伽利略和北斗競爭優勢何在？72台衛星原子鐘9台完蛋

圖：伽利略衛星

根據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星導航系統目前陷入了很糟糕的困境中——18顆衛星的72台原子鐘，竟然有高達9台出現故障，包括3台銣原子鐘和6台氫原子鐘。

由於衛星本身採取了冗餘度非常高的可靠性設計——每顆衛星都配備兩台銣原子鐘和兩台氫原子鐘，因此目前總體上，18顆伽利略衛星依舊能保持正常工作。但是如此高的故障率，對於伽利略衛星系統在長期服役中的總體可靠性和實際實用壽命，顯然是非常強烈的壞徵兆。

圖：2006年發射的伽利略GIOVE-A衛星系統構架圖，紅圈中為原子鐘。它是作為技術驗證衛星發射的，當時並沒有搭載氫原子鐘，只有兩台銣原子鐘。

圖：GIOVE-A衛星的載荷拓撲，

圖：右下角的兩個密封汽缸結構，就是伽利略衛星的兩台氫原子鐘。值得特別指出的是，氫原子鐘是隨著伽利略系統首次在衛星上使用，因此故障率較傳統銫原子鐘和銣原子鐘高是可以預期的——但是伽利略這次的總體原子鐘故障率未免有些離譜。

衛星導航系統的定位原理是通過近似於三角測量的方法實現的。接收機——比如手機、汽車導航儀器等等，它接收多個導航衛星發射的無線電信號，並且計算出這些信號從衛星發出到自己接受到，各自花了多少時間。通過這個時間，接收機能非常精確的測量出它相對於多顆衛星的遠近關係，從而計算出它在地球上的哪一個地方。

圖：衛星定位的確切原理比較複雜，這裡不多贅述，大致上按照三角測量去理解就好

圖：在接收機本身沒原子鐘的情況下，需要多一顆衛星才能定位，即至少4顆

按照覆蓋全球的典型導航設計來說，接收機至少需要三個衛星的信號才能完成自己的定位。當然中國的北斗系統，早期採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據來取代第三顆衛星的信號，只能在有限的經緯度地區內使用且精度不高。這麼做的原因，是當年只計劃發射兩顆衛星——備份星計劃是在最初的兩顆北斗衛星發射成功以後，才開始申請並得以通過的。

因此對於導航衛星本身來說，極高精度的時間系統就是最核心、最關鍵的設備之一；一旦失去準確的計時能力，一顆衛星就無法再提供可靠的定位服務——相反它只會把問題攪得一團糟。為了解決計時的精度問題，導航衛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衛星的銣原子鐘結構

理論上接收機也需要很精確的時間——但是絕大多數接收機都不可能去裝原子鐘的，這玩意一台至少是價值好幾十萬；因此目前的絕大多數接收機，都是通過巧妙的數學方程組設計，依靠引入額外的一顆衛星的信號，把自己的時間給以等同於原子鐘的精度計算出來。因此嚴格來說，目前絕大多數接收機，需要至少4顆衛星提供信號才能完成精確定位。

原子鐘的概念最早在1944年，由美國科學家、諾貝爾獎獲得者拉比提出；他發現原子的自然共振頻率本身極為精確，因此依靠這一原理，就可以製造出數千萬年才會誤差1秒鐘的超高精度計時系統。當然原子鐘本身的精度，受到具體設計製造水平、體積重量和功耗的限制而有所不同；衛星上的原子鐘，就需要靠地面原子鐘的數據進行定期校正。目前最準確的原子鐘是美國國家標準局的鋁原子鐘，37億年誤差在1秒內。

圖：完整的伽利略系統

完整版本的伽利略系統計劃安排30顆衛星，27顆衛星作為主要工作衛星，3顆作為熱備份衛星。但是現在衛星數量上伽利略也很受挫折：一顆早期版本的IOV衛星已經無法再提供服務，2014年，兩顆預計提供完整正式服務的FOC衛星，被俄羅斯聯盟ST-B火箭的發射事故，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。