起个大早赶个晚集,欧洲伽利略导航系统的未来在哪?

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起个大早赶个晚集,欧洲伽利略导航系统的未来在哪? 国内新闻 第1张

特约作者 | 钱伯彦

特约作者 | 钱伯彦

6月23日,随着第55颗北斗导航卫星顺利入轨,北斗三号全球卫星导航系统星座部署也就此提前半年完成。

北斗系统完成部署的同时,一度领先于北斗、曾于2003年吸纳中国作为参与方、却又在2006年逼迫中方退出的欧洲伽利略导航系统,不得不接受被后来者居上的现实,再次无奈地充当背景板的角色。

从领先到落后

拖沓,是伽利略导航系统最大的问题。

起了个大早,赶了个晚集的欧洲人早在1999年就由法国、德国和意大利牵头开始筹划欧洲自主的卫星导航系统。不过由于财政的拮据以及美国的压力,欧洲各国直到2003年5月才就第一阶段计划达成一致。

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彼时资金捉襟见肘的欧洲人为了确保伽利略计划的融资,便在2003年9月吸纳中国进入该计划以换取2.3亿欧元的投资。由于缺钱的欧洲人一开始便针对伽利略计划采用了政府与社会资本合作的PPP模式,因此纯商业考量下的伽利略计划既需要来自中国的投资,也需要未来规模巨大的中国定位授时市场。

2005年,伽利略系统的第一颗试验卫星GIOVE-A升空。之后,好运似乎已经用完的伽利略系统开始陷入停滞。

最大的问题依然是资金。开支严重超标直接导致了PPP模式流产,欧盟委员会最终决定将伽利略系统收归国有。公共私营合作制的废止直接引发的后果便是中国作为投资方尴尬地位的进一步下降。此前,欧盟出于对欧美关系以及对安全与技术独立的考量,一直将中国排挤在核心机构之外。最终,一系列的变故迫使中国在2006年12月决定另起炉灶,建设独立的北斗导航系统。

中国的出走并未能够使得伽利略的进度加速。随着伽利略计划的国有化推进,该计划的融资问题变成了老大难的欧盟内部预算问题。

这一搁置便是六年。直到2011年8月,伽利略系统的第一颗卫星才正式入轨。

不过,伽利略系统的麻烦还远未结束。2014年5月,4号卫星发生故障彻底报废;同年8月,由俄罗斯代为发射的5号和6号卫星入轨失败,仅能提供测试服务而无法提供定位服务;不久之后乌克兰颜色革命爆发,欧盟出于政治考量又不得不放弃合作伙伴俄罗斯的“联盟号”火箭。

进度连续滞后的欧洲人终于在2015年至2016年发力,在两年时间内连续发射了11颗伽利略卫星。2016年12月,累计18颗卫星在轨的伽利略系统终于开启全球性定位服务的测试阶段。根据设计,伽利略系统需要24颗卫星才能正常使用全球定位。当时还缺六颗卫星的欧洲人不得不借助美国GPS卫星的帮助。

截至目前,由30颗卫星组成的伽利略系统中的26颗已经部署到位,最后4颗卫星也将在今年年底之前全部升空。而这个时间节点已经距离原有规划滞后了12年,75亿欧元的实际耗费更是远高于2003年项目启动时22亿至29亿的预估。

值得一提的是,伽利略系统中的24颗卫星为定位服务卫星,其余6颗卫星为系统冗余备份卫星。因此伽利略系统其实早在2018年便已经能够全部运行。

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第七次发射之后,运载火箭彻底抛弃了俄罗斯的联盟号,改为阿丽亚娜5型。此后伽利略计划开始加速。图源:欧洲导航卫星系统管理局 欧式困境

慢工却不一定出细活。

自2016年投入运营以来,伽利略系统已经两次出现故障。其中最严重的一次则是去年7月11日起故障时长达一周的服务宕机。

而这次故障的背后依然是官僚化严重、向心力不足的典型欧洲式困境。

就与作为欧洲招牌项目的空客集团刻意地将产业链拉长并分散在法国、德国和西班牙三个核心国家一样,彰显欧洲团结的伽利略计划也被人为地切割成多个权力机构和产业链端,并且雨露均沾式地分配给德国、法国、意大利三个倡议发起国。

