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1、伽利略卫星导航系统收费服务运营规划 一、伽利略系统服务预期 伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于 1999年 2 月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。系统由轨道高度为 23616km的 30 颗卫星组成，其中 27 颗工作星，3 颗备份星。卫星轨道高度约 2.4万公里，位于 3 个倾角为 56 度的轨道平面内。截止 2016年 12 月，已经发射了 18 颗工作卫星，具备了早期操作能力（EOC），并计划在 2019年具备完全操作能力（FOC）。全部 30颗卫星（调整为 24
2、颗工作卫星，6 颗备份卫星）计划于 2020年发射完毕。图 1 伽利略卫星 伽利略系统的地面段主要由 2 个位于欧洲的伽利略控制中心（GCC）和 1620个分布于全球的伽利略传感器站（GSS）组成，还有分布于全球的 5 个任务上行站和 5 个遥测跟踪与控制站，另外还有 2 个发射与早期操作中心和 1 个在轨测试中心。控制中心与传感器站之间通过冗余通信网络相连。全球地面部分还提供与服务中心的接口、增值商业服务以及与“科斯帕斯萨尔萨特”（COSPASSARSAT）的地面部分一起提供搜救服务。伽利略系统的 2 个控制中心部署在德国的奥博珀法芬霍芬和意大利福奇诺，由轨道同步与处理设施、精确授时设施、完
3、好性处理设施、任务控制设施、卫星控制设施和服务与产品设施组成。主要功能是：控制卫星星座，保证星上原子钟的同步，完好性信号处理，监控卫星及其卫星提供的服务，同时还进行内部与外部信息的处理。区域设施由监测台提供区域完好性数据，由完好性上行数据链直接或经全球设施地面部分，连同搜救服务商提供的数据，上行传送到卫星。全球最多可设 8个区域性地面设施。有些用户对局部地区的定位精度、完好性报警时间、信号捕获/重捕等性能有更高的要求，如机场、港口、铁路、公路及市区等。局域设施采用增强措施可以满足这些要求。除了提供差分校正量与完好性报警外（1s），局域设施还能提供下列各项服务：(1)商业数据（差分校正量、地图和
4、数据库）；(2)附加导航信息（伪卫星）；(3)在接收 GSM和 UMTS基站计算位置信号不良的地区（如地下停车场和车库），增强定位数据信号；(4)移动通信信道。服务中心提供伽利略系统用户与增值服务供应商（包括局域增值服务商）之间的接口。根据各种导航、定位和授时服务的需要，服务中心能提供相应信息。伽利略系统是欧洲独立自主的全球多模式卫星定位导航系统，是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，实现完全非军方控制、管理，提供高精度、高可靠性的全球定位服务。伽利略系统每颗卫星上配备 4 台原子钟（两台铷钟和两台被动氢钟），其精度高达每 300万年只差 1 秒。伽利略系统的信号强度也将更高，从而可提
5、供更多信息。伽利略系统其精确性更优，定位精度达到 1 米甚至优于 1 米；穿透性更强，无论是城市中心、建筑物内部，还是树底下，可全部覆盖；而且还能提供更为快速的校准信息。伽利略系统与 GPS系统相匹配，用户接收机既能接收伽利略信号也能接收GPS信号。2018年 11 月 15 日，美国联邦通信委员会(FCC)批准欧洲委员会的申请，允许美国非政府设备利用“伽利略”系统 E1 和 E5 频段信号，但与 GPS不兼容的 E6 频段信号未获批准。根据 2004年欧盟与美国签署的协定，E1 和 E5 信号可与 GPS系统 L1 和 L5 频段信号兼容和互操作。此次申请获批，使美国通信行业等用户可使用“伽
