛星導航增強服務系統的區域增強系統[45]。

2005年12月，摩洛哥加入了伽利略計劃。

2006年9月9日，韓國同歐盟簽訂了有關韓國參與伽利略計劃的協定[46]。

2006年12月，中國選擇獨立自主開發北斗導航系統。 [47]早期，伽利略系統被看作是一個政府財政參與的私營項目，項目主管積極邀請中國加入，這樣在短期內可以獲得中國的投資，從長遠看還能在中國的定位授時市場獲得獨特優勢。然而，由於歐盟委員會的安全與技術獨立性政策，中國實際上被伽利略系統排除在外，中國之前的投資也沒有得到任何回報。這促使中國決定建設自己的全球定位系統——北斗衛星導航系統。

2006年12月12日，歐盟與摩洛哥簽署了伽利略計劃的合作協議[48]。

2007年11月30日，歐盟的27個成員國一致同意將推進伽利略項目的建設，該計劃基於德國和意大利提出的方案。在第一輪投票中，西班牙並不贊成該方案，但在當天的晚些時候還是批准了。這次會議大大提高了伽利略項目的可行性，歐盟執行委員會曾經說過：如果到2008年1月還未就伽利略系統達成任何協議，那麼這個陷入長期困擾的項目實際上將會終結。[49] 2009年4月3日，挪威也加入了伽利略項目，承諾將投入6980萬歐元用於開發，並允許本國的企業投標建設合同。儘管挪威不是歐盟的成員，但其是歐空局的成員。[50]

2013年12月18日，瑞士簽署了一份合作協議，全面參與伽利略計劃，並為2008年到2013年之間的費用補交了8000萬歐元。作為歐空局的成員，瑞士之前已經參與了伽利略項目，提供了本國最先進的氫微波激射器（英語：hydrogen-maser）時鐘。在加入歐盟研究框架後，瑞士在2014到2020年之間承擔的財政將根據標準公式來計算。[51]

除此之外，不少國家如阿根廷、澳大利亞、巴西、加拿大、智利、日本、馬來西亞、墨西哥、巴基斯坦、俄羅斯等，也有可能加入「伽利略計劃」。[來源請求]

系統概述

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衛星

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  • 數量: 30顆
  • 軌道半徑: 29599.8公里（中地球軌道）
  • 離地面高度: 23222公里
  • 軌道數目：三條，傾角56°，升交點相隔120°經度（每條軌道有八顆工作衛星，兩顆後備衛星）
  • 衛星壽命: 12年以上
  • 衛星重量: 每顆675公斤
  • 衛星尺寸: 2.7公尺 x 1.2公尺 x 1.1公尺
  • 太陽能集光板寬度: 18.7公尺
  • 太陽能集光板功率: 1500瓦
衛星列表
位置 平面
A B C
01 0218 0220 0214
02 0210 0221 0209
03 0215 (0204) 0213
04 0217 0219 0103
05 0206 0101 (0104)
06 0211 0102 0207
07 0216 0222 0208
08 0205 0203 0212

  1. 斜體代表測試中。
  2. 括號代表不可用。
  3. GSAT 0201及0202進入了錯誤軌道，因此不包括在上表。

服務

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「伽利略系統」將提供以下四種導航服務:

  • 開放服務：開放服務提供任何人自由使用，開放服務的信號將會廣播1164-1214MHz 及 1563-1591MHz 兩個頻帶上。同時接收兩個頻帶的信號水平誤差小於4公尺，垂直誤差小於8公尺，如果只接收單一頻帶仍然有小於15公尺的水平誤差及小於35公尺的垂直誤差與GPS的C/A碼相當。
  • 商業服務
  • 公共規範服務
  • 生命安全服務

概述

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每顆衛星都有兩個銣原子鐘（英語：rubidium atomic clocks）和兩個被動氫原子微波激射器（英語：Hydrogen maser）時鐘，它們對於衛星導航系統是至關重要的，另外伽利略衛星還包括一系列其他組件。這些時鐘將提供精確的時間信號，可以計算出這些信號從發出到接收花費了多長時間。利用不同衛星發射來的信息，結合三邊測距原理（英語：trilaterating），就可以計算出接收器所在的位置。

進度

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首七次發射（L1到L7）均由聯盟ST-B火箭執行，每次發射兩枚衛星。其中，第三次發射失敗，衛星未有進入正確的軌道。

從第八次任務（L8）開始，歐洲太空總署改用亞里安5型執行發射任務，每次發射四枚衛星，L8到L10全部發射成功。L11將改用研發中的亞里安6型執行，每次發射兩枚衛星。

  • 2011年10月21日，第一組實驗衛星IOV PFM和FM2發射入軌成功。
  • 2012年10月12日，第二組實驗衛星IOV FM3和FM4發射入軌成功。
  • 2014年8月22日，第三組衛星FOC FM1和FM2發射成功，但未正確入軌。衛星發射到離地面高度25900km，但其後跌至13713km。由於衛星上的燃料不足以完全修正軌道，歐洲太空總署只能把兩枚衛星調整到半徑27977.6km，離心率0.162的橢圓形「擴展軌道」，用作測試用途。正常的軌道半徑是29599.8km，離心率為0。

參見

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參考文獻

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延伸閱讀

編輯
  • Psiaki, M. L., "Block Acquisition of weak GPS signals in a software receiver", Proceedings of ION GPS 2001, the 14th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Salt Lake City, Utah, 11–14 September 2001, pp. 2838–2850.
  • Bandemer, B., Denks, H., Hornbostel, A., Konovaltsev, A., "Performance of acquisition methods for Galileo SW receivers", European Journal of Navigation, Vol.4, No. 3, pp 17–9, July 2006
  • Van Der Jagt, Culver W. Galileo : The Declaration of European Independence : a dissertation (2002). CALL #JZ1254 .V36 2002, Description xxv, 850 p. : ill. ; 30 cm. + 1 CD-ROM

外部連結

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維基共享資源上的相關多媒體資源：伽利略定位系統
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