星钟之殇—“伽利略”系统与“印度区域导航卫星系统”都面临重大难题

星钟之殇—“伽利略”系统与“印度区域导航卫星系统”都面临重大难题

Major Problems Faced by Galileo and IRNSS

刘春保 （北京空间科技信息研究所）

进入2017年，发生了2件可能影响未来全球卫星导航领域发展的大事件，欧洲“伽利略”（Galileo）系统与“印度区域导航卫星系统”（lRNSS）先后发生大规模的星钟故障，6部氢钟、6部铷钟共12部星载原子钟先后发生故障，涉及5颗Galileo卫星、1颗lRNSS卫星等6颗卫星，其中1颗lRNSS卫星的3部铷钟全部发生故障，印度计划2017年下半年发射补充卫星；欧洲航天局（ESA）也将原计划于2017年8月进行的Galileo卫星发射暂时推迟到了11月。

1 事件概况

“伽利略”系统星钟故障

2017年1月19日，欧洲航天局官方发布Galileo卫星星钟故障通告，通告称：欧洲Galileo导航卫星系统发生大规模星上原子钟运行故障，涉及到在轨运行的2种型号的5颗卫星和2种类型的9部星载原子钟（1部氢原子钟被成功启动，未统计在内）。

2016年12月15日，欧盟与欧洲航天局宣布Galileo卫星导航系统具备初始运行能力，开始提供初始服务，并发布了星座运行状态。截至目前，欧洲航天局已经发射了20颗Galileo系列导航卫星，除2颗早期的Galileo试验卫星正式退役外，其余18颗卫星均作为在轨运行卫星，包括4颗“伽利略-在轨验证”（Galileo-IOV）卫星和14颗“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星。但实际投入导航服务的卫星仅有11颗，另有2016年11月新发射的4颗Galileo-FOC卫星处于入轨测试阶段，1颗2012年10月发射的Galileo-IOV卫星因电源故障正处于挽救之中，2014年8月发射的2颗Galileo-FOC卫星因火箭故障未准确入轨，主要用于技术试验。

每颗Galileo-IOV和Galileo-FOC卫星均带有2部铷钟和2部氢钟。因此，目前Galileo系统在轨运行的18颗卫星共装备72部星钟，其中铷钟36部、氢钟36部。正常运行时，以1部氢钟作为主钟，为卫星提供精确时间；以1部铷钟作为热备份钟，保证导航服务的连续性；以另一部铷钟和另一部氢钟作为冷备份，在工作钟发生故障后接替其工作。

从欧洲航天局发布的星钟故障通告情况看，6部氢钟发生了故障，其中5部氢钟涉及3颗Galileo-IOV卫星，1部氢钟涉及1颗Galileo-FOC卫星，因此至少有2颗Galileo-IOV卫星星上的2部氢钟全部发生故障；3部铷钟发生了故障，涉及2颗Galileo-FOC卫星。其中1颗Galileo-FOC卫星铷钟和氢钟都发生了故障。欧洲航天局官员简·沃纳（Jan Woerner）表示，任何1颗Galileo卫星故障星钟的数量不超过2部。

Galileo卫星在轨状态

从上述情况判断，4颗在轨Galileo-IOV卫星中，除1颗因电源故障停止工作外，另外3颗卫星中，2颗卫星装备的2部氢钟全部故障，1颗卫星损失了1部氢钟；发生星钟故障的2颗Galileo-FOC卫星中，1颗损失了2部铷钟，另一颗则为1部铷钟和1部氢钟故障。目前，欧洲航天局和工业界已经取得一致意见，认为目前在研的Galileo-FOC卫星星上铷钟需要待故障原因查明后进行技术修改。因此，初步决定原计划于2017年8月进行的Galileo-FOC卫星“一箭四星”发射暂推迟至11月。

lRNSS系统星钟故障

继欧洲Galileo系统星钟爆发大规模故障后，2017年1月30日印度空间研究组织（ISRO）主席基兰·库马尔（Kiran Kumar）向媒体透露，2013年7月发射的印度IRNSSS系统首颗卫星—IRNSS-1A的3部铷钟全部发生故障，虽仍可播发导航信号，但精度已无法保证，计划于2017年下半年发射IRNSS-1H卫星进行替换。

IRNSS系统星座状态

2 故障分析

欧洲Galileo系统和印度IRNSS系统均采用由瑞士斯派特泰公司（Spectratime）研制的磁选态星载原子钟，区别在于IRNSS卫星仅装备3部铷钟，而Galileo卫星则装备2部铷钟、2部被动氢钟。

Galileo卫星被动氢钟

磁选态被动氢原子钟是Galileo卫星的主原子钟，其研发活动于1998年启动。最初欧洲航天局计划研发主动氢原子钟，但研究结果表明：以当时的技术水平与能力，主动氢原子钟的质量、体积、功耗等均过高，不能满足Galileo卫星小型化与空间飞行的要求。最终，欧洲航天局于2000年决定调整研发方向，研发被动氢原子钟。

