格洛纳斯

格洛纳斯（GLObal'naya Navigatsionnay Sputnikovaya Sistema，GLONASS），即全球导航卫星系统，由俄罗斯联邦国防部赞助的有源卫星星座，该卫星在两个频段中连续传输编码信号，用户可以在地球表面的任何地方接收这些信号，以实时识别其位置和速度。^[1]

GLONASS的主要应用是定位和时间传递。GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400公斤，设计轨道寿命5年。^[1]

1957 年，V.S.Shebashevich 首次提出使用卫星进行导航的提议。这个想法是在研究射电天文学技术在航空导航中的可能应用期间诞生的。在一些苏联机构中进行了进一步的调查，以提高导航定义的准确性，全球支持，日常应用和不受天气条件的影响。研究成果于1963年用于苏联第一个低轨道“蝉”系统的研发项目。1967年，第一颗苏联导航卫星“Cosmos-192”发射升空。导航卫星在其有效寿命期间在150和400 MHz上提供连续的无线电导航信号传输。^[3]

由四颗卫星组成的“蝉”系统于1979年投入使用。导航卫星被放置在1,000公里高的圆形轨道上，倾角为83°，轨道平面与赤道均匀分布。它允许用户每一个半小时或两个小时获取其中一颗卫星，并在导航会话的5-6分钟内确定位置。导航系统“蝉”使用单向用户对卫星的距离测量。随着星载系统和导航设备的不断改进，提高卫星导航轨道参数的确定和预测精度日益受到人们的重视。^[3]

后来，接收测量设备被布置在“蝉”卫星上，以探测遇险无线电信标。卫星接收这些信号并将其重新广播到特殊的地面站，在那里计算紧急物体（船舶，飞机等）的确切坐标。跟踪遇险无线电信号的“蝉”卫星组成了“Cospas”系统，与美国-法国-加拿大的“Sarsat”系统一起建立了一个综合搜索和救援服务，挽救了数千人的生命。“蝉”空间导航系统（及其“蝉-M”现代化）是为军事用户的导航支持而设计的，自1976年以来一直在使用。2008年，“蝉”和“蝉-M”用户开始使用GLONASS系统，这些系统的运行停止。低轨道系统不可能满足大量用户的要求。^[3]

海洋用户成功运行低轨卫星导航系统，引起了人们对卫星导航的广泛关注。需要一个通用的导航系统来满足绝大多数潜在用户的要求。^[3]

在全面研究的基础上，决定选择由24颗卫星组成的轨道星座，均匀分布在与赤道倾斜64.8°的三个轨道平面上。GLONASS卫星被放置在大致圆形的轨道上，标称轨道高度为19,100公里，轨道周期为11小时15分44秒。由于周期值，可以创建一个可持续的轨道系统，不像GPS在其有效寿命期间需要支持校正脉冲。名义上的倾斜度确保了俄罗斯联邦领土上的全球可用性，即使有几架SV无法操作。^[3]

设计高轨道导航系统面临两个挑战。第一种方法处理相互同步的卫星时间标度，精度为十亿分之一秒(纳秒)。由于高轨道上的铯sè频率标准的标称稳定性为10-13，地面的氢频率标准的标称稳定性为10-14，也因为地面设施的时间尺度比较误差为3-5ns。第二个挑战是导航卫星轨道参数的高精度确定和预测。通过对光压、地球自转的不规则性、极移等无限小的二阶因子的科学研究，解决了这一问题。^[3]

1982年10月，随着“Kosmos-1413”号卫星的发射，俄罗斯高轨道卫星导航系统“格洛纳斯”的飞行试验开始。格洛纳斯系统于1993年正式宣布投入使用。1995年，它被纳入一个全面运作的星座(第一代24颗格洛纳斯卫星)。本应着重注意的一个重大缺点是缺乏民用导航设备和民用用户。^[3]

1990年航天工业资金的减少导致了GLONASS星座的退化。2002 年，GLONASS 星座由 7 颗卫星组成，即使可用性有限，也不足以为俄罗斯领土提供导航支持。GLONASS在精度特性上落后于GPS，SV的有效寿命为3-4年。^[3]

