俄羅斯GLONASS系統發展綜述

李子富

（中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

0 引言

GLONASS是俄羅斯航天部隊為俄羅斯政府運行的無線衛星導航系統,它與美國的全球定位系統(GPS)、中國的“北斗”導航系統，歐洲“伽利略”導航衛星作用相當。本文概括了GLONASS的發展、組成和軍事運用，并重點以敘利亞戰爭為場景，介紹了GLONASS系統在高精度武器、導航和指揮控制3個主要領域的運用情況。在此基礎上，進一步概述了GLONASS系統未來發展的方向和重點。

1 GLONASS發展概述

1976年，蘇聯正式啟動GLONASS導航衛星系統項目的研發，雖然中途發展坎坷，但最終還是完成了GLONASS現代化建設，實現了全球導航功能。GLONASS空間段現代化主要包括三個階段：第一階段，維持GLONASS衛星“最低需求水平”的軌道星座；第二階段，開發GLONASS-M衛星，基于GLONASS衛星和GLONASS-M衛星實現18顆衛星的星座部署；第三階段，開發GLONASS-K衛星，基于GLONASS-M衛星和GLONASS-K衛星實現24顆衛星的星座部署。其信號從1個L頻段開始向3個L頻段擴展，調制樣式從FDMA向CDMA擴展，信號功率也大幅提升，至此GLONASS衛星導航已可提供5個民用導航信號。其GLONASS衛星及信號現代化計劃如表1所示。

表1 GLONASS衛星及信號現代化計劃

2 GLONASS系統組成

GLONASS由航天器子系統（空間段）、運控子系統（控制段）和用戶導航設備子系統（用戶段）3個子系統組成。

2.1 空間段

GLONASS衛星組成了GLONASS空間段，其功能包括導航保障，時間保障，運行管理、控制和彈道保障，由星載目標設備、星載控制設備、星載保障系統和機構件來完成。GLONASS的衛星種類包含了GLONASS（第一代）、GLONASS-M（第二代）和GLONASS-K1（第三代），目前，第一代GLONASS衛星已不再使用。衛星分置在3個軌道平面內。每個軌道面內都有8顆衛星。軌道面序號1、2和3按地球旋轉方向排列。第一軌道面內衛星編號為1—8，第二軌道面內衛星編號為9—16，第三軌道面內衛星位號為17—24。軌道面內衛星編號按衛星繞地球旋轉的反方向排列。截至2021年5月，在軌GLONASS衛星有27顆（其中23顆處于運作狀態，1顆維修狀態，1顆備用狀態，2顆處于飛行測試階段）。

2.2 控制段

GLONASS地面控制部分最初由1個系統控制中心、5個遙測遙控站（含激光跟蹤站）和9個監測站組成，系統控制中心位于莫斯科，遙測遙控站分別位于圣彼得堡、葉尼塞斯克、共青城、薩雷沙甘（哈薩克斯坦）和捷爾諾波爾（烏克蘭）。蘇聯解體后，烏克蘭和哈薩克斯坦境內的控制站不再參與GLONASS的保障工作，所有任務由俄羅斯境內的控制站承擔。

隨著GLONASS系統不斷恢復，為了提高GLONASS的完好性、精度和可靠性，俄羅斯聯邦航天局希望在其境外建立地面監測站。此外，還需要在其他國家建立更多的參考站，以提高GLONASS運行控制段的穩定性，使之與GPS的相關網絡具有可比性。

2010年俄羅斯聯邦航天局曾計劃將境外監測站增加到14～15個，包括在境外部署監測站，還計劃在澳大利亞、古巴和南美地區有關國家建設地面監控站。

為改善地面控制設施，還將擴展與GPS相類似的接收監測站網絡以及在主控站中實現軟件現代化，以對上述監測站產生的單向碼和載波相位測量數據進行處理。

另外一項改進措施是對通信網絡和軟件進行升級換代。由于GLONASS系統原先的跟蹤測控站主要基于與雷達相似的方法對衛星進行跟蹤和測距，再輔之以激光跟蹤站測距，以校準跟蹤雷達。這種方法雖然有優點，然而設備龐大，造價昂貴，難以做到長期連續運行而無故障。改用GPS那樣的無源跟蹤法便可以避免這樣的問題，但是對通信網絡和軟件的要求較高。所以通信網絡和軟件的現代化也勢在必行。

經過多年的發展，截至目前，GLONASS地面段部分具體包含了2個系統控制中心、9個參考站、6個上行鏈路站、3個激光測距站。

2.3 用戶段

GLONASS用戶設備(即接收機)能接收衛星發射的導航信號，并測量其偽距和偽距變化率，同時從衛星信號中提取并處理導航電文。接收機處理器對上述數據進行處理并計算出用戶所在的位置、速度和時間信息。GLONASS系統提供軍用和民用2種服務。目前，GLONASS系統的主要用途是導航定位，當然與GPS系統一樣，也可以廣泛應用于各種等級和種類的定位、導航和時頻領域等。

