伽利略卫星定位系统

**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太空總署和歐洲導航衛星系統管理局建造，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和義大利的富齊諾。這個造價五十億歐元的計畫是以義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）是提供給所有使用者免費使用的，高精度定位服務僅提供給付費使用者使用。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。

伽利略系統是中地球軌道搜救衛星系統的一部分，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，可以把求救訊號從事故地點傳送到救援協調中心，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訊號到事故地點處，通知求救人員他們的訊號已被收到，相應的救援也正在展開。現有的全球衛星搜救系統是不具備回饋訊號功能的，所以伽利略系統這個發訊息功能被認為是對全球衛星搜救系統的一個重要升級。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。

伽利略系統的第一顆試驗衛星 GIOVE-A 於 2005 年 12 月 28 日發射，第一顆正式衛星於 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。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。 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。

2020 年初，伽利略系統 26 顆衛星中，22 顆正常運轉並提供服務、2 顆在測試中、另 2 顆不可用。

直至 2022 年 5 月，該系統有 23 顆衛星運作中，自 2011 開始正式組建 10 年後尚未完成。原計劃推遲到 2021 年 24 顆工作衛星在軌的目標又再失敗，離伽俐略全系統設計的 30 顆衛星更遙遙無期。

## 系統目的

建造此系統的目的有以下幾點:

* 為使用者提供更準確的數據，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

### 主要目的

伽利略系統的的三大投資方（德國、法國和義大利）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，歐盟和歐洲太空總署正式批准了這個計畫的第一階段計劃。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）。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

2001 年 11 月，有幾份據稱是該計畫「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，歐盟執委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，引發了歐盟執委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。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」。

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。

歐盟與歐洲太空總署於 2002 年 3 月同意為該計劃注資，並計劃於 2003 年稽核該報告（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。該計畫所需的衛星（需 30 顆）計劃於 2011 年至 2014 年之間發射，並開始建造、執行該系統，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太空總署來承擔。伽利略系統的_開放服務_提供給所有安裝有使用者免費使用，只需要使用者安裝一個相容的接收器即可。付費使用者可以使用經過加密的大寬頻高精度_商務服務_。到了 2011 年初，該計畫的實際花費已超出了最初預算的 50%。

德國航空太空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、通訊與導航研究院對伽利略系統的研發與應用是至關重要的。

### 與美國的緊張關係

歐盟的伽利略系統旨在建立一個向所有使用者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，為美國軍事使用者提供高精度的定位服務，同時也為其他使用者提供低精度定位服務。GPS 可以在其軍用訊號（M 波段）不被干擾的情況下關閉民用訊號。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使用者使用 GPS 訊號。

伽利略系統的目的是為所有使用者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訊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導引）。伽利略系統最初選用的頻率使得美國無法在不干擾 GPS 訊號的的情況下封鎖掉伽利略系統。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。當有報導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。

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。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封鎖不會影響到另一個系統（封鎖伽利略系統的同時不影響 GPS，或者封鎖 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。

#### GPS 和伽利略系統

應美國軍方的要求，GPS 使用了選擇可用性機制，其定位資訊被故意加入了誤差，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，包括飛機導航和著陸裝置，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・柯林頓停止了 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。但這時的 GPS 系統仍然具備選擇可用效能力，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；聲明稱，將於 2009 年發射的 Block IIF 系列衛星，以及後續的所有 GPS 衛星都不支援選擇可用性機制。所有的老式衛星將在 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。這個現代化的計畫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

2004 年 6 月，歐盟與美國簽署了協定，同意在伽利略系統中使用「二進位偏置載頻 1.1」標準，就此 GPS 和伽利略系統互相容合，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

伽利略系統的第一顆試驗衛星 GIOVE-A 於 2005 年 12 月發射，隨後，第二顆測試衛星 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 個交通部長達成協定，伽利略系統將在 2013 年投入營運，但是，會後的新聞稿表明，它將被推遲到 2014 年。

### 再次注資，管理問題

2006 年中，為伽利略系統注資的政府社會資本共同體瓦解，歐盟執委會決定將伽利略系統國有化。

2007 年年初，歐盟還未決定如何負擔這個計畫的經費，據說伽利略系統由於缺乏公共經費支援陷入了「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計畫。

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計畫上，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，以降低招標標準來邀請更多的企業來投資伽利略系統。

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，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，導致了計畫於 2007 年停擺，並導致了進一步的延遲和失敗。

2010 年，智庫「開放歐洲」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。

2009 年 11 月，伽利略系統在法屬圭亞那庫魯太空中心的地面站正式落成。

按計劃，前四顆「在軌驗證衛星」（IOV）將於 2011 年下半年發射，「完全執行能力衛星」（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，歐盟執委會衛星導航計畫的主管 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 個星期沒有導航訊號」。

2010 年 7 月，歐盟執委會評估，伽利略計畫的額外費用將上升到 15 億至 17 億歐元，計畫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。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）。

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。

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 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」。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。

2011 年 10 月 21 日，伽利略的前兩顆在軌驗證衛星由聯盟 ST-B 火箭在蓋亞那太空中心發射 ，另外兩顆於 2012 年 10 月 12 日發射。

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。

### 服務中斷

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）。訊息指，事件是由於地面的精確計時裝置故障，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。事件起因是地面的精確計時裝置出現異常，令定位誤差上升至 80 公里。

## 國際參與

2003 年 9 月，中國加入了伽利略計劃，並將以後為該計畫投資 2.3 億歐元（約合 23.4 億元人民幣）。

2004 年 7 月，以色列與歐盟簽訂了協定，成為了伽利略系統的合作夥伴。

2005 年 6 月 3 日，據報導，歐盟與烏克蘭簽署了一份協定，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。

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。

2006 年 12 月，中國選擇獨立自主開發北斗導航系統。
早期，伽利略系統被看作是一個政府財政參與的私營計畫，計畫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，由於歐盟執委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定。

2007 年 11 月 30 日，歐盟的 27 個成員國一致同意將推進伽利略計畫的建設，該計劃基於德國和義大利提出的方案。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計畫的可行性，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定，那麼這個陷入長期困擾的計畫實際上將會終結。 
2009 年 4 月 3 日，挪威也加入了伽利略計畫，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，但其是歐洲太空總署的成員。

2013 年 12 月 18 日，瑞士簽署了一份合作協定，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。作為歐洲太空總署的成員，瑞士之前已經參與了伽利略計畫，提供了本國最先進的氫微波激射器時鐘。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。

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」。

## 系統概述

### 衛星

* 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**

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

「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，開放服務的訊號將會廣播 1164-1214MHz 及 1563-1591MHz 兩個頻帶上。同時接收兩個頻帶的訊號水平誤差小於 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

每顆衛星都有兩個銣原子鐘和兩個被動氫原子微波激射器時鐘，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訊號，可以計算出這些訊號從發出到接收花費了多長時間。利用不同衛星發射來的資訊，結合三邊測距原理，就可以計算出接收器所在的位置。

## 進度

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利安 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 將改用研發中的亞利安 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

## 參考文獻

## 延伸閱讀

## 外部連結

* 官方網站
* Galileo ESA website （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* European GNSS Supervisory Authority (GSA) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） – Europa
* Navipedia information on Galileo （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）—Wiki initiated by the European Space Agency
* Galileo 11 Real Time Tracking
* Galileo 12 Real Time Tracking