到2002年正常工作的卫星甚至只剩下7颗，2002年之后，俄罗斯发射了格洛纳斯M系列卫星，使情况得到改善，2011年格洛纳斯重新实现了全球覆盖，随后便进入现代化进程，开发具有增强功能的新一代格洛纳斯K系列卫星，改进地面控制部分，并拓展民用领域的应用。^[4]

俄罗斯联邦航天局2013年1月12日发布《俄罗斯2013-2020年空间活动》的文件，宣布至2020年还将建造并发射13颗GLONASS-M卫星以及22颗GLONASS-K卫星。预计2025年发射GLONASS-KM卫星。各型号卫星特性如表2所示，其中：“O”为开放信号；“S”为模糊、高精度信号；“F”为FDlA；“C”为CDlA；t为20l4年以后发射M卫星具有L3OC；η为频率号。^[5]

GLONASS系统地面段包括一个控制中心位于莫斯科，地面监测站和增强站位于俄罗斯境内46个、邻国8个、南极3个、巴西1个，于2014年5月通过了在越南和尼加拉瓜建设GLONASS卫星导航系统地面站协议。在全球各地建立地面站将提高GLONASS系统的精确度，有助于提升其市场竞争力和全球份额。^[5]

2015年1月，俄罗斯国家航天集团和中国卫星导航系统委员会在两国政府首脑例会筹备委员会的框架下正式成立了中俄卫星导航重大战略合作项目委员会。中俄卫星导航重大战略合作项目委员会的成立是格洛纳斯系统国际合作的标志性事件。^[6]

2016年普京访问北京期间，俄罗斯与我国签署了关于空间技术的全面知识产权保护协议以及其他协议，并在2017年完成了“中俄卫星导航监测评估服务平台”的建设。^[6]

2018年，中俄卫星导航重要战略合作项目委员会第五次会议的召开，以及两国政府间合作协定的签署，加快推动了合作项目的务实开展。最终在2019年与2020年，中俄卫星导航合作的内容连续被纳入两国总理定期会晤的联合公报中，成为一项重要的议题。^[6]

2020年以来，尽管受新冠疫情的严重影响，但两国在卫星导航领域的合作仍然稳中求进。2021年，双方达成协议，在对方境内互相设立地面站。2022年2月，中俄签订了《关于北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统时间互操作的合作协议》。此次，北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统之间系统时间的互操作必将对两国卫星导航系统的服务性能产生一定的影响，是两国向着实现全球卫星导航系统全面互操作的一次迈进。^[6]

GLONASS工作测试开始于苏联1982年10月12日发射第一颗试验卫星，整个测试计划分两个阶段完成。^[7]

第一阶段

（1982-1990年）

到1984-1985年，由4颗卫星组成的试验系统达到验证系统的基本性能指标。空间星座从1986年开始逐步扩展，到1990年系统第一阶段的测试计划已经完成，当时空间星座已有10颗卫星，布置在轨道面1（6颗）和轨道面3（4颗）上。该星座每天至少能提供15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可达8小时。^[7]

第二阶段

（1990年-1995年）

GLONASS测试计划的第二阶段主要完成对用户设备的测试，随着空间星座1996年1月18日最终布满24颗工作卫星而告结束。随后系统开始进入完全工作阶段。^[7]

GLONASS由空间卫星系统（即空间部分）、地面监测与控制子系统（即地面控制部分）、用户设备（即用户接收设备）三个基本部分组成。^[7]

GLONASS空间星座由24颗卫星组成，卫星有六种类型：BlockⅠ,BlockⅡa, BlockⅡb, BlockⅡ以及正在研制中的下一代改进型卫星GLONASS-MⅠ和GLONASS-MⅡ。每颗GLONASS卫星都在L波段上发射两个载波信号L1和L2，民用码仅调制在L1上，而军用码在（L-1和L2）双频上，GLONASS采用频分多址（FDMA）区分卫星信号。^[7]