GLONASS用戶設備接收和處理導航衛星播發的無線信號后，確定用戶空間坐標和速度矢量分量、當前時間和其他導航參數。

GLONASS用戶導航設備是模擬數字系統，結合了模擬和數字信號處理。用戶導航設備概略示意圖如圖1所示，其中包括天線、射頻單元、頻率合成器、模/數轉換器和數字信號處理器。

圖1 用戶設備的概要示意圖

3 GLONASS的軍事應用

3.1 軍事應用概述

GLONASS衛星主要用于3種關鍵軍事應用：導航、高精度武器和自動化指揮控制系統。

最初，俄羅斯國防部優先戰略部隊（主要武器有洲際彈道導彈和海上、空中、地面巡航導彈）使用GLONASS系統，在未使用GPS信號時，GLONASS衛星單獨制導可達到20～30 m的精度，已經足夠載有核彈頭的彈藥使用。

首個使用GLONASS衛星的軍事應用是改進的洲際彈道導彈系統。該導彈由667BDRM核潛艇發射。改進的導彈系統項目于1999年開始發起，增加了衛星制導能力，命名為R-29RMU 2 Sineva，2007年正式服役。增加衛星導航后，該系統極大地提高了精度，簡化了潛艇發射數據預備操作。俄羅斯后來的核導彈，如Yars和Bulava導彈，都使用了GLONASS系統。

首個使用GLONASS系統的非核戰略彈藥是空中發射的Kh-101巡航導彈（核版導彈為Kh-102）。這種新的導彈射程超過4 500 km，由于射程距離較遠，如果僅依靠傳統的慣性導航，精度會逐漸下降，尤其是在開放海域。而使用了GLONASS系統的Kh-101目標偏差低于10 m，未使用GLONASS系統的Kh-555導彈的誤差達到了25～30 m。

大約在2000年，由于緊湊型接收機的興起，俄羅斯開始研制衛星制導戰術武器。PSN-2001接收機是緊湊型接收機的一種，它可以集成到各種不同的機載彈藥中，包括KAB-500S彈藥。PSN-2001可以接收L 1頻段的GLONASS信號，也可以接收未加密的美國GPS民用信號。它也可以接收來自地面差分糾正站的信號來減小定位誤差。這種工作模式使得俄羅斯即使在GLONASS系統勉強可用GLONASS時，也可以開發和測試高精度彈藥。

俄羅斯下一代衛星制導武器是KAB-500S精確制導彈藥。它不同于美國的JDAM彈藥制導裝置，JDAM制導裝置只能安裝在普通自由墜落彈藥中，而俄羅斯的應用范圍更廣，但性能類似。KAB-500沒有使用推進器和復雜制導系統，相對較為便宜。其投放高度可達500 m～5 km，投放距離達到9 km。其出口版本缺乏差分糾錯能力，精度只能達到7～12 m。

俄羅斯還開發了一種輕型彈藥版本KAB-250，可安裝在Su-57第五代戰機內部隔艙或外部吊艙上。有消息稱，在敘利亞戰爭中，該彈藥與Su-34戰機綜合后實現作戰應用。

俄羅斯針對受保護的目標，專門開發了多種衛星制導的空射導彈。這些導彈比制導彈藥昂貴，但是可以不進入敵防空作戰范圍內而摧毀目標。此類導彈的典型包括Kh-25MS、Kh-38MK和Kh-59MK2。Kh-25MS和Kh-38MK發射距離達到40 km，Kh-59MK 2發射距離達到100 km。

俄羅斯目前所有的現代戰艦和地面車輛都配有衛星導航技術。如最新的T-90坦克和正在研制的裝甲車等。這樣可使地面戰車與戰術及其更高層的自動化指揮控制系統兼容。甚至于單兵作戰系統都配有此類系統。此外，衛星制導技術還應用在了航母直升機的輔助著陸方面，如20380和20385巡洋艦的輔助著陸。

俄羅斯的陸軍部隊，包括運輸和偵察部隊，也都在努力集成GLONASS技術。他們已經開始接收此類系統，如Strelets偵察、控制和通信組件，可以獲得目標的坐標，并將其反饋給自動指揮控制系統或瞄準火炮和空中發射武器。

衛星坐標對于軍事地理信息系統也是必不可少的。此類系統是自動指揮控制系統的核心。在動態和不斷變化的環境中，如果具有戰場控制設備和交戰目標的精確坐標，作戰效能將會大幅度提升。此外，GLONASS信號可以用于精確時鐘同步，這對于高精度武器和指揮控制同樣重要。

