格洛納斯衛星導航系統的發展歷程及其現代化計劃

陳 鵬

（交通運輸部天津海事測繪中心，天津 300222）

0 引言

1959 年9 月17 日，美國在佛羅里達州卡納維拉爾角的大西洋導彈靶場，用索爾-埃布爾（Thor-Able）三級火箭，將美國海軍衛星導航系統（U.S. navy navigation satellite system, NNSS）第一顆導航衛星Transit-1A 送入軌道[1]，開啟了星基導航的歷史。由于NNSS 的導航衛星沿地球子午圈的軌道運行，因此，NNSS 又稱為子午儀衛星導航系統（Transit navigation satellite system, Transit）[2]。蘇聯科學家為了給在海上航行的海軍艦艇及在水下航行的彈道導彈潛艇提供導航服務，也于1963 年啟動了一個基于空間衛星進行導航的研發項目（research and development, R&D），該項目稱為蘇聯第一代低軌衛星導航系統即齊克隆衛星導航系統（Tsiklon satellite navigation system, Tsiklon），1967 年5 月15 日，蘇聯發射了Tsiklon 系統的第一顆導航試驗衛星，到1978 年7 月27 日發射Tsiklon 系統最后一顆試驗衛星科斯莫斯（Cosmos）1027，蘇聯共發射了29 顆Tsiklon 導航試驗試驗衛星；在完成了一系列試驗衛星的發射后，蘇聯于1974 年12 月26 日開始發射Tsiklon 系統的工作衛星，稱為Tsiklon-B 系統，Tsiklon-B 系統亦稱為帕魯斯衛星導航系統（Parus satellite navigation system, Parus）,從1974 年12 月26 日至2003 年6 月4 日，蘇聯及后來的俄羅斯共發射了92 顆Parus衛星，Parus 系統于1976 年為蘇聯海軍的潛艇及軍艦提供導航定位服務，Parus 系統為蘇聯的絕密衛星導航系統[3]。為了滿足民用導航需求，蘇聯在建造Tsiklon 系統的同時，也同時建造了民用的齊卡達衛星導航系統（Tsikada satellite navigation system, Tsikada）[4]，并于1976 年12 月15 日發射了第一顆蘇聯民用導航衛星科斯莫斯883 號（Cosmos-192）[5]，開啟全球第二個民用全球衛星導航系統（global navigation satellite system,GNSS）的建設征程。Tsikada 是俄語“Цикада”的英文讀音，其意義為蟬（Cicada），因此，Tsikada 亦稱為“蟬”導航系統（Cicada navigation system, Cicada）。1979 年，Cicada 系統正式向用戶提供服務。

為了能夠檢測到救援無線電定位信標發射的求救信號，在Cicada 系統的導航衛星上，安裝了能夠接收救援信號的接收機，這種具有接收救援信號載荷的衛星稱為娜杰日達衛星導航系統（Nadezhda satellite navigation system, Nadezhda）[4]。當Nadezhda 導航衛星接收到求救信號后，會將其發送到專用地面接收站，地面站上的接收機就可以計算出求救信號的位置，從而實現對遇險人員的救援。無線電定位信標、Nadezhda 衛星及地面站，構成了蘇聯的衛星搜救系統科斯帕斯（Cospas），Cospas 與美國-法國-加拿大搜救衛星服務（search and rescue satellite-aided tracking, Sarsat）一起，建成了一個全球衛星搜救系統科斯帕斯-薩爾薩特（Cospas-Sarsat），Cospas-Sarsat 已經挽救了數千人的生命。

為了能夠為用戶提供全天候、全天時的導航定位服務，從20 世紀70 年代中期起，蘇聯就開始研究格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）的建設方案,1982 年10月12 日，蘇聯發射了第一顆 GLONASS 導航衛星,到1996 年初，建成了由24 顆第一代GLONASS 導航衛星組成的GNSS，可以在全球范圍為蘇聯軍方提供全天時、全天候的導航定位服務。

