3.4 欧盟Galileo卫星导航系统

3.4.1 系统简介

Galileo卫星导航系统（以下简称Galileo系统）由欧盟通过欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局建造。该系统有两个地面操控站，分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺。这个造价50亿欧元的项目是以意大利天文学家Galileo（伽利略）的名字命名的。Galileo系统的目的之一是为欧盟国家提供一个自主的高精度定位系统，该系统独立于俄罗斯的GLONASS和美国的GPS，当这些系统被关闭时，欧盟就可以使用Galileo系统。该系统的基本服务（低精度）是供所有用户免费使用的，高精度定位服务仅供付费用户使用。Galileo系统的目标是在水平方向和垂直方向提供精度在1m以内的定位服务，并且在高纬度地区提供比其他系统更好的定位服务。

Galileo系统是中轨道搜救卫星系统的一部分，可提供一种新的全球搜救方式。Galileo系统的卫星安装了转发器，可以把求救信号从事故地点发送到救援协调中心，使救援协调中心组织救援。同时，该系统还会发射一个返回信号至事故地点处，通知求救人员他们的信号已被收到且相应的救援正在展开。之前的全球卫星搜救系统是不具备回馈信号功能的，所以Galileo系统这个发送回馈消息的功能被认为是对全球卫星搜救系统的一个重要的升级。2014年，研究人员对Galileo系统的搜救功能进行了测试，该系统是作为当时的全球卫星搜救系统的一部分工作的。测试结果显示，该系统对77%的模拟求救位置的定位精度在2km以内，对95%的模拟求救位置的定位精度在5km以内。

Galileo系统的第一颗试验卫星GIOVE-A于2005年12月28日发射，第一颗正式卫星于2011年8月21日发射。该系统计划发射30颗卫星，截至2016年5月，已有14颗卫星发射入轨。Galileo系统于2016年12月15日在布鲁塞尔举行启用仪式，提供早期服务，于2017—2018年提供初步工作服务，最终于2019年具备完全工作能力。

Galileo系统是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，具备覆盖全球的导航和定位功能。

3.4.2 空间段

Galileo系统的卫星形成Walker27/3/1的星座构型，其中有3颗作为候补卫星。卫星高度为24126km，设计寿命为20年。该系统除了卫星，还有两个地面控制中心。

卫星的设计尺寸为2.7m×1.2m×1.1m，太阳能电池板的翼展为13m，所能提供的功率为1500W。每颗卫星质量为675kg。其主要的有效载荷包括质量为130kg的导航载荷及质量为15kg的搜索转发器，两部分对应的总功率为950W。Galileo卫星发送连续的测距码和导航信号，时钟坐标和导航数据每100min上行注入一次，完好性数据每秒上行注入一次。Galileo卫星提供10个右圆极化的导航信号和一个搜救信号。依据国际电信联盟的规定，导航信号分别在分配的无线电卫星导航系统频段1164～1215MHz、1260～1300MHz及1559～1591MHz内发射，1544～1545MHz则作为紧急服务预留频段。Galileo系统采用码分多址扩频技术，各卫星以相同的频率发射信号。Galileo卫星射频信号的调制除了采用传统的二进制相移键控（BPSK）调制方式，还采用了一种新的调制方式——二进制偏移载波（BOC）调制。与BPSK相比，BOC调制方式具有较好的抗多路径效应、降低码噪声和易于跟踪信号等优点，将成为未来卫星导航与通信系统信号调制的有效手段。

Galileo卫星的导航有效载荷主要包括：①授时系统；②信号产生子系统，对载波频率进行格式化、编码和调制；③无线电频率子系统，放大调制载波；④天线子系统，向用户发送导航信号；⑤ C频段数据接收系统，负责接收导航电文和完好性数据。其中，授时系统由星载原子钟及对应的功分器、功率合成器、频率分配网络、二次电源模块和锁相环电路等部件构成。该授时系统的核心是星载原子钟，包括两台铷钟和两台氢脉冲钟。铷钟的质量为3.2kg，功率为30W，其体积小，成本低，具有较小的周期稳定度（优于10ns/d），是在星上采用的最先进的铷钟。氢脉冲钟的质量为18kg，功率为70 W，其周期稳定度更小（优于1ns/d），这是世界上首次在星上采用这种氢脉冲钟。

每颗Galileo卫星上都安装了搜救有效载荷。它支持现有的国际搜救卫星系统COSPAS SARSAT，并能满足国际海事组织（IMO）和国际民航组织（ICAO）在求救信号探测方面的要求。搜救有效载荷是一个变频转发器，质量约15 kg，功率为50 W。该有效载荷在406 MHz的频带上检出求救信号后，将其转化为频带为1544 MHz（称为L6频带，保留为紧急服务使用）的信号发送至地面救援系统。另外，它还将把在C频段上接收到的由搜救注入站发来的救援指令变换到L频段后发送给搜救终端。Galileo系统将定位功能和搜救功能集成在一个系统中，并能够实现全球无缝覆盖，系统用户在任何地点和任何时间均可接收到4颗卫星的信号，从而确保实时报警和求救信号能够可靠地传输。搜救有效载荷具有双向转发功能，可以将救援指令发送到救援地区以及时通知附近的救援组织前往营救，也可以将信号发送到求救者所在的区域，使求救者知道求救信号已经得到了受理，并进行准备以配合救援工作。