3.2 典型應用場景

敘利亞戰爭是俄羅斯GLONASS典型軍事應用場景。俄羅斯在敘利亞的軍事作戰始于2015年9月，這是俄羅斯首次在戰場上試驗衛星導航系統的能力。

在敘利亞戰場上，大多數時間，GLONASS衛星的可用率都在95%以上。敘利亞戰場上首批裝備最新定位和導航系統的各種作戰飛機，包括Su-24M、Su-25SM、Su-27SM 3、Su-30、Su-34和Su-35飛機，以及“圖”-22M 3遠距離轟炸機。飛機和目標的精確實時3D坐標，綜合大氣環境數據，可讓新系統改進精確打擊能力，甚至能提高普通的未制導炸彈的精度。

廣泛地使用衛星導航技術可以盡可能地發揮舊式炸彈的威力。這些炸彈可以自動根據預置過程，在飛行過程中投下未制導的彈藥。偶爾，這些可能在夜晚或濃密云層覆蓋情況下完成，即無需看到真實目標就可以完成投射。之前，舊式炸彈只能打擊塔樓或機場大小的目標，借助衛星導航技術后，可以打擊單個堡壘或建筑。

例如，Su-25SM戰斗機可在目標高度200～300 m，水平范圍10～15 m的地方投放炸彈。在敘利亞，這種新能力使得常規炸彈可作為輕型炸彈使用。經過實戰表明，采用衛星制導的遠距離炸彈可以投放大量自由落體炸彈以轟炸大型工業設施。

然而，這些靈巧的目標瞄準系統還無法完全替代高精度武器。敘利亞戰爭中使用的高精度武器類型信息鮮少披露。只有俄國防部提到過Kh-101和Kalibr巡航導彈，以及KAB-500S制導空中炸彈。這些炸彈都采用了GLONASS系統，也是敘利亞戰爭中使用的主要炸彈。2015年，俄羅斯從里海的戰艦上發射了26顆Kalibr-NK巡航導彈，以打擊1 600 km遠的目標。此次巡航導彈的發射表明這些導彈能夠穿越復雜的多山區域，證明了俄羅斯具備遠距離高精度常規打擊能力。

KAB-500S衛星制導炸彈通常由Su-34轟炸機投放，最初其針對的是高價值目標，如指揮中心、彈藥庫和武器工廠。后來，俄空軍利用該炸彈與地面部隊配合，轟炸前線。俄國防部稱，KAB-500S炸彈在敘利亞戰爭中的精度可優于5 m。

俄羅斯在敘利亞演示了許多采用GLONASS制導的高精度武器。這也意味著，俄羅斯已經在該區域布置了許多地面差分糾正站，由于友方政府的支持，這并不困難。但超出俄羅斯本土和盟軍國家范圍，這些差分糾正站的建立就不太容易了。

俄羅斯在敘利亞部署超過70架無人機，這些無人機上都裝有衛星導航設備。這也是這些無人機導航的主要手段。無人機不僅可以查找目標，還可以捕獲目標精確坐標，然后將這些信息發送給高精確武器系統和指揮控制系統。

俄羅斯也在敘利亞地區部署了各級的自動指揮控制系統（從戰術級至戰略級）。其中Strelets偵察、目標指示和通信系統，是戰術自動指揮控制層的重要組成部分，可用于捕獲地面目標的坐標。

4 GLONASS的未來發展

4.1 中俄將加強導航衛星戰略合作

俄羅斯為提高導航衛星的精度和魯棒性，開始謀求與中國進行導航衛星戰略合作。2015年1月，在中俄總理定期會晤委員會框架下，正式成立項委會，建立起政府間推動兩系統深度合作的平臺和機制。近幾年，項委會先后召開6次正式會議，成立4個工作組，簽署發布兼容與互操作、聯合應用等多個聯合聲明，開通運行兩系統監測評估服務平臺，聯合開展兩系統“一帶一路”服務性能測試等，兩國衛星導航領域合作務實推進、成果顯著。2019年8月，中俄衛星導航重大戰略合作項目委員會第六次會議在俄羅斯喀山舉行。會議期間，經雙方確認，《中華人民共和國政府和俄羅斯聯邦政府關于和平使用“北斗”和GLONASS全球衛星導航系統的合作協定》即將生效。該協定作為中俄衛星導航合作的重要政府間文件，將為兩國衛星導航領域合作提供法律和組織保障。

4.2 俄羅斯將發展輔助導航手段來增強衛星導航能力

為了防止GLONASS在戰爭中失效而影響作戰，俄羅斯一直在發展無線電輔助導航系統：一是積極推進水下導航系統建設；二是發展陸基超遠程導航技術；三是研發和裝備“章魚”-N1（Sprut）無線電高精度導航系統。