6、利略”导航服务，这将大幅提高“伽利略”系统与 GPS系统竞争的优势。伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援(SAR功能)；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。伽利略系统的具体应用包括陆海空领域的车辆导航和调度，日常生活中的精确授时，测绘工作中的高精度测量，地质和农业等传统行业的地理信息采集，公安和急救等特殊行业的及时派遣，its智能交通系统中的交通管理，数字地球中的空间坐标确立，以及市场空间巨大的私家车自主导航等等。伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服
7、务，如果失败也能够在几秒钟内通知用户，特别适用于对安全性有特殊要求的情况，如运行的火车、导航汽车、飞机着路等。这个民用系统将为海上、陆上和空中交通提供极大的便利，将为各国政府实行覆盖区域更广的道路收费制度，为欧洲新引入的空中交通控制系统提供重要的支持。将彻底改变当前用于保持飞机安全飞行的技术，使飞行员可以按照他们自己的路线和高度飞行。伽利略系统为用户提供四种不同类型的服务：免费公开服务、商业服务、公共管理服务，以及有关生命安全的服务。不同服务类型的精度指标如下：(1)公开服务：1520 米（单频）、5 10 米（双频）；(2)商业服务：5 10 米（全球，双频）、1 10 米（局部，双频）；(
8、3)公共管理（事业或特许）服务：4 6 米（全球，双频）、1 米（局部，双频）；(4)伽利略系统的有关生命安全的服务属于 MEOSAR系统，当某用户处于危险中，他可以使用手头的伽利略定位信标机向卫星发送 406MHz的求救信号。信息将由伽利略卫星转发给地面接收站，从而在瞬息万变中快速对其实施救援行动。图 2 MEOSAR搜救系统 二、伽利略系统收费服务运营规划（一）历史演变过程 20 世纪 90 年代末期，欧盟启动伽利略计划，并采用了“公私合作”方式分担项目研发费用和风险。当时，商业服务被称为“控制接入服务 2”或 CAS-2，旨在让私营部门合作伙伴获得投资回报（CAS-1即是现在的公共特许服
9、务或 PRS）。由欧洲通信卫星组织和西班牙卫星公司组成的联盟，由国际海事卫星组织、欧洲航空防务航天公司和达拉斯公司组成的联盟，由阿尔卡特公司、Vinci集团和意大利最大的航空航天及军工集团、Finmcccanica集团组成的联盟；这三大联盟竞争伽利略的独家经营权。根据欧盟 15 国的要求，最终的独家经营商要提供约 15 亿欧元的资金用于开发伽利略系统。在伽利略系统投入运行后，该独家经营商将从其商业运作收入及知识产权方面获得丰厚的回报。根据目前各大候选联盟和欧盟磋商的结果，最终的当选者将自伽利略系统开始运行起，享有 1020 年的独家经营权。投入是巨大和长期的，但收益更是长远而丰厚的。2005年
10、7 月,以阿尔卡特公司和欧洲航空防务与航天公司(EADS)为首的欧洲七家集团组成新的联合公司,出价 32 亿欧元一举获得伽利略系统的全球特许经营权。这一模式帮助欧盟成员国做出了欧洲发展自主星基导航系统的重要决策。然而，伽利略提供的这种“增值”服务，在面临免费提供且性能良好的 GPS的挑战下，前景变得不明朗。可能正是由于缺乏明确的投资回报模式，最终导致具备特许权的工业部门难以接受利用自身资源建造伽利略系统的风险。经过多年谈判，于 2010年左右取消了这种基于公私伙伴关系特许权的方式，而改为完全由欧盟投资。当时，将优先权首先放到对公共事业或政府更为重要的服务，如公共特许服务、开放服务、生命安全服务
