7月12日星期五，國內的天文愛好者們開始注意到一件不尋常的事情：“伽利略”的導航信息停止更新了。
伽利略（GALILEO）是歐盟開發的衛星導航系統，與美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、中國的北斗（BeiDou）並稱全球四大導航系統。伽利略計劃一共發射30顆衛星，目前已經成功發射24顆，開始具備全部導航功能。
這次崩潰非同小可，24顆衛星從UTC時間7月11日01:00起全部失靈，持續5天時間。導航領域專業媒體Inside GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）稱之為“全球衛星導航系統歷史上最嚴重的故障”。
經過緊張的全天候搶修，根據國際GMSS監測評估系統（iGMAS）17日發布的最新消息，“伽利略”衛星導航系統終於在UTC時間7月16日19時恢復服務。但是，為什麽這次故障會如此嚴重？伽利略導航系統未來還有希望嗎？
原子鍾：導航系統的“心髒”
伽利略官方目前仍然沒有公布關於故障的具體信息。據Inside GNSS報導，這次故障與精確計時設施（Precise Timing Facility，簡稱PTF）有關。
精確計時在導航系統中發揮著重要的作用。在使用導航服務的時候，衛星會將攜帶著發射時間與衛星位置信息的微波發送到我們的電子設備上，設備根據發射與接收之間的時間差，計算出衛星與我們之間的距離，進而確定我們的位置。在這個過程中，僅僅幾納秒的時間誤差就會導致數米的定位偏差。
為了精確計時，各大導航都使用了原子鍾。當原子從高能級向低能級躍遷時，會發出特定頻率的異塵餘生（電磁波），只要知道這個異塵餘生的頻率，就可以通過測量異塵餘生波的波動次數，精確地計量時間。
在伽利略衛星導航系統中，每一顆衛星和地面的控制中心都設有原子鍾。衛星上的原子鍾主要用於計量信號發射時間，而地面上的原子鍾則用於估測衛星目前所在的軌道，以及測量衛星原子鍾和地面原子鍾的時間差。其他三大導航系統也採用了相似的工作原理。
伽利略在地面上的精確計時設施有兩處，分別位於意大利和德國，其中一個作為備用系統。過去兩年中伽利略發生過兩次嚴重故障，也都和該設施有關。而在最近這次故障中，兩個精確計時設施同時失靈，導致天上的24顆衛星全部無法工作。
星間鏈路：讓衛星之間無障礙溝通
為什麽兩處故障就會導致整個系統失靈呢？這是因為和其他三大導航系統相比，伽利略的一個關鍵技術還十分不完善，那就是星間鏈路。
星間鏈路就像是衛星之間的Wi-Fi，讓衛星通過光學載波傳輸信息。與無線通信使用的射頻載波不一樣的是，星間鏈路使用的載波處在紅外線波段，有更強的抗電磁干擾能力，並且它隻適用於太空環境，在大氣層中會快速衰減，使得衛星之間的通訊無法被地面設備探測或干擾。
在日常工作中，星間鏈路技術讓衛星能夠直接和其他衛星聯繫，從而減少對地面設備的依賴。美國的GPS導航擁有遍布全球的地面控制點，而俄羅斯的GLONASS和中國的北斗導航，地面控制點主要位於各自的國境之內，那些飛出國境上空的衛星就依靠星間鏈路技術與系統保持聯繫。當北斗導航系統全部建成後，即使地面站全部失效，30多顆導航衛星也能通過星間鏈路相互校準，為地面用戶提供準確的定位及導航服務。
自主導航：大國必爭之器
導航不僅能方便人們的生活，更在航天科學和國防中發揮著至關重要的作用。除了伽利略之外，其他三大導航系統都由各國軍方管理。美國的GPS、俄羅斯的GLONASS都是從冷戰期間開始建造。進入21世紀，歐洲航天局（ESA）也發起伽利略項目，力圖擺脫對GPS系統的依賴。
伽利略項目最初由歐盟與私人企業和其他非歐盟國家合作建設。中國於2003年9月加入伽利略項目，並計劃在接下來幾年中投資23.4億人民幣參與項目建設。但是到2006年年中，歐盟與私人企業的合作破裂，從此項目由歐盟全權管理。同年11月，中國退出項目，全力建設北斗導航系統。
接下來，北斗導航系統按計劃穩步推進，先後建成了北斗一號、北斗二號系統。北斗三號系統正在建設中，2012年起開始向亞太地區提供服務，目前已從區域服務邁向全球覆蓋，預計2020年完成全球組網建設。
相比之下，伽利略導航系統的建設可以說有些坎坷。伽利略原計劃也在明年完全建成，此前它已經歷了兩次重大故障、預算超支和英國脫歐退出項目，近期剛剛開始提供全球服務。在這個時候再發生這樣的重大故障，無疑會大大打擊人們對它的信心。正如在InsideGNSS的報導中，有受訪者評論：“伽利略還有希望，但它需要作出一些重大改變。”
作者 | 劉勤 戚譯引
審校 | 常建松 北京控制工程研究所 高級工程師
責編 | 高佩雯
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