截至2020年4月，GLONASS系统空间星座部分有30颗在轨卫星，包括3颗（GEO)地球静止轨道卫星、27颗(MEO）中圆地球轨道卫星，其中MEO卫星在轨运行24颗，在轨备份2颗，在轨测试或维护1颗。GLONASS系统空间MEО卫星现代化按照GLONASS-M、GLONASS-K、 GLONASS-K2三个阶段推进，计划于2025年开始使用GLONASS-K、GLONASS-K2卫星，2030年前发射26颗全新GLONASS-K2卫星，在轨完全替代现有的GLONASS-M卫星。俄罗斯加快MEO卫星更新换代的同时，计划增加IGSO和GEO卫星，构建GLONASS混合星座，全面提升系统性能。GLONASS地面部分包括1个系统控制中心，3个处理中心，3个激光测距站，5个注入站，8个监测站，38个全球监测站;区域增强站包含77个交通站和4104个测绘局站。格洛纳斯提供两种导航信号︰标准精密导航信号(SP）及高精密导航信号(HP)。^[4]

-格洛纳斯格洛纳斯-M格洛纳斯-K地位停止服务服务中服务中首次发布198220032011寿命（年）3710质量 （Kg）12501480750输出功率 （W）100016001600民用信号数量122板载时钟稳定性5×10-131×10-131×10-14

参考资料^[8]

格洛纳斯由卫星星座、地面支持系统和用户设备三部分组成。^[2]

GLONASS星座由21颗工作星和3颗备份星组成，所以GLONASS星座共由24颗卫星组成。24颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度，轨道高度2.36万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度。^[2]

地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理，地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了，系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科， 遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。^[2]

GLONASS 用户设备(即接收机)能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS系统设计定位精度为在95%的概率条件下，水平向为100米，垂直向为150米。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。^[2]

全球导航卫星系统（GLONASS）是由苏联（现由俄罗斯）国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统，与美国的GPS相似，该系统也开设民用窗口。

GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GLONASS在定位、测速及定时精度上则优于施加选择可用性（SA）之后的GPS，由于俄罗斯向国际民航和海事组织承诺将向全球用户提供民用导航服务。^[2]

采用两种信号接入体制。格洛纳斯项目是苏联在1976年启动的项目，格洛纳斯系统将使用24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。按照设计，格洛纳斯星座卫星由中轨道的24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨道高度 19100千米，倾角64.8°。和GPS系统不同，格洛纳斯系统使用频分多址(FDMA)的方式，每颗格洛纳斯卫星广播两种信号，L1和L2信号。具体地说，频率分别为L1=1602+0.5625*k(MHz)和L2=1246+0.4375*k(MHz)，其中 k为1～24为每颗卫星的频率编号，同一颗卫星满足L1/L2=9/7。在2013年前后发射GLONASS-K2卫星在原来的FDMA频率附近另加3个CDMA信号。^[2]

格洛纳斯的定位精度有了很大提高，dL = 0.6m，dB = 2.1m，dH = 6.6m， HDOP = 0.9， PDOP = 1.9，GDOP = 2.2，见下图数据：^[2]

与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS 是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。^[2]

GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16M，垂直方向为25M。GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400KG，设计轨道寿命 5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗 GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。^[2]

截至2014年GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，在轨卫星只12颗；GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。^[2]

能力格洛纳斯格洛纳斯-M格洛纳斯-K格洛纳斯-K2部署时间1982-20052003-20162011-20182017+地位退役使用中基于在轨验证的设计成熟度开发中标称轨道参数圆形 海拔 - 19,100 km 倾角 - 64,8° 周期 - 11 小时 15 分 44 秒星座中的卫星数量（用于导航）24轨道平面数3平面中的卫星数量8发射-联盟-2.1b，质子-M设计寿命，年3.571010质量，kg150014159351600尺寸，m-2,71х3,05х2,712,53х3,01х1,432,53х6,01х1,43功率，W-140012704370平台设计加压加压未加压未加压时钟稳定性，根据规范/观察到5*10-13/ 1*10-131*10-13/ 5*10-141*10-13/ 5*10-141*10-14/ 5*10-15信号类型FDMA公司FDMA（+SV 755-761 的 CDMA）FDMA和CDMAFDMA和CDMA开放获取信号（对于FDMA信号，提供中心频率值）L1OF （1602 兆赫）L1OF （1602 MHz） L2OF （1246 MHz） L3OC （1202 MHz），用于 SVs 755+L1OF （1602 MHz） L2OF （1246 MHz） L3OC （1202 MHz） L2OC （1248 MHz） 适用于 SV 17L+L1OF (1602 MHz) L2OF (1246 MHz) L1OC (1600 MHz) L2OC (1248 MHz) L3OC (1202 MHz)限制访问信号L1SF （1592 兆赫） L2SF （1237 兆赫）L1SF （1592 兆赫） L2SF （1237 兆赫）L1SF （1592 MHz） L2SF （1237 MHz） L2SC （1248 MHz），用于 SV 17L+L1SF (1592 MHz) L2SF (1237 MHz) L1SC (1600 MHz) L2SC (1248 MHz)卫星交叉链接： 射频激光— —+ —+ —+ +搜救——++