11、以及搜救服务。指导伽利略计划发展的有关法律法规仍然强制要求，应保留一种商业服务，提供比其他服务更优的性能和具备更大附加价值的数据。然而这种增值服务并没有在任何任务或系统要求中体现，项目预算也已经完全分配给其他优先服务。早期定义工作明确了“高精度”和“认证”是两种最具前景的服务，但很多事项仍不清楚，包括能否提供、怎样提供、最终性能以及如何实现和运营，都不得而知。“后特许”时代已经拓展了商业服务的范畴。鉴于伽利略计划已经成为一种公共倡议，力图创造收入来源以部分弥补伽利略运营成本的目的已经被其他目的进行了均衡。这些可以总结为以下五个目的：(1)最大程度地发挥卫星导航的公共效益；(2)通过创立新服务或
12、者扩大现有服务，以及相关经济活动的增加，创造经济价值；(3)改进伽利略系统的导航性能；(4)通过新的服务、想法和解决方案促进创新；(5)为欧盟卫星导航计划创造一种补充的收入来源。出于这些考虑，欧盟于 2013年初并行启动了两项研究，定义商业服务及其在伽利略系统中的实现。这两项研究的主要前提是，通过对伽利略核心基础设施进行最小的修改而提供最大化的价值。这意味着对伽利略地面基础设施以及卫星星上软件不进行修改或者进行最小的修改，而卫星硬件完全不进行修改，即需要保持当前的伽利略商业服务信号定义。商业服务信号定义了伽利略商业服务应该提供的能力。根据伽利略开放服务空间信号接口控制文件 中的描述，商业服务信
13、号由在 E6 频段（1260-1300MHz）播发的一个数据（E6-B）部分和一个导频（E6-C）部分组成。信号载频为1278.75MHz，利用一个二进制相移键控 BPSK信号进行调制，并且通过码分多址射频信道接入方法被所有卫星共享使用。因此，信号主瓣以及大部分信号功率处于 1273.75-1283.75MHz频带内。E6-B和 E6-C信号都是在相位部分进行调制，只留下与 E6-A信号的正交部分，与 E1-A共同用于公共特许服务。表 1 总结了 E6-B和 E6-C信号各部分的主要特征。表 1 伽利略 E6-B/C信号的特征 E6B E6C 分量 数据 导频 载频 1278.75MHz 12
14、78.75MHz 扩频调制方式 BPSK（5）BPSK（5）码片率 5.115Mcps 5.115Mcps 主码长度 5115码片 5115码片 主码时长 1 毫秒 1 毫秒 次码长度 无 100码片 次码时长 无 100毫秒 续表 1 E6B E6C 符号率 1000sps 无 数据率 492bps 无 数据编码 根据空间信号接口控制文件 无 数据交叉存取（列*行）123*8 无 扩展码加密能力 有 有 功率分享 50%50%最小接收功率（E6B+E6C）-155dBW 商业服务信号的一个相关特征是两个信号组成部分的主要扩展码在播发时既可以加密也可以不加密。当加密时，扩展码被由密钥生成的不可
15、预测的比特流取代，对于非授权接收机而言，其信号与噪声不可区分。伽利略商业服务的挑战之一是其必须与其他用户分享射频频谱。1240-1300MHz频段目前被多种应用所占用，要保持与其中某些应用的兼容性，如航空和地面军用雷达或业余爱好者的电台，可能要求进行合作，在靠近这些系统的地基发射器的地方降低干扰。除这些应用外，E6 频段还被空间研究和基于卫星的地球探索界所占用。利用真实信号开展的早期的商业服务测试表明，当周边无干扰信号时，性能令人满意；但是在发射器附近会遭受到严重干扰。欧盟正在采取措施，最大程度地利用 E6 频段开展星基无线电导航服务，未来几年还将进一步加大与电信管理部门以及用户界的探讨，同时
