伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星原子鐘大量故障 歐洲緊急商討對策

據(jù)英國網(wǎng)站報道，歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“伽利略”組網(wǎng)衛(wèi)星上的原子鐘日前出現(xiàn)大規(guī)模故障，已經(jīng)到了危及系統(tǒng)安全的地步。在全部目前在軌運行的18顆衛(wèi)星上，共有9臺原子鐘出現(xiàn)了故障并停止運行。發(fā)生故障的設(shè)備中有三臺是傳統(tǒng)的銣原子鐘，另外六臺則是精度更高的氫原子鐘，這些高精度原子鐘的采用，其目的就是想讓伽利略導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠達到超越美國GPS系統(tǒng)的精度。

在軌運行的歐洲伽利略導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星

正在組裝的伽利略衛(wèi)星。圖像右下方的那兩個圓柱體就是氫原子鐘

就在去年12月份，歐洲正式宣布伽利略系統(tǒng)開始投入運行。然而，僅有18顆在軌運行的衛(wèi)星是不足以支撐一個全球性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的，因此現(xiàn)在到了一個關(guān)鍵性時刻，歐洲必須決定是否現(xiàn)在就要先把后續(xù)衛(wèi)星的發(fā)射計劃暫停，等待原子鐘的問題解決后再繼續(xù)。

歐洲空間局(ESA)的主管詹·沃納(Jan Woerner)博士在記者會上表示：“每個人都在問同樣的問題：我們是否先應(yīng)該停下來檢查問題所在，還是繼續(xù)發(fā)射計劃?”

他說：“你可以說，這兩個答案都對。你可以說我們將會選擇等待，直到我們解決原子鐘的問題，但那就意味著如果軌道上有更多的原子鐘損壞，那么伽利略系統(tǒng)的能力將被削弱。但如果我們繼續(xù)發(fā)射，我們或許不能提升伽利略的能力，但至少能夠使其維持當前水平，但那樣的話你可能就要承擔一項重大風險，那就是或許我們沒有將某種潛在系統(tǒng)風險考慮在內(nèi)。目前我們正就下一步的行動策略開展討論。”

仍在運行

每顆伽利略衛(wèi)星都安裝有兩臺銣原子鐘和兩臺氫原子鐘，這樣的冗余設(shè)置確保一旦部分原子鐘出現(xiàn)故障，衛(wèi)星也能繼續(xù)維持工作。目前全部在軌的18顆衛(wèi)星都仍在正常工作，但其中有一顆衛(wèi)星上的原子鐘壞了兩臺，只剩下另外兩臺在正常工作。大多數(shù)的氫原子鐘故障(5臺)都發(fā)生在早期發(fā)射用于技術(shù)驗證的衛(wèi)星上，而全部的三臺銣原子鐘故障全都發(fā)生在后續(xù)發(fā)射的組網(wǎng)衛(wèi)星上。

歐空局設(shè)在荷蘭境內(nèi)“歐洲空間研究與技術(shù)中心”(ESTEC)的工作人員目前正在與這些原子鐘的制造商(瑞士Spectratime公司)以及衛(wèi)星制造商(空中客車公司、泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、OHB公司以及SSTL公司)方面一同嘗試判斷故障發(fā)生的原因。到目前為止，工程師團隊已經(jīng)成功地讓一臺停止工作的氫原子鐘恢復(fù)了工作。

歐空局還與印度空間局方面取得了聯(lián)系，因為后者正在建設(shè)中的空間導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用了與此次發(fā)生故障的衛(wèi)星同樣型號的原子鐘，但后者目前還尚未經(jīng)歷類似的故障現(xiàn)象。

挽救努力

歐空局在周三晚間發(fā)表的一份聲明中給出了有關(guān)此次事件的更多細節(jié)。從目前的判斷來看，工程師們認為銣原子鐘的問題似乎都存在一種共同的模式，可能與電路短路有關(guān)系，短路的原因則可能與地面上進行的某一測試環(huán)節(jié)有關(guān)系。

而氫原子鐘的問題工程師們認為對其有稍多一些的了解，他們認為可能有兩個原因，其中第二個原因的可能性更高。根據(jù)歐空局的聲明，這里提到的第二種原因是“當正常的氫原子鐘長時間被關(guān)閉之后將難以再次正常重啟。”

歐空局已經(jīng)采取措施防止后續(xù)發(fā)生更多類似問題。其中包括改變在軌原子鐘的運行方式，另外未來將要發(fā)射的衛(wèi)星上的原子鐘也將專門做改進措施，而未來新制造的原子鐘還將重新改進設(shè)計。盡管出現(xiàn)了這樣的問題，歐空局仍然希望能夠在2017年內(nèi)將剩余的4顆待發(fā)射衛(wèi)星送入軌道。對于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)來說，高精度的原子鐘是這項技術(shù)的核心。伽利略衛(wèi)星上使用的氫原子鐘精度可以達到每300萬年誤差不超過1秒。這樣的精度已經(jīng)超過了美國GPS系統(tǒng)的民用信號水平。

根據(jù)設(shè)計，一個全部成型的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)將包括24顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星分為3個不同軌道層面。但除此之外還需要備份星，從而保證一旦故障發(fā)生時能夠及時替補。再加上早期發(fā)射的衛(wèi)星開始老化，需要更換新的衛(wèi)星。因此可以說整個伽利略系統(tǒng)基本上都是處在不斷發(fā)射新衛(wèi)星更新維護當中的。歐洲最新發(fā)射的4顆衛(wèi)星是在去年11月份以一箭四星的方式發(fā)射升空的，按計劃今年還將安排一次這樣的發(fā)射。

伽利略系統(tǒng)是由歐盟委員會主導(dǎo)的項目，這是歐洲聯(lián)盟的執(zhí)行機構(gòu)。歐盟委員會授權(quán)歐洲空間局作為伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)與執(zhí)行機構(gòu)。作為歐洲自己的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，伽利略系統(tǒng)的發(fā)展歷程充滿坎坷：項目屢遭推遲，預(yù)算超值嚴重——按照目前估算，到2020年系統(tǒng)完成時，其花費將超過70億歐元(約合514.7億人民幣)，這遠遠超出了歐盟委員會最初的設(shè)想。