参考资料^[3]

卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，GLONASS与GPS一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。另外，卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理 等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS的出现，打破了美国对卫星导航独家垄断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，从而提高定位精度。^[2]

不同国家的地面跟踪站的国家运营商指出，在某些纬度地区，一个系统比另一个系统效果更好。例如，在北纬地区，GLONASS可能比GPS更准确，在南非，反之亦然。^[9]

这些说法是有技术依据的，但所有专家都必须同意，定位的准确性和信号的稳定性取决于许多因素。这些包括：^[9]

卫星相对于用户的位置、数量和“能见度”。例如，由于北纬地区卫星位置的特殊性，GLONASS工作得更好，而北极地区的GPS则失败。用户导航设备的等级和质量。导航无线电信号频率是否存在干扰。^[9]

GLONASS IAC指出，在树冠茂密的森林，地下停车场，多层建筑中，使用钢筋混凝土板建造的结构中，都可能遇到任何导航系统接收的不稳定或完全没有卫星信号的情况。^[9]

2010年12月5日，对俄罗斯GLONASS导航系统至关重要的三颗卫星，在搭乘“质子”-M火箭发射升空后不久溅落太平洋。此次事故造成了约1.38亿美元的损失。调查显示失败的原因是由于程序错误，导致火箭加注了过量燃料。^[10]

俄罗斯卫星通讯社莫斯科2021年6月5日电，根据俄罗斯政府采购网文件，俄罗斯“格洛纳斯”全球导航卫星系统的定位精度将在2030年后提高到10厘米以内。文件说：“作为格洛纳斯的长期发展前景，预计考虑在2050年前，建成以创新型导航卫星为基础的格洛纳斯系统卫星星座。在此之前，应当继‘格洛纳斯-K2’之后建造下一代卫星（‘格洛纳斯-KM’）或其改进版，以及可能的新型导航卫星，并将其用于格洛纳斯系统的卫星星座。”文件指出，在2030年之后的格洛纳斯卫星星座，可能包括改进型的大椭圆卫星“VKK-M”、小型卫星“MNKA-M”（其中包括补充性的DKA卫星）、地球静止轨道卫星“GSO-M”，以及中地球轨道卫星“格洛纳斯-KM”。文件指出，对确保2030年后格洛纳斯系统导航精度、可用性和完整性水平的要求，包括高精度绝对导航服务“利用空间系统定位的误差（应）为0.1米”。俄罗斯格洛纳斯系统的卫星星座包括27颗卫星，其中“格洛纳斯-M”24颗，“格洛纳斯-K”3颗。计划到2021年底发射第一颗“格洛纳斯-K2”卫星，2026年发射第一颗大椭圆轨道卫星“格洛纳斯-VKK”。此外，还正在考虑建造小型导航卫星。^[11]

2022年7月7日，俄罗斯国防部网站发布通报说，俄罗斯当天使用“联盟-2.1b”运载火箭成功将一颗“格洛纳斯-K”导航卫星送入预定轨道。^[12]

2022年9月29日消息，俄罗斯和中国订立了在对方境内部署“格洛纳斯”全球导航卫星系统和北斗系统地面站的协议。^[13]

莫斯科时间2022年10月10日5时52分（北京时间10时52分），俄方用“联盟-2.1b”中型运载火箭成功发射一颗“格洛纳斯-K”导航卫星。^[14]