1、GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),一、GLONASS 系統(tǒng)建立的歷史過程 1960 年晚些時候，前蘇聯(lián)軍方確認需要一個衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)用于新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引，而當時已有的旋風（Tsiklon）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收站需要好幾分鐘的觀測才能確定一個位置，因此不能達到導(dǎo)航定位的目的。 1968-1969年，前蘇聯(lián)國防部、科學院和海軍等一些研究所聯(lián)合起來，計劃為海、陸、空、天武裝力量的定位與導(dǎo)航需求建立一個單一的解決方案，直到 1970年這個系統(tǒng)的需求文件才編制完成。 經(jīng)過深入研究和討論之后，1976 年前蘇聯(lián)頒布建立GLONASS系統(tǒng)的法令。該計劃的第一次衛(wèi)星發(fā)射是在1982年10月12日進行的，19

2、93年9月俄羅斯總統(tǒng)葉利欽正式宣布GLONASS將成為一個工作系統(tǒng)。 1994年開始進行布滿星座的7次發(fā)射計劃的第一次發(fā)射。1995年3月俄聯(lián)邦政府提出GLONASS系統(tǒng)對民用開放的政策。,1995 年12月14日俄羅斯最后一次一箭三星將 GLONASS衛(wèi)星成功地發(fā)射到預(yù)定軌道，標志著 GLONASS星座已經(jīng)布滿。經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗，1996 年 1月18日24 顆衛(wèi)星正常發(fā)射信號，健康有效地工作，至此GLONASS系統(tǒng)正式建成并投入運行。 GLONASS系統(tǒng)比GPS起步晚9年，全系統(tǒng)正常運行比 GPS晚近 3年。從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi) 星 以后，歷經(jīng)13年，

3、共發(fā)射 27次，把67顆衛(wèi)星送入太空，僅僅有兩次發(fā)射失敗(第9次和第11次發(fā)射失敗，損失了6顆衛(wèi)星)。 事實上GLONASS 系統(tǒng)的建立被規(guī)劃為3個階段： 第一階段:1983年-1985年，星座實驗時期。進行系統(tǒng)概念實驗，軌道上僅有 4-6 顆衛(wèi)星。 第二階段：1986年-1993年，完成飛行實驗驗證，初始系統(tǒng)運行。軌道上有12顆衛(wèi)星，并展開了廣泛的系統(tǒng)實驗。當時，俄羅斯進一步認為GLONASS系統(tǒng)是俄羅斯武器裝備的組成部分，也是俄羅斯無線電導(dǎo)航規(guī)劃的基礎(chǔ)。 第三階段：1993年-1995年， 完成了24顆星的星座系統(tǒng)，系統(tǒng)投入運行，與此同時，俄羅斯宣布GLONASS具備了完全工作能力。 在

4、1996-1998年間，由于經(jīng)濟困難，GLONASS星座得不到正常的維護，導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰退。從 2001年12月1日至 2002年5月30日 ，GLONASS系統(tǒng)僅有 7顆衛(wèi)星在正常運行。俄羅斯曾經(jīng)制定過一個GLONASS星座漸進增強計劃，計劃在2001 年有12顆全功能工作的衛(wèi)星，但根據(jù)最新情報，2002 年底發(fā)射3顆衛(wèi)星，2003年發(fā)射1顆 ，目前GLONASS系統(tǒng)僅僅有11顆衛(wèi)星在正常運行，其中8顆衛(wèi)星不受限制。,二、GLONASS系統(tǒng)的組成 同 GPS 系統(tǒng)類似，GLONASS系統(tǒng)也由衛(wèi)星星座、地面支持系統(tǒng)和用戶設(shè)備三部分組成。 1 GLONASS 星座 GLONASS星座由 21 顆

5、工作星和3顆備份星組成，24 顆星均勻地分布在 3個近圓形的軌道平面上，這三個軌道平面兩兩相隔120度，每個軌道面有8顆衛(wèi)星，同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔 45 度，軌道高度1.91萬公里，運行周期11小時15 分，軌道傾角 64.80。星座系統(tǒng)如圖所示。,GLONASS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用增壓密封圓柱體，衛(wèi)星下面裝有12個導(dǎo)航信號天線、各種測控天線和姿態(tài)敏感器等，圓柱側(cè)壁是軌道校正發(fā)動機、姿態(tài)控制系統(tǒng)、熱控制通氣窗和太陽帆板等，如圖所示。衛(wèi)星均采用三軸穩(wěn)定方式，采用精密銫鐘作為其頻率基準，整星質(zhì)量 1400千克，高3米，太陽帆板展開時寬度為7米 以 上 ， 功 率 為 1600瓦，壽命 1-3 年。,在建