3.4.3 地面段

2009年11月19日，Galileo系统在法属圭亚那航天中心（CSG）的库鲁地球站正式落成。库鲁地球站由法国航天研究中心（CNES）负责建造，包括监控Galileo星座的遥测、跟踪和指令（TT&C）站，接收卫星发出信号的监测站及向卫星传输导航指令的上行站。其地面组织结构如图3-2所示。该地球站包含了Galileo系统最全面的地面系统部分，对Galileo系统的在轨验证阶段至关重要。

Galileo系统地面段的主要任务是承担卫星的导航控制和星座管理工作，为用户提供系统完好性数据的检测结果，保障用户安全、可靠地使用Galileo系统提供的全部服务。地面段由主控中心、地面控制段和地面任务段组成。主控中心是Galileo系统地面段的核心，共有2个（1个位于意大利、1个位于德国，在轨验证阶段启用了1个），它们互为备份，设在欧洲大陆，负责管理地面控制段和地面任务段。

地面控制段负责星务管理和星座维持。在在轨验证阶段，地面控制段启用了2个TT&C站与每颗卫星进行通信，至星座组网完毕，TT&C站的数量将达到5个。每个TT&C站都拥有一个口径为13 m的大型天线，其工作频带为2GHz。在正常运行期间，TT&C站将采用扩频调制方式，从而提供不受干扰的强信号。而当某颗卫星的导航系统不能正常运行（如在发射、入轨初期或意外失效时），或者无法使用正常标准的遥测、跟踪和指令调制时，其将利用非欧空局的TT&C站维持运行。

地面任务段包括上行站和监测站，主要负责控制导航系统。在在轨验证阶段，地面任务段启用了5个上行站和20个监测站。全面部署阶段则将有10个上行站和40个遍布全球的监测站。地面任务段将利用监测站网络监测所有卫星的连续导航信号，然后通过卫星和地面网络将数据发送到主控中心。地面任务段产生的导航和完好性信息通过C频段上行站发送至Galileo卫星。地面任务段传输给用户的数据包括：①导航数据，包括星历、时钟修正数据、电离层和广播群延迟数据；②完好性数据，包括空间精确度信号（SISA）、空间监测精确度信号（SISMA）、完好性标记；③星载时钟时间同步数据。

每个上行站都有4副口径为3.2m的C频段天线，其工作频带为5GHz。其中，一部分天线覆盖整个星座的完好性信息；另一部分天线覆盖导航服务。每个监测站具备双重接收链路：一种具有测轨和时间同步（OD&TS）功能，每隔10 min能提供一段持续时间内所有卫星观测的批处理数据，计算每颗卫星的精确轨道和时钟偏差，从而监测由于重力、热量、老化和其他衰减引起的长期变化的参数；另一种具有完好性处理功能，提供对每颗卫星的瞬时观测数据，以验证其信号的完好性，从而监测由于突然失效或改变引起的卫星短期影响。对整个星座的计算结果将上行到选定的卫星上，然后发送给每个用户，这样所有用户都能接收至少2条完好性信息。

3.4.4 用户段

Galileo系统的用户终端主要由导航定位模块和通信模块组成，包括用于飞机、舰船、车辆等载体的各种用户接收机。由于Galileo系统尚未完全建成，目前还没有商品化的用户设备（接收机）推向市场。从Galileo系统提供的多种应用与服务的模式来看，其用户接收机的设计和研制分为高、中、低3个档次。低档Galileo接收机一般只接收Galileo系统的免费单频信号；中档接收机可接收双频商业服务信号；而高档接收机可兼容Galileo系统、GPS、GLONASS的信号，从而获得更高的定位精度，保障导航和定位信息的可用性、完好性及连续性。

欧美在GPS接收机和兼容GPS与GIONASS的接收机方面已经具有成熟的产品，GPS和GIONASS接收机的成熟技术完全可以用于低、中档Galileo接收机。Galileo接收机需要解决的关键技术主要是高档接收机的多频、多星座系统融合技术。为此，Galileo计划中专门组织了“用户段设计和性能”研究工作。Galileo接收机的设计内容涉及如下方面的标准：Galileo系统的坐标系统和时间系统；多星座组合的导航坐标框架及时间系统的标准格式；空间信号接口规范；接收机导航定位信息的输出格式；差分信号的格式。