蘇聯于1991 年12 月25 日解體，俄羅斯繼承了GLONASS 的所有權。由于第一代GLONASS 衛星的壽命為3 年，每年需要進行兩次發射才能維持24 顆衛星構成的完整星座。但是，解體前的蘇聯及接替蘇聯的俄羅斯，在1989—1999 年間發生了經濟危機，受經濟危機的影響，它們用于空間計劃的資金減少了80%。在經濟危機的狀態下，俄羅斯無力按照一年兩次的速度發射GLONASS 導航衛星，致使在軌的GLONASS 導航衛星逐年減少，特別是從1996 年到1999 年12 月，俄羅斯一直未發射新的GLONASS 導航衛星。隨著第一代GLONASS 導航衛星的3 年壽命到期，到2001 年，GLONASS 僅僅有7 顆在軌衛星可以正常使用。2000 年代初，在弗拉基米爾·普京（Vladimir Putin）擔任俄羅斯總統期間，俄羅斯的經濟開始復蘇，而且普京總統本人也支持GLONASS 的更新計劃。2003 年12 月10 日，俄羅斯發射了新設計的第二代GLONASS 導航衛星GLONASS-M，2007 年5月18 日，俄羅斯宣布將精度為10 m 的GLONASS導航信號對全世界民用用戶開放[6-7]。

從2011 年開始，GLONASS 開始了現代化的工作，于2011 年1 月26 日發射了GLONASS-K1衛星，但由于各種原因，GLONASS 的現代化工作一直未按照計劃如期發射現代化的導航衛星GLONASS-K2。

1 蘇聯第一代衛星導航系統的定位原理

蘇聯的Tsiklon 系統、Tsikada 系統、Parus 系統及Nadezhda 系統都屬于蘇聯第一代衛星導航系統，雖然其構成導航星座的衛星數量不一致，但其定位原理都是依據多普勒頻移原理來實現定位的，文獻[8]以火車汽笛的頻率時間特性為例，論述了多普勒頻移的定位原理，如圖1 所示。

圖1 多普勒頻移示意[8]

假定火車運行的鐵軌為x軸，垂直于鐵軌的方向為y軸，接收機（此處為觀察者）位于 (x0,y0)處，信號源（此處為火車汽笛）的坐標為(x,y)，則信號源與接收機之間的距離[8]為

如果將火車鐵軌換成導航衛星的軌道，將火車的汽笛換成導航衛星上發送的導航信號，則圖1 就成為了利用多普勒頻移來定位的原理圖。設在導航衛星上的發射裝置以頻率fs發射導航信號，則接收機測得導航信號的頻率fr為

從圖1 可以看出，當信號源靠近接收機時，多普勒頻移Δf為負；當信號源遠離接收機時，多普勒頻移Δf為正。多普勒頻移Δf的變化率為

當然，式（7）僅僅是采用多普勒頻移計算接收機位置最為簡單的說明，對于采用導航衛星軌道參數及多普勒頻移計算接收機位置的三維坐標更為詳細的論述，有興趣的讀者可以仔細閱讀文獻[8]。

2 蘇聯第二代衛星導航系統

無論是軍用的Parus 系統，還是民用的Tsikada系統，蘇聯第一代衛星導航系統都存在以下缺點：1）導航衛星都處于1 000 km 高度的中低軌道，易受大氣阻力和地球重力變化的影響，使得實時確定導航衛星的軌道參數變得特別困難，嚴重地影響了用戶的定位精度；2）導航衛星的個數較少，例如Parus 系統僅有6 顆導航衛星，Tsikada系統也僅有4 顆衛星，這使得地面接收機需要等待很長時間才能夠接收到導航衛星的導航信號，滿足不了用戶實時導航定位的需求。為了解決這些問題，蘇聯于1982 年10 月12 日發射了第一顆GLONASS 導航衛星，開啟了建設蘇聯第二代衛星導航系統的建設步伐。GLONASS 亦稱為烏拉根（Uragan），是俄語“颶風（Ураган）”的意思。

與美國全球定位系統（global positioning system, GPS）的定位原理相似，GLONASS 也由空間段、控制段及用戶段構成，其定位原理可以參閱文獻[9]，這里僅介紹GLONASS 的特點。

GLONASS 的星座由運行在3 個軌道平面的24 顆導航衛星組成，每個軌道面上等間隔地分布著8 顆導航衛星，這些導航衛星位于地球上19 100 km的高空，其軌道傾斜角為64.8°，繞地球的運行周期為11 h 15 min 44 s。

與GPS 通過不同的偽隨機碼來區分衛星的碼分多址（code division multiple access, CDMA）調制方式不同，早期的GLONASS 衛星采用頻分多址（frequency division multiple access, FDMA）調制方式，即把相同的偽隨機碼調制到不同頻率的載波上，GLONASS 衛星 L1、L2 頻段載波信號頻率[10]分別為

式中：n為GLONASS 衛星在發射導航信號時采用的頻道號，n=- 7, -6,…, 5, 6；fL1、fL2分別為L1、L2 頻段載波信號的中心頻率； ΔfL1、ΔfL2分別為L1、L2 頻段載波信號的頻率間隔，其值分別為fL1=1 602 MHz、 ΔfL1=562. 5 kHz；fL2=1 246 MHz、ΔfL2=437.5 kHz。