6、立 GLONASS星座系統(tǒng)時，共使用了兩種火箭發(fā)射衛(wèi)星，一種是質(zhì)子號火箭(一箭三星發(fā)射入軌)，另一種是聯(lián)盟號火箭。,2 地面支持系統(tǒng) 地面支持系統(tǒng)由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測遙控站(含激光跟蹤站)和外場導(dǎo)航控制設(shè)備組成。 地面支持系統(tǒng)的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的許多場地來完成 。隨著蘇聯(lián)的解體，GLONASS系統(tǒng)由俄羅斯航天局管理，地面支持段已經(jīng)減少到只有俄羅斯境內(nèi)的場地了，系統(tǒng)控制中心和中央同步處理器位于莫斯科，遙測遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城。,地面支持系統(tǒng)的作用主要包括如下幾個方面： (1) 測量和預(yù)測各顆衛(wèi)星的星歷； (2) 將預(yù)測的星歷、時鐘校正值和歷書信息上行加載

7、給每顆衛(wèi)星，以便以后編入導(dǎo)航電文； (3) 使星鐘與GLONASS系統(tǒng)同步； (4) 計算GLONASS系統(tǒng)時和UTC(SU)之間的偏差； (5) 進行衛(wèi)星跟蹤、控制與管理； (6) 監(jiān)測GLONASS導(dǎo)航信號，如果發(fā)現(xiàn)異常，便將這些異?；貓蠼o系統(tǒng)控制中心。,3 用戶設(shè)備 GLONASS 用戶設(shè)備即接收機;能接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號，并測量其偽距和偽距變化率，同時從衛(wèi)星信號中提取并處理導(dǎo)航電文。接收機處理器對上述數(shù)據(jù)進行處理并計算出用戶所在的位置、速度和時間信息。GLONASS系統(tǒng)提供軍用和民用兩種服務(wù)。 GLONASS系統(tǒng)絕對定位精度水平方向為 16 米，垂直方向為25米。目前，GLONASS

8、 系統(tǒng)的主要用途是導(dǎo)航定位，也可以廣泛應(yīng)用于各種等級和種類的定位、導(dǎo)航和時頻領(lǐng)域等，具體體現(xiàn)在在陸地、空中、海上和太空的 4種應(yīng)用模式;。 GLONASS 用戶設(shè)備在國際上發(fā)展比較緩慢，其原因一方面是由于俄羅斯剛剛建立市場經(jīng)濟體制，仍然依靠國營力量研制、生產(chǎn)GLONASS接收機；其次是由于GLONASS系統(tǒng)運行不穩(wěn)定；第三是由于采用頻分體制，用戶設(shè)備比較復(fù)雜，加之前蘇聯(lián)對其技術(shù)保密， 致使用戶設(shè)備在極少數(shù)幾家研制生產(chǎn)，結(jié)果造成了品種少、功耗大、體積大且笨重、可靠性差、市場占有率低的被動局面。,三 GLONASS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的差異 GLONASS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)具有相似的系統(tǒng)構(gòu)成、定位原理和

9、服務(wù)方式,但是兩者之間仍存在著如下差異: 1)不同的參考時間系統(tǒng)。盡管兩者均屬于原子時系統(tǒng),但是時間系統(tǒng)與1980年1月6日0時美國海軍天文臺華盛頓的協(xié)調(diào)世界時()相一致,是一個沒有跳秒的連續(xù)計時系統(tǒng)。時間系統(tǒng)是基于莫斯科的協(xié)調(diào)世界時(),并具有同步跳秒的系統(tǒng)。因此時間與()之間僅相差3和小于1的系統(tǒng)差,而沒有跳秒差。,2)不同的參考坐標系統(tǒng)。采用的是美國國防制圖局建立的世界大地坐標系 84;而采用的是前蘇聯(lián)軍事測繪部建立的大地坐標框架 90。 3)不同的廣播星歷內(nèi)容。系統(tǒng)是以開普勒軌道根數(shù)的形式播發(fā)導(dǎo)航星歷的,每隔2更新一次;依據(jù)開普勒軌道方程,并考慮衛(wèi)星的受攝運動,計算衛(wèi)星在 84坐標系中

10、的瞬時位置。系統(tǒng)是直接給出參考歷元的衛(wèi)星位置、速度、以及日月的攝動加速度,每隔30更新一組星歷參數(shù);通常用4階的Runge Kutta法進行數(shù)值積分,得到衛(wèi)星在 90坐標系中的瞬時位置。,4)不同的區(qū)分衛(wèi)星方式。GPS系統(tǒng)采用CDMA方式區(qū)分衛(wèi)星,各衛(wèi)星使用相同的雙載波頻率發(fā)射信號;GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式區(qū)分衛(wèi)星,各衛(wèi)星使用不同的頻率發(fā)射信號。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星頻段已超越國際電信聯(lián)合會(ITU)的規(guī)定,因此在ITU的要求下,俄羅斯于1993年9月開始實施GLONASS系統(tǒng)改頻計劃。該計劃分為三個階段,預(yù)計將到2005年才能最終完成。 衛(wèi)星向地面發(fā)射2個頻段的信號:

