格洛纳斯的历史背景和发展路线

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2020年03月26日

1960年晚些时候,俄罗斯军方确认需要一个卫星无线电导航系统(SRNS))用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时已有的Tsiklon卫星导航系统接收站需要好几分钟的观测才能确定一个位置,因此不能达到导航定位的目的。1968-1969年,国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。


1970年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后,在1976年,前苏联颁布法令建立GLONASS(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。GLONASS卫星星座基本上一直处于降效运行状态,只有8颗卫星是全功能工作的。


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。格洛纳斯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,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,


1982年至1985年间,发射了3颗模拟星和18颗原型卫星用作测试。由于苏联的卫星和电子设计水平和美国有很大差距,苏联这些测试卫星设计寿命只有一年,真实的平均在轨寿命也只有14个月。格洛纳斯系统1985年开始正式建设,1985~1986年,6颗真正的格洛纳斯卫星被发射升空,这些卫星对比原型卫星改进了授时和频率标准,增强了频率的稳定性,不过它们的寿命仍然不佳,只有大约16个月的平均寿命。此后又发射了继续改进的12颗卫星,不过一半的卫星由于发射事故损失了,这些新卫星设计寿命2年,实际平均寿命是22个月。

这样到了1987年,格洛纳斯系统共计发射了包括早期原型卫星在内的30颗卫星,在轨可用卫星9颗,前景一片光明。1988年开始发射的卫星是进一步改进的版本,这个版本在现在一般称为格洛纳斯卫星。这些卫星重量1400千克,采用三轴稳定技术和精密铯原子钟,设计寿命进一步提高到3年,在1988年到2000年间这个版本的格洛纳斯卫星发射了54颗之多。这些卫星都是在拜科努尔发射中心使用质子火箭以一箭三星的方式发射入轨的。


俄罗斯并于1990年5月和1991年4月两次公布GLONASS的ICD,为GLONASS的广泛应用提供了方便。GLONASS的公开化,打破了美国对卫星导航独家经营的局面。俄罗斯90年代曾经制定过一个GLONASS星座渐进增强计划,企图在2001年开始有12颗全功能工作的卫星,但根据最新情报,目前仍然只有8颗全功能工作的卫星。


1995年俄罗斯耗资30多亿美元,完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成,原理和方案都与GPS类似,不过,其24颗卫星分布在3个轨道平面上,这3个轨道平面两两相隔120°,同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行,轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称,多功能的GLONASS系统定位精度可达1米,速度误差仅为15厘米/秒。如果必要,该系统还可用来为精确打击武器制导。


GLONASS一开始就没有加SA干扰,所以其民用精度优于加SA的GPS。不过,其应用普及情况则远不及GPS,这主要是俄罗斯没有开发民用市场。另外,GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短,且由于经济困难无力补网,在轨可用卫星少,不能独立组网。2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动,迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。GLONASS经历了最糟糕的时期,当时只有8~10颗卫星在工作,而要该系统发挥完全的作用,需要有24颗卫星。现在只有11颗卫星处于工作状态,但是要使该系统具有军用价值,在轨道上至少要有18颗星。俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。为此,俄罗斯航宇局正试图吸引外资。按航宇局局长科普捷夫的说法,正在和包括中国在内的国家和组织进行商谈来共同恢复GLONASS。希望到2011年该系统将完全恢复。


专家认为,当这个系统的卫星达到18颗时,GLONASS便可发挥导航定位功能;当卫星总数达24颗时,其导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间。届时,GLONASS系统的用户便可不间断地获得地面、水面、天空、近地空间内相关物体的准确坐标信息。按照计划,俄将于2006年之前将该系统的24颗卫星全部部署完毕。2003年9月24日,是俄联邦政府总统正式宣布俄罗斯GLONASS系统开始服役的十周年纪念日。事实上,GLONASS在1993年只是具备了初始作战能力。直到1995年末1996年初GLONASS才真正实现了完整星座的部署。GLONASS的第一颗卫星是1982年发射入轨的,同年还发射了两颗同轨道(19100千米)的Etalon geodetic卫星,对规划的高度和倾角的地球引力场特性进行全面表征。原计划1991年建成完整的工作系统。


GLONASS的工作卫星有21颗,分布在3个轨道平面上,同时有三颗备份星。这三个轨道平面两两相隔120度,同平面内的卫星之间相隔45度。每颗卫星都在19100千米高、64.8度倾角的轨道上运行。每颗卫星需要11小时15分钟完成一个轨道周期。