為了實現與其他 GNSS 互操作，俄羅斯于2011 年2 月26 日發射了GLONASS-K1 衛星，在GLONASS-K1 衛星的L3 頻段上增加了CDMA 信號[11]，表1 列出了至2021 年5 月8 日，發射的GLONASS 衛星的主要技術參數。表1 中：SF(secured FDMA signal)為加密的 FDMA 信號；OF(open FDMA signal)為公開的FDMA 信號；SC(secured CDMA signal)為加密的 CDMA 信號；OC(open CDMA signal)為公開的CDMA 信號。商用接收機可以接收各個頻段上的公開信號，加密信號僅供俄羅斯軍方使用。

表1 GLONASS 衛星的主要技術參數[11-13]

3 格洛納斯衛星導航系統的現代化計劃

雖然早在1996 年，GLONASS 就建成了由24 顆導航衛星組成的GNSS，但當時GLONASS 存在致命的缺陷：1）由于缺少能夠接收GLONASS導航信號的兼容硬件，使其GLONASS 無法在民用行業發揮作用；2）俄羅斯在20 世紀90 年代，采取了削減軍費開支、軍工企業軍轉為民用企業等政策，使俄羅斯軍隊未有足夠的資金來購買能夠接收GLONASS 信號的接收機，致使俄羅斯軍隊在1994—1996 年的第一次車臣戰役中，俄羅斯國防部甚至需要從外國購買了民用GPS 接收機供參戰部隊使用，俄羅斯空軍的許多參戰飛行員，甚至會自費購買民用GPS 接收機，供他們在戰斗飛行期間為自己的戰機導航[14]。

由于第一代 GLONASS 導航衛星的可靠性不高，出現故障的幾率非常高，而且也缺乏備份衛星進行替換，導致1996 年建成的、具有24 顆導航衛星的星座很快崩潰，到 2001 年，GLONASS 只有7 顆在軌工作衛星，這7 顆導航衛星無法為全球用戶提供全覆蓋、全天時的導航定位服務，實際上這7 顆導航衛星也不能夠為俄羅斯本土的用戶提供全天時、全覆蓋的導航定位服務，即使在GLONASS 能夠提供服務時，其定位精度比GPS 低一個數量級，這時的GLONASS 成為了一個毫無用處的擺設，動搖了俄羅斯在衛星導航領域的大國地位[14]。

為了盡快恢復俄羅斯在衛星導航領域的話語權，俄羅斯政府于2002 年啟動了一項名為“全球導航系統（2002—2011 年）”的聯邦計劃。該計劃的目標是全面恢復與促進包括空間段、控制段及用戶段在內的、所有涉及GLONASS 的軟硬件的發展。到2011 年12 月，GLONASS 再次擁有了24 顆在軌運行的導航衛星，滿足了覆蓋全球、可以為用戶提供全天時服務的GNSS。GLONASS 也正式交付給俄羅斯國防部進行試運行[14]。

為了鞏固俄羅斯在衛星導航領域里取得的成果，俄羅斯政府于2012 年啟動了“2012—2020 年GLONASS 的維護、開發和使用”聯邦計劃，文獻[15]曾經指出，俄羅斯將在2013—2014 年間發射現代化的導航衛星GLONASS-K2，但到寫作本文時（2021 年5 月29 日），俄羅斯仍然沒有發射現代化的導航衛星 GLONASS-K2，表 2 列出GLONASS-K2 的主要技術指標。

表2 GLONASS-K2 的主要技術參數[15-17]

GLONASS 空間段的現代化計劃[17]為：1）使用機載軟件及星間鏈路（inter-satellite link, ISL）來提高衛星軌道參數及鐘差數據的更新速率；2）校準不同信號、不同頻率間及不同通道間的數據延遲；3）研發新的導航信號L1OCM、L5OCM；4）研發新一代星載銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘子鐘。

GLONASS 地面控制段的現代化計劃[17]為：1）更新數據處理軟件，以提高衛星軌道及鐘差數據處理精度；2）部署全球性地面測控站，進一步提高導航衛星的軌道參數的精度，地面測控站將布設在俄羅斯本土，赤道區域及南極地區；3）在俄羅斯境內增加數據注入站的個數。

4 結束語

GLONASS 的發展歷程清晰地告訴我們，星基導航系統作為一個國家重要的基礎設施，只有將軍用與民用市場相結合，才能夠促進星基導航系統的良性發展；也只有與其他國家的GNSS 實現信號兼容與互操作，才能夠擴大用戶群，促進本國GNSS 的發展。