歐洲伽利略和中國北斗競爭優(yōu)勢何在？72臺衛(wèi)星原子鐘9臺完蛋

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

　　由于衛(wèi)星本身采取了冗余度非常高的可靠性設(shè)計——每顆衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)在長期服役中的總體可靠性和實際實用壽命，顯然是非常強(qiáng)烈的壞征兆。

　　圖：2006年發(fā)射的伽利略GIOVE-A衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)架圖，紅圈中為原子鐘。它是作為技術(shù)驗證衛(wèi)星發(fā)射的，當(dāng)時并沒有搭載氫原子鐘，只有兩臺銣原子鐘。

　　圖：GIOVE-A衛(wèi)星的載荷拓?fù)?/p>

　　圖：右下角的兩個密封汽缸結(jié)構(gòu)，就是伽利略衛(wèi)星的兩臺氫原子鐘。值得特別指出的是，氫原子鐘是隨著伽利略系統(tǒng)首次在衛(wèi)星上使用，因此故障率較傳統(tǒng)銫原子鐘和銣原子鐘高是可以預(yù)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理是通過近似于三角測量的方法實現(xiàn)的。接收機(jī)——比如手機(jī)、汽車導(dǎo)航儀器等等，它接收多個導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，并且計算出這些信號從衛(wèi)星發(fā)出到自己接受到，各自花了多少時間。通過這個時間，接收機(jī)能非常精確的測量出它相對于多顆衛(wèi)星的遠(yuǎn)近關(guān)系，從而計算出它在地球上的哪一個地方。

　　圖：衛(wèi)星定位的確切原理比較復(fù)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(jī)本身沒原子鐘的情況下，需要多一顆衛(wèi)星才能定位，即至少4顆

　　按照覆蓋全球的典型導(dǎo)航設(shè)計來說，接收機(jī)至少需要三個衛(wèi)星的信號才能完成自己的定位。當(dāng)然中國的北斗系統(tǒng)，早期采用了簡化的雙星定位工作模式;但是代價很大——需要精確的地面高低數(shù)據(jù)來取代第三顆衛(wèi)星的信號，只能在有限的經(jīng)緯度地區(qū)內(nèi)使用且精度不高。這么做的原因，是當(dāng)年只計劃發(fā)射兩顆衛(wèi)星——備份星計劃是在最初的兩顆北斗衛(wèi)星發(fā)射成功以后，才開始申請并得以通過的。

　　因此對于導(dǎo)航衛(wèi)星本身來說，極高精度的時間系統(tǒng)就是最核心、最關(guān)鍵的設(shè)備之一;一旦失去準(zhǔn)確的計時能力，一顆衛(wèi)星就無法再提供可靠的定位服務(wù)——相反它只會把問題攪得一團(tuán)糟。為了解決計時的精度問題，導(dǎo)航衛(wèi)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(wèi)星的銣原子鐘結(jié)構(gòu)

　　理論上接收機(jī)也需要很精確的時間——但是絕大多數(shù)接收機(jī)都不可能去裝原子鐘的，這玩意一臺至少是價值好幾十萬;因此目前的絕大多數(shù)接收機(jī)，都是通過巧妙的數(shù)學(xué)方程組設(shè)計，依靠引入額外的一顆衛(wèi)星的信號，把自己的時間給以等同于原子鐘的精度計算出來。因此嚴(yán)格來說，目前絕大多數(shù)接收機(jī)，需要至少4顆衛(wèi)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(xiàn)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(shù)千萬年才會誤差1秒鐘的超高精度計時系統(tǒng)。當(dāng)然原子鐘本身的精度，受到具體設(shè)計制造水平、體積重量和功耗的限制而有所不同;衛(wèi)星上的原子鐘，就需要靠地面原子鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期校正。目前最準(zhǔn)確的原子鐘是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的鋁原子鐘，37億年誤差在1秒內(nèi)。

　　圖：完整的伽利略系統(tǒng)

　　完整版本的伽利略系統(tǒng)計劃安排30顆衛(wèi)星，27顆衛(wèi)星作為主要工作衛(wèi)星，3顆作為熱備份衛(wèi)星。但是現(xiàn)在衛(wèi)星數(shù)量上伽利略也很受挫折：一顆早期版本的IOV衛(wèi)星已經(jīng)無法再提供服務(wù)，2014年，兩顆預(yù)計提供完整正式服務(wù)的FOC衛(wèi)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，實際已上已成為無法實用的太空垃圾。