歐洲伽利略和中國北斗競爭優(yōu)勢何在？72臺衛星原子鐘9臺完蛋

　　根據BBC新聞2017年1月18日的報道，長(cháng)期拖拉延誤的歐洲伽利略衛星導航系統目前陷入了很糟糕的困境中——18顆衛星的72臺原子鐘，竟然有高達9臺出現故障，包括3臺銣原子鐘和6臺氫原子鐘。

　　由于衛星本身采取了冗余度非常高的可靠性設計——每顆衛星都配備兩臺銣原子鐘和兩臺氫原子鐘，因此目前總體上，18顆伽利略衛星依舊能保持正常工作。但是如此高的故障率，對于伽利略衛星系統在長(cháng)期服役中的總體可靠性和實(shí)際實(shí)用壽命，顯然是非常強烈的壞征兆。

　　圖：2006年發(fā)射的伽利略GIOVE-A衛星系統構架圖，紅圈中為原子鐘。它是作為技術(shù)驗證衛星發(fā)射的，當時(shí)并沒(méi)有搭載氫原子鐘，只有兩臺銣原子鐘。

　　圖：GIOVE-A衛星的載荷拓撲

　　圖：右下角的兩個(gè)密封汽缸結構，就是伽利略衛星的兩臺氫原子鐘。值得特別指出的是，氫原子鐘是隨著(zhù)伽利略系統首次在衛星上使用，因此故障率較傳統銫原子鐘和銣原子鐘高是可以預期的——但是伽利略這次的總體原子鐘故障率未免有些離譜。

　　衛星導航系統的定位原理是通過(guò)近似于三角測量的方法實(shí)現的。接收機——比如手機、汽車(chē)導航儀器等等，它接收多個(gè)導航衛星發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號，并且計算出這些信號從衛星發(fā)出到自己接受到，各自花了多少時(shí)間。通過(guò)這個(gè)時(shí)間，接收機能非常精確的測量出它相對于多顆衛星的遠近關(guān)系，從而計算出它在地球上的哪一個(gè)地方。

　　圖：衛星定位的確切原理比較復雜，這里不多贅述，大致上按照三角測量去理解就好

　　圖：在接收機本身沒(méi)原子鐘的情況下，需要多一顆衛星才能定位，即至少4顆

　　按照覆蓋全球的典型導航設計來(lái)說(shuō)，接收機至少需要三個(gè)衛星的信號才能完成自己的定位。當然中國的北斗系統，早期采用了簡(jiǎn)化的雙星定位工作模式;但是代價(jià)很大——需要精確的地面高低數據來(lái)取代第三顆衛星的信號，只能在有限的經(jīng)緯度地區內使用且精度不高。這么做的原因，是當年只計劃發(fā)射兩顆衛星——備份星計劃是在最初的兩顆北斗衛星發(fā)射成功以后，才開(kāi)始申請并得以通過(guò)的。

　　因此對于導航衛星本身來(lái)說(shuō)，極高精度的時(shí)間系統就是最核心、最關(guān)鍵的設備之一;一旦失去準確的計時(shí)能力，一顆衛星就無(wú)法再提供可靠的定位服務(wù)——相反它只會(huì )把問(wèn)題攪得一團糟。為了解決計時(shí)的精度問(wèn)題，導航衛星上目前普遍搭載了精度極高、但重量和體積又可以接受的原子鐘。

　　圖：GPS衛星的銣原子鐘結構

　　理論上接收機也需要很精確的時(shí)間——但是絕大多數接收機都不可能去裝原子鐘的，這玩意一臺至少是價(jià)值好幾十萬(wàn);因此目前的絕大多數接收機，都是通過(guò)巧妙的數學(xué)方程組設計，依靠引入額外的一顆衛星的信號，把自己的時(shí)間給以等同于原子鐘的精度計算出來(lái)。因此嚴格來(lái)說(shuō)，目前絕大多數接收機，需要至少4顆衛星提供信號才能完成精確定位。

　　原子鐘的概念最早在1944年，由美國科學(xué)家、諾貝爾獎獲得者拉比提出;他發(fā)現原子的自然共振頻率本身極為精確，因此依靠這一原理，就可以制造出數千萬(wàn)年才會(huì )誤差1秒鐘的超高精度計時(shí)系統。當然原子鐘本身的精度，受到具體設計制造水平、體積重量和功耗的限制而有所不同;衛星上的原子鐘，就需要靠地面原子鐘的數據進(jìn)行定期校正。目前最準確的原子鐘是美國國家標準局的鋁原子鐘，37億年誤差在1秒內。

　　圖：完整的伽利略系統

　　完整版本的伽利略系統計劃安排30顆衛星，27顆衛星作為主要工作衛星，3顆作為熱備份衛星。但是現在衛星數量上伽利略也很受挫折：一顆早期版本的IOV衛星已經(jīng)無(wú)法再提供服務(wù)，2014年，兩顆預計提供完整正式服務(wù)的FOC衛星，被俄羅斯聯(lián)盟ST-B火箭的發(fā)射事故，射入了徹底錯誤的軌道，實(shí)際已上已成為無(wú)法實(shí)用的太空垃圾。