11、fL1=1602+0.5625() fL2=1246+0.4375() =0,1,2,24為衛(wèi)星頻道號.在GLONASS系統(tǒng)中,不同的衛(wèi)星采用不同的載波頻率發(fā)送信號,這就是GLONASS的頻分多址(FDMA)性.,頻分多址：除了使接收機設(shè)計復(fù)雜,價格昂貴外，而且干擾了射電天文科學家的研究工作。 射電天文學家在GLONASS頻率附近使用1610.6-1613.8MHz和1660-1670MHz頻段觀察星際空間中從羥基輻射的非常微弱的自然射電信號（光譜），二者產(chǎn)生干擾。國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定上述頻段射電天文學家是主要用戶；同時ITU還將1610-1626.5MHz頻段分配給了近地軌道移動通信衛(wèi)

12、星的經(jīng)營者。 GLONASS管理部門最終決定減少衛(wèi)星所用的點頻數(shù)，并調(diào)整到稍低的頻段上。 結(jié)果：系統(tǒng)僅使用12個主用頻率信道（加2個用于試驗的備用信道），頻段移到1598.0625-1604.25MHz和1242.9375-1247.75MHz。解決方法是處于地球正面和背面的衛(wèi)星（同一軌道面上緯度幅角間隔1800的兩顆衛(wèi)星）公用同一頻率，實際應(yīng)用十分成功。,(3)建設(shè)與開發(fā)的缺陷 GLONASS系統(tǒng)與系統(tǒng)是在同時代規(guī)劃設(shè)計、試驗研究和投入工程應(yīng)用的。然而,系統(tǒng)在政治、軍事和經(jīng)濟方面取得的巨大成功是GLONASS系統(tǒng)所不能比擬的。GLONASS系統(tǒng)的建設(shè)與開發(fā)至少存在三個方面的缺陷: 1)衛(wèi)星在

13、軌運行時間短,更換頻繁,增加重復(fù)投資; 2)不注重民用市場開發(fā),使投資經(jīng)費不能得到有效補充; 3)系統(tǒng)采用區(qū)分衛(wèi)星方式,使接收機設(shè)計復(fù)雜,價格昂貴。,四 GLONASS的未來 1 GLONASS未來的整體規(guī)劃 俄羅斯目前正在著手系統(tǒng)維護與GLONASS更新建設(shè)工作，并進行了如下三個階段的整體規(guī)劃： 第一階段：滿足GLONASS系統(tǒng)星座衛(wèi)星數(shù)量的最小需求； 第 二 階 段：開發(fā)新一代GLONASS-M衛(wèi)星，增長衛(wèi)星壽命和提高衛(wèi)星性能，使星座衛(wèi)星數(shù)量達到18顆，包含 GLONASS-M與GLONASS衛(wèi)星； 第三階段：開發(fā)小衛(wèi)星GLONASS-K，增強并提高性能，使星座衛(wèi)星數(shù)量達到24顆，包含 G

14、LONASS-M 與GLONASS-K，使國內(nèi)和國外用戶都能接受。 GLONASS系統(tǒng)軌道部署分為以下2個階段進行： 第一階段：2006年左右，將增加至18顆衛(wèi)星，其中一些是GLONASS-M衛(wèi)星； 第二階段：2006年之后，將發(fā)射 GLONASS-K 衛(wèi)星，部署并保持24顆衛(wèi)星。,2 GLONASS-M衛(wèi)星 GLONASS-M衛(wèi)星是GLONASS衛(wèi)星的改進系列，與現(xiàn)正在運行的GLONASS衛(wèi)星的區(qū)別主要體現(xiàn)在如下幾個方面：,（1）導(dǎo)航信號特性： 頻段與原來比較向左偏移,L1= 1598.0625-1605.3755.11兆赫； L2= 1242.9375-1248.6255.11兆赫。 L2

15、的輸出功率是原來的兩倍。 原來保留的字節(jié)被占用，增加一些附加的信息，例如：增加 GPS和GLONASS時間刻度的偏差、導(dǎo)航電文的有效標識(每隔4秒鐘發(fā)射一次)、指出 UTC(SU)時間刻度修正參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的時間等信息。 安裝濾波器，消除了在1610.6-1613.8兆赫和1660.0-1670.0兆赫的頻段干擾。 在L1和L2頻段上，對于偽距測量的應(yīng)用方式，民用用戶可同時應(yīng)用。,(2) 導(dǎo)航信號的穩(wěn)定性被增加到110-13。這主要是由于采用了銫鐘，而銫鐘具有精確溫度穩(wěn)定性。 (3)導(dǎo)航精度提高一倍。 (4)衛(wèi)星壽命增加到7年。 (5)星上預(yù)留了50千克質(zhì)量和350瓦功率，還預(yù)留了部分數(shù)據(jù)接口，可以適當?shù)卣{(diào)節(jié)星上載荷。 GLONASS-M 衛(wèi)星也計劃采用一箭三星的方式發(fā)射(用質(zhì)子M火箭發(fā)射)，或采用單星發(fā)射(用聯(lián)盟號火箭發(fā)射)。,3 GLONASS-K衛(wèi)星 在現(xiàn)代化的第三階段計劃開發(fā)G