统筹欧洲所有太空计划的欧洲空间局(ESA)总部自成立以来一直设于巴黎,自从俄罗斯的联盟号火箭被抛弃之后,卫星发射的相关业务就全部落入了法国的阿丽亚娜5型火箭头上。发射中心也同样选择了法属圭亚那的库鲁基地。

至于德国和意大利则分到了地面控制中心的管理权。伽利略系统的地面控制中心一式两份,分别设于慕尼黑附近的Oberpfaffenhofen以及罗马附近的Fucino。而负责日常运营的欧洲导航卫星系统管理局(GSA)选址则采取折衷方案,最终花落捷克首都布拉格。

复杂的分权模式正是导致去年伽利略系统宕机的直接诱因。

彼时,伽利略导航卫星因星载时钟无法与地面控制中心的原子钟正确同步,使得定位精度逐步下降。

不过,该问题并非严重的技术问题,尤其是一式两份的慕尼黑和罗马两大控制中心的冗余设计本应轻易规避该类问题的发生。但事实上,复杂的冗余设计反而是导致故障发生的导火索。当时罗马方面在系统检查时因发现若干错误而需要进行维修工作,但是本应启动备份、接手控制工作的德国人却未采取行动,而在进行软件升级工作。

两大控制中心的同时全部掉线使得伽利略系统宕机自然无法避免,而德国人掉链子的原因仅仅是没有人就此事知会过慕尼黑控制中心。

根据欧洲导航卫星系统管理局之后的报告显示,故障本可以在发生之后六小时内得以解决。之所以故障持续了一周时间无法解决,则是因为复杂的沟通机制。德国、意大利的控制中心分别由德国宇航局DLR和意大利通信公司Telespazio运营。但是在故障排除阶段还需要布拉格的欧洲导航卫星系统管理局协调,该管理局作为欧盟实际领导的机构还在布鲁塞尔设有代表机构。由于此次故障影响恶劣,欧盟委员会和欧洲空间局也加入了决策层面。至此,德、意的双方合作迅速变成了一场“六方会谈”。

一位匿名的欧洲导航卫星系统管理局员工在接受德国电视二台采访时,就将系统长时间的宕机归咎于“不必要的流程和过于复杂的组织架构”。

欧洲自强梦

虽然既烧钱、机构又臃肿的伽利略系统并不令人省心,但在20年内欧洲人却从未停止过对其的投入。

世纪之交以来,欧洲人便将伽利略系统视为自主创新、摆脱对美国依赖的关键项目之一。

美国GPS系统一直以来都内置有选择性可用机制,即有能力在定位信号中人为加入误差值。虽然为了应对俄罗斯格洛纳斯和伽利略以及北斗系统的挑战,克林顿政府后期便已经宣布不再使用该功能,但欧洲方面坚持认为,涵盖飞机导航在内的定位功能是如此重要,以至于不能依赖于一个有瑕疵的系统。

自觉受到挑战的美国人第一时间对伽利略计划表示了强烈反对。尤其是伽利略系统最初选择的信号频段与GPS系统的军用频段有部分重叠,这使得美军在战时无法在不影响自身频段的前提下屏蔽伽利略的信号。而纯商用的伽利略信号的存在,使得美国敌对国的制导武器可以在战时正常使用。为此美国一度表态无法保证不在战时击落伽利略卫星。

除了军事上存在被切断信号的风险,欧洲人还需要一款能够更好覆盖高纬度地区的导航系统,以满足北欧的需求。为此,伽利略系统中的8颗卫星特意选用了3个中地球轨道平面的布置形式。

欧洲人的另一个需求则是希望完善原有的全球卫星搜救系统。伽利略系统不仅拥有将求救信号转发至救援协调中心的能力,还具备反馈信号功能。伽利略的搜索与救援服务(SAR)可以将定位时间从旧版本GPS系统的三小时缩短至10分钟。