為了在水下作戰中贏得先機，俄羅斯也在積極推進水下導航系統建設。2016年12月，俄羅斯發布招標計劃,“俄聯邦航天局”國家集團公司計劃投入約18.4億盧布，全面拓展GLONASS導航系統應用領域，將GLONASS衛星導航系統用于地下、水下和月球。水下導航計劃通過GLONASS系統與地面無線電導航設備、水聲數據傳導設備以及激光數據傳導設備的協同工作來實現。俄羅斯水下導航定位系統研發已取得重要進展。俄羅斯新型水下導航系統未來一旦服役，可在確保水下平臺生存能力的同時，提升水下精確作戰能力。這種系統雖然不是一種全新的系統，但它綜合集成和改進了現有通信導航技術，在其運用上進行了創新，仍然具有革命性意義。

俄羅斯“阿爾法”陸基超遠程導航系統是現今國際上唯一仍在正常運行的甚低頻段無線電導航系統。該系統設計的工作范圍覆蓋全球70%的區域，到2017年己實現地球表面60%區域的覆蓋。該系統信號傳輸穩定、衰減小，能穿透一定深度的海水或冰層，是實現水下/冰下無線電導航定位的重要手段。“阿爾法”導航系統可以采用測距差、測距與準測距3種方式進行導航定位，通常定位精度在3.7～7.4 km,為解決電波預測修正問題，俄羅斯在系統工作區內先后建起了31個“阿爾法”信號傳播監測站。差分“阿爾法”的精度比普通的“歐米伽”的定位精度提高了3～5倍，白天的定位精度可達200～1 000 m。

俄羅斯最近研發并裝備了全新的“章魚”-N1（Sprut）無線電高精度導航系統，其確定物體所在位置的精度、高度和速度也要遠高于GLONASS系統。“章魚”-N1的地面基站可以給艦船傳輸加密信號，以此確定具體坐標。同GLONASS等傳統的衛星定位導航系統不同的是，“章魚”-N1的信號無法被抑制，體現出信號安全性高、對各種干擾“免疫”等特點。俄羅斯國防部透漏消息稱，“章魚”-N1系統設備已于2019年裝備到某艦隊艦只上開展試運行活動，同時將在俄羅斯境內建立2個地面基站。

4.3 俄將加強GLONASS衛星系統網絡安全

2019年6月，GLONASS衛星系統首席設計師Korablev宣布了未來10年GLONASS衛星導航系統發展的主要任務，即加強其網絡安全。他表示，欺騙攻擊日益頻繁，黑客可以通過復制導航信號來控制交通運輸系統，因此俄將加強對GLONASS衛星的信號保護，使其免遭黑客遠程攻擊。最常見的黑客攻擊發生在船舶導航系統中，船舶可能因此丟失位置、失去聯系。俄導航計劃的任務之一就是提高讀數的準確性、加強網絡防御。首席設計師沒有披露加強衛星信號保護的具體措施，但GLONASS衛星系統將在2025年全部更換為新一代導航衛星GLONASS-K 2，衛星設備組件全部由俄羅斯本國生產。

4.4 俄將擴大GLONASS系統的武器出口

俄羅斯一直在關注先進武器系統的出口問題，這些武器系統也依靠俄羅斯的衛星導航服務，除了武器，這些系統還包含衛星導航裝備、依賴于衛星信號的高精度武器平臺、自動指揮控制系統。這些都是俄羅斯國防工業的競爭優勢所在。其中典型項目就是俄羅斯與印度合作的BrahMos導彈項目，該導彈依靠GLONASS信號制導。印度也購買了俄羅斯許多其他使用GLONASS能力的先進武器。2010年，俄羅斯和印度簽訂了政府間的協約，同意印度獲得加密的高精度GLONASS信號。

2017年有消息稱，俄羅斯共同安全公約組織(CSTO)的盟軍都允許接入加密軍用GLONASS信號。截至目前，這些盟軍只有少量的平臺或彈藥能夠使用GLONASS衛星信號，但隨著后續的交流發展，在不遠的未來，這些國家都可借助GLONASS系統增強其軍事能力。

5 結束語

GLONASS的發展歷史，可謂是一部蘇聯到俄羅斯衰亡復興史，經過多年的發展，GLONASS的現代化進程已經取得了階段性的成果，其在軌衛星數已恢復滿星座運行，系統的可用性較過去有了較大提升，已經成為僅次于GPS的衛星導航系統。GLONASS的用戶數量稍遜于GPS，但隨著與“北斗”系統戰略合作的推進，其用戶數量也開始不斷提升，可以預見，GLONASS對于全球導航定位系統的貢獻將越來越突出。■