16、并行开展伽利略商业服务希望提供的高精度和认证服务方面的试验。（二）收费商业服务具体应用设想(1)高精度服务 高精度通常可理解为定位精度为厘米级。提供高精度服务主要采用两种方法：实时动态定位（RTK）和精密单点定位（PPP）。PPP相对于 RTK的主要优势在于，无需在附近设置参考站，即可提供全球绝对定位和授时服务。伽利略的 E6-B信道非常适合传送 PPP信息。多种分析表明，每颗卫星的可用速率为 448bps，允许以提供厘米级精度所需的足够的更新率发送卫星轨道和时钟数据。(2)扩展码加密（认证）GNSS信号由于功率低，很容易受到干扰，此外由于缺少认证，还非常容易被特定设备“欺骗”。因此，保护 G
17、NSS已经成为 GNSS领域一个重要主题。除采取技术和管理措施外，GNSS信号允许授权的这一特点无疑也成为确保位置安全的一个重要因素。伽利略是向民用领域提供授权服务的一个很好备选项，原因有两点：一是伽利略的 E6-B和 E6-C信号扩展码可以加密，可以为带有加密密钥的接收机（或者服务器-接收机架构）提供扩展码授权。此外，密钥不用于军事用途也意味着可以在特定条件下与特定用户共享，提供更多的灵活性；二是 E6-B和 E1-B频段的伽利略信号的可用带宽允许发送授权和再加密数据，同时确保具备完全的后向兼容性。(3)导航电文授权 如前所述，伽利略商业服务的目标不仅仅是获得商业回报。除接入受控的基于 E6
18、 的授权服务外，伽利略正试图提供一种开放的导航电文授权（NMA）服务。这后一种服务可能利用E1 信号通过与 E6-B相似的架构进行数据发送。（三）伽利略商业服务体系结构 如前所述，伽利略商业服务的设计必须尽可能尊重当前的伽利略核心系统基础设施。为达到这一要求，商业服务将通过已经建造的植入核心系统的外部接口来提供。这一模式一旦获得官方认可，将提供极大的灵活性，并且很好地契合伽利略之前所宣称的是一种服务于民用领域的民用系统的前提。伽利略商业服务体系结构的商业服务数据发送过程包括以下步骤：数据由外部源生成，例如，高精度服务提供商利用其自有监测站网络生成。这些数据进行格式化，然后发送到欧洲 GNSS服
19、务中心（GSC），该中心位于西班牙。欧洲 GNSS服务中心确保数据的完好性和授权性，并在进行必要的安全认证后，将数据中继转发给负责运营的伽利略地面控制中心（GCC），该中心位于德国奥博珀法芬霍芬或意大利福奇诺。伽利略地面控制中心负责将商业服务数据整合到包含所有其他任务和导航数据的电文中，并将其发送给 5 个上行链路站（ULS），它们分别位于帕皮提（法属波利尼西亚）、库鲁（法属圭亚那）、斯瓦尔巴特群岛（挪威）、留尼旺岛（法属）和努美阿（法属新喀里多尼亚岛），然后再发送给卫星。在每一个上行链路站，指向伽利略卫星的上行链路天线发送数据。目前每个站有 2 副天线可用，以后还可能部署更多。只有上行链路站
20、天线指向的卫星才能发送实时数据，因此，上行链路站之间的相互连接也是驱动商业服务性能提升的因素之一。每一颗与地面相连接的卫星接收其 448比特的数据页，并将其整合到 E6-B数据结构中。用户和全球地面监测站接收带有商业服务数据的信号，至此整个过程形成闭环。根据 伽利略开放服务空间信号接口控制文件，这一模式不仅允许在 E6-B频段发送商业服务数据，而且可以在 E1 I/NAV“保留 1”区域发送数据。（四）最新状态 伽利略系统提供免费的精密单点定位（PPP）服务。原先设计商业服务广播信号为付费的用户使用，现在决定改为免费服务，通过相应的接收机终端能够实现 10 厘米左右的定位精度，并且在 2019年将由欧洲导航卫星系统局（GSA）遴选服务供应商。伽利略系统实现双频大众化应用。2017年 9 月博通发布了首款能够应用伽利略双频信号的大众化市场（智能手机和移动设备）的GNSS芯片，所用频点是L1/E1 和 L5/E5。目前有两款同伽利略系统兼容的手机，即BQ 的 Aquaris X5 Plus和华为的Mate 9。高通、博通、英特尔、连发科技和 u-blox生产了十几种适于使用伽利略系统的芯片。伽利略系统的公共特许服务，支持国家基础设施和安全相关的装备。