此外在经济层面上,欧洲人还希望通过伽利略系统更精密的时间信号以提升本土银行、金融以及通信行业的竞争力。

欧洲导航卫星系统管理局2019年公布的报告中显示,全球卫星定位导航市场价值高达1750亿欧元。欧盟若想在这个由GPS垄断的市场中分得一杯羹,伽利略系统必不可少。

卫星导航系统与国家主权在多大程度上相关,一个典型的案例便是已经脱欧的英国。

伽利略系统的使用权问题也是脱欧之后英欧矛盾中的冰山一角。

根据伽利略系统的设计,虽然该系统为纯商用系统,但也拥有免干扰的加密信号功能,主要针对救援以及包括制导武器在内的军事用途。不过这一被称为公共管制服务(Public Regulated Service)的功能并不对第三国开放。

关于英国在脱欧之后能否继续享受公共管制服务的争议,以伦敦要求退还14亿欧元前期建设费用,以及威胁动用30亿英镑建立英国自有定位系统拉开序幕。直至今日,双方仍未就此达成一致。布鲁塞尔方面对伦敦的威胁一直嗤之以鼻,认定英国无力独立打造耗资巨大的卫星导航系统,甚至将位于英国的地面基站全数迁至西班牙。

还有未来吗?

英欧双方的谈判拖而不决,但是随着北斗系统的部署完毕,伽利略系统在进度上落后于美国的GPS系统、北斗系统以及俄罗斯的格洛纳斯系统已经是既定的现实。

伽利略系统还能在美俄中的夹击下获得一席之地吗?况且即便是日本和印度也已经推出了仅覆盖本国附近区域的独立导航系统QZSS和IRNSS。

至少在欧洲导航卫星系统管理局看来,商用服务领域更高的精度以及完全民用化条件下的数据保护是伽利略系统的最大优势。

虽然其他各大导航系统都在逐步完善商用服务的定位精度,且拥有数据并不完全公开的军用服务,但欧洲导航卫星系统管理局一直强调伽利略系统20厘米级别的精度具备独有的优势。欧盟委员会在2018年就已宣布将该级别的精度定位免费开放。此外,每颗伽利略卫星都配有2座铷原子钟和2座被动型氢钟,其授时服务的精度仍是北斗系统无法比拟的。

一向强调数据隐私保护的欧洲人也不忘记将没有军方背景作为伽利略的另一大卖点。美国GPS和俄罗斯格洛纳斯皆发展于冷战时期,而北斗系统在高纬度地区与其他系统相比并无优势,能否进入美国市场也仍是未知数。

欧洲导航卫星系统管理局和欧盟委员会去年9月公布的数据显示,目前使用伽利略定位服务的手机数量已经超过10亿。考虑到欧盟境内2018年以后生产的所有车辆求救系统也均需使用伽利略信号,伽利略的实际应用终端已经远超10亿台。

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目前,几乎所有主流智能手机都支持美欧中俄的四大定位服务。图源:GPSTest App

不过,即便在世界全球化受阻、区域化加强的今天,兼容GPS系统的伽利略系统想要取代GPS在商业上并不切实际。全球最大的户外定位设备商美国佳明公司(Garmin)就选择了多系统公用的模式,以在山谷等地形环境下加强定位精度。一般而言,定位和授时需要至少接受四颗卫星的信号,六颗以上的卫星将显著提高定位精度。在可预计的未来,伽利略和北斗系统都将作为GPS系统的辅助与兼容服务长期存在。

即便是总部设于阿姆斯特丹、被奥迪宝马奔驰三家德国豪华品牌车企联合收购的纯血欧洲企业Here地图也表示,伽利略系统是定位服务中的重要一环,对更多的定位系统持欢迎态度。

至少,对于在互联网时代已经落后的欧洲人来说,精确定位服务是未来自动驾驶不可替代的核心冗余设计。拥有伽利略系统的欧洲人或许将在下一个风口不再受制于人。

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