2003年初，赛莱斯·伽利略公司（Selex Galileo）完成了被动氢钟工程样机的研制，并在斯派特泰公司的支持下开展了工业化生产工作。2003年6月-2005年6月对工程样机进行了连续的试验与测试，以确定其长期稳定性、可靠性和寿命。2003年1月启动Galileo被动氢钟的产品化工作，赛莱斯·伽利略公司负责电子部分，斯派特泰公司负责物理部分。产品化工作的重点是确定被动氢钟制造的可重复性、产品的可靠性，降低质量、体积、功耗（即小型化），以及相关的专用设备。2005年中，被动氢钟原型飞行样机研制完成，并进行了初始验证和测试。

Galileo卫星铷钟

为保证Galileo系统的服务性能，欧洲航天局对铷钟提出了较高的要求，基本达到了美国GPS-2F卫星星载铷钟的水平。

Galileo系统星载铷原子钟的研制工作于1997年启动，主要经历了3个发展阶段：

1）初期发展铷原子钟1（RAFS1）和用于全球导航卫星系统-1和2（GNSS-1和2）项目预鉴定模型；

2）改进后的用于寿命验证的铷钟1（RAFS1）和用于Galileo系统的鉴定件；

Galileo被动氢钟主要指标参数

Galileo铷原子钟技术指标

3）用于提高铷钟2（RAFS2）和Galileo系统有效载荷接口兼容性。

在利用Galileo试验卫星完成铷钟的飞行测试与地面试验后，斯派特泰公司又对Galileo铷钟进行了2项改进：其一，进一步优化物理部分，降低温度系数，提高了铷钟10000～50000s的中期稳定度；其二，在遵循欧洲航天局要求的前提下，将直流/直流转换器以及跟踪、遥测和遥控（TT&C）面板安装在铷钟内部。

故障分析

自2017年1月19日发布Galileo系统星载原子钟故障通告至今，欧洲航天局仍未发布故障调查结果。上述情况表明欧洲航天局尚未完成故障原因调查，或尚未形成调查结论。实际上，欧洲航天局早在2016年11月采取“一箭四星”的方式发射4颗Galileo-FOC卫星前就已经发现了在轨卫星星钟故障问题，虽然当时未意识到问题的严重性，仍按计划进行了发射，但故障调查工作已启动，组织了包括空客防务与航天公司、德国OHB公司、英国萨瑞卫星技术公司、瑞士斯派特泰公司等卫星研制企业联合开展星钟故障调查。

欧洲航天局在2017年1月19日发布的故障通告中称：①经过大量故障调查与分析工作，氢钟故障原因调查上取得了较大进展，已经揭示了氢钟的2种故障机理，一是部分氢钟的特定运行参数对工作环境变化的容忍裕度较低，从而导致故障发生，但并没有公布引发故障的特定运行参数。工程技术人员正在对温度、电压和电流等运行参数进行调整。二是在长时间冷备份后氢钟加电启动发生问题。出现故障的6部氢钟中，2部为第一种故障，4部为第二种故障。但对铷钟的故障原因调查还未有明确结论。②铷钟的故障原因调查还未有明确结论，但怀疑因地面测试的特定程序不当引发了短路。

Galileo系统与IRNSS系统相继发生星载原子钟大面积故障很可能表明斯派特泰公司研发的被动氢钟与铷钟在设计、制造、测试或其他相关方面存在缺陷，必须得到妥善解决，才能保证两个系统的发展。虽然，欧洲航天局表示“星钟故障不会影响Galileo系统初始运行服务能力”，但星钟故障肯定会对故障卫星的工作寿命产生影响，从而加大Galileo系统空间星座的更新与维持压力；如果星载原子钟再度发生故障，将使Galileo系统的发展面临更加严峻的局面。3月1日欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）发布的Galileo系统运行状态通告表明：2015年9月发射的1颗Galileo-FOC卫星处于不可用状态。虽然原因没有公布，但相信应该不是一个好消息。

截至目前，欧洲仅采购了26颗Galileo工作星（4颗Galileo-IOV卫星和22颗Galileo-FOC卫星）。为保证2020年全系统投入运行的目标，欧洲航天局于2016年9月已将Galileo卫星导航系统星座标准配置由原来的“27颗工作星+3颗备份卫星”调整为“24颗工作星+不定数量的备份卫星”。如果此次星钟故障最终引发卫星失效将极有可能影响到Galileo系统全运行能力的部署。

3 结束语

Galileo与IRNSS分别是欧洲与印度非常重要的空间基础设施，星载原子钟又是导航卫星最重要的有效载荷，在一定程度上决定了卫星导航系统的服务性能。因此，星钟问题的解决是Galileo与IRNSS系统未来发展的重要保证。

陆征/本文编辑