欧洲伽利略和中国北斗竞争优势何在？72台卫星原子钟9台完蛋

　　根据BBC新闻2017年1月18日的报道，长期拖拉延误的欧洲伽利略卫星导航系统目前陷入了很糟糕的困境中——18颗卫星的72台原子钟，竟然有高达9台出现故障，包括3台铷原子钟和6台氢原子钟。

　　由于卫星本身采取了冗余度非常高的可靠性设计——每颗卫星都配备两台铷原子钟和两台氢原子钟，因此目前总体上，18颗伽利略卫星依旧能保持正常工作。但是如此高的故障率，对于伽利略卫星系统在长期服役中的总体可靠性和实际实用寿命，显然是非常强烈的坏征兆。

　　图：2006年发射的伽利略GIOVE-A卫星系统构架图，红圈中为原子钟。它是作为技术验证卫星发射的，当时并没有搭载氢原子钟，只有两台铷原子钟。

　　图：GIOVE-A卫星的载荷拓扑

　　图：右下角的两个密封汽缸结构，就是伽利略卫星的两台氢原子钟。值得特别指出的是，氢原子钟是随着伽利略系统首次在卫星上使用，因此故障率较传统铯原子钟和铷原子钟高是可以预期的——但是伽利略这次的总体原子钟故障率未免有些离谱。

　　卫星导航系统的定位原理是通过近似于三角测量的方法实现的。接收机——比如手机、汽车导航仪器等等，它接收多个导航卫星发射的无线电信号，并且计算出这些信号从卫星发出到自己接受到，各自花了多少时间。通过这个时间，接收机能非常精确的测量出它相对于多颗卫星的远近关系，从而计算出它在地球上的哪一个地方。

　　图：卫星定位的确切原理比较复杂，这里不多赘述，大致上按照三角测量去理解就好

　　图：在接收机本身没原子钟的情况下，需要多一颗卫星才能定位，即至少4颗

　　按照覆盖全球的典型导航设计来说，接收机至少需要三个卫星的信号才能完成自己的定位。当然中国的北斗系统，早期采用了简化的双星定位工作模式;但是代价很大——需要精确的地面高低数据来取代第三颗卫星的信号，只能在有限的经纬度地区内使用且精度不高。这么做的原因，是当年只计划发射两颗卫星——备份星计划是在最初的两颗北斗卫星发射成功以后，才开始申请并得以通过的。

　　因此对于导航卫星本身来说，极高精度的时间系统就是最核心、最关键的设备之一;一旦失去准确的计时能力，一颗卫星就无法再提供可靠的定位服务——相反它只会把问题搅得一团糟。为了解决计时的精度问题，导航卫星上目前普遍搭载了精度极高、但重量和体积又可以接受的原子钟。

　　图：GPS卫星的铷原子钟结构

　　理论上接收机也需要很精确的时间——但是绝大多数接收机都不可能去装原子钟的，这玩意一台至少是价值好几十万;因此目前的绝大多数接收机，都是通过巧妙的数学方程组设计，依靠引入额外的一颗卫星的信号，把自己的时间给以等同于原子钟的精度计算出来。因此严格来说，目前绝大多数接收机，需要至少4颗卫星提供信号才能完成精确定位。

　　原子钟的概念最早在1944年，由美国科学家、诺贝尔奖获得者拉比提出;他发现原子的自然共振频率本身极为精确，因此依靠这一原理，就可以制造出数千万年才会误差1秒钟的超高精度计时系统。当然原子钟本身的精度，受到具体设计制造水平、体积重量和功耗的限制而有所不同;卫星上的原子钟，就需要靠地面原子钟的数据进行定期校正。目前最准确的原子钟是美国国家标准局的铝原子钟，37亿年误差在1秒内。

　　图：完整的伽利略系统

　　完整版本的伽利略系统计划安排30颗卫星，27颗卫星作为主要工作卫星，3颗作为热备份卫星。但是现在卫星数量上伽利略也很受挫折：一颗早期版本的IOV卫星已经无法再提供服务，2014年，两颗预计提供完整正式服务的FOC卫星，被俄罗斯联盟ST-B火箭的发射事故，射入了彻底错误的轨道，实际已上已成为无法实用的太空垃圾。