目前，Septentrio卫星导航公司按照与欧空局签订的合同，已研制出Galileo试验用户接收机（TUR-N接收机）。TUR-N接收机是一种完全独立操作、多频、多星座的接收机，能独立生成测量值和定位值。在Galileo系统的在轨验证阶段，研制TUR-N接收机的目的是验证Galileo系统在轨验证星座的服务性能，并与GPS星座相兼容。该接收机能实现：Galileo单频和双频公开服务；Galileo单频和双频生命安全服务，包括整个Galileo导航报警算法；Galileo商业服务，包括跟踪和解码/加密E6BC信号；GPS定位、星基增强系统（SBAS）定位、Galileo单频和双频多星座定位；Galileo单频和双频差分定位；Galileo三频实时动态测量。TUR-N接收机的主要技术参数如表3-3所示。

2010年7月30日，欧洲与美国发布共同声明，表示要提升GPS与Galileo系统组合接收机的性能。双方设立的加强下一代GPS和Galileo系统合作的工作组完成了对GPS接收机、SBAS接收机的性能的全球评估，这两种接收机使用了欧洲增强系统，即欧洲地球同步卫星导航增强系统和GPS广域增强系统。评估结果显示，其改善了全球范围内的航空服务可用性，并显著提高了GPS卫星的稳健性。工作组还完成了对集成GPS和Galileo的公开民用服务功能的互操作接收机的评估，对GPS、Galileo、GPS与Galileo组合这3种接收机在4种情况下的工作性能进行了全面系统的分析比较。结果显示，GPS与Galileo组合接收机所提供的服务性能显著提高，特别是在有遮蔽物的环境下（如被建筑物、树木或地形阻碍）。双频接收机在大部分环境下可提供附加服务。

3.4.5 系统应用

Galileo系统在军事和民用等领域都具有十分广阔的应用前景，可提供免费服务和有偿服务两种服务模式。免费服务的设计定位精度为6m，比现有GPS民用定位精度高；有偿服务的定位精度可优于1m，将为民航等用户提供高可靠性和高精度的导航定位服务。虽然Galileo系统提供的信息仍然是位置、速度和时间信息，但其服务种类比GPS多，GPS仅有标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）两种，而Galileo系统则能提供5种服务，分别是公开服务、生命安全服务、商业服务、公共特许服务和搜救服务。

（1）公开服务。这种服务分为单频和多频两种，可为大规模的导航应用提供免费的定位、导航和授时服务，针对不需要任何保证的大市场应用，如车辆导航和移动电话定位。当用户在固定地面使用接收机时，公开服务可为网络同步和科学应用提供精确授时。公开服务和现有的GPS、GLONASS的类似服务相兼容，Galileo接收机也能够接收GPS信号和GLONASS信号，其精度与常规的差分GPS精度相同。公开服务不需要额外的地面基础设施，任何用户只要配备一台接收机就可以使用。

（2）生命安全服务。这种服务主要涉及陆地车辆、航海和航空等危及用户生命安全的领域，能提供迅速、及时和全面的系统完好性信息，以及高水平的导航定位业务和相关业务。它还将提供全球完好性信号，该信号可以被加密，是公开服务信号的一部分。生命安全服务与当前得到欧洲对地静止导航覆盖服务校正增强的GPS相结合，能用于具有更高要求的应用。

（3）商业服务。这种服务主要涉及专业用户，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。大部分商业服务与以下服务内容相关联：①分发公开服务中的加密附加数据；②非常精确的局部差分应用，使用公开信号覆盖公共特许服务信号E6；③支持Galileo系统的定位应用和无线通信网络的完好性领航信号。商业服务中两种额外的加密信号的接入，使其具有更大的数据吞吐量和更高的精度，授时精度达到100ns。商业服务采用准入控制措施，其实现将通过接收机上的“进入密码”，类似于移动通信中的个人识别码来保证，这样就无须使用昂贵的信号编码技术。

（4）公共特许服务。这种服务是为欧盟各国安全应用专门设置的，主要用户包括警察、海岸警卫队及海关等。公共特许服务以专门的频率向欧盟各国提供更广泛的连续性定位和授时服务，其卫星信号具有高连续性和强抗干扰性，并受成员国控制。这种服务主要用于欧盟各国的安全保障，应急服务，全球环境和安全监测，以及某些重要的能源、运输和电信应用，以及对欧洲有战略意义的经济和工业活动等。成员国采取准入控制技术对用户进行授权。公共特许服务的两个加密测距码和导航数据可供使用。

（5）搜救服务。搜救服务主要用于海事和航空领域，能够收集失事船只、飞机携带的紧急信标发出的信号，并中继给救援中心，救援中心由此确定事件的精确位置。每颗Galileo卫星能中继150个信标同时发出的信号，并在10 min之内就能将信标信息发送到搜救地球站，其码误差率小于10^-5，卫星每分钟能发送6条大小为100 bit的信息。Galileo系统搜救服务的优势在于：缩短对事件地点的探测和定位时间；提供包括其他信息在内的扩展灾难通报，有利于搜救行动的开展；多颗卫星覆盖，避免极端情况下的信息阻塞。