GLONASS加速現代化進程

+ 陳念茹 唐云 （北京環球信息應用開發中心）

GLONASS系統是蘇聯上世紀70年代開始研發的全球衛星導航系統，蘇聯解體后由俄羅斯繼承下來，于1996年建成并運行，但隨后因俄羅斯經濟不斷下滑，致使需要高昂維護費用的GLONASS系統無法及時實施補網衛星發射，而處于降效運行狀態。近年來，隨著經濟的恢復發展，俄聯邦政府頒布了多項發展GLONASS系統的計劃和措施，并陸續發射了多顆補網衛星，步入了加速GLONASS系統恢復和現代化的軌道。

一、系統建設

GLONASS的現代化計劃包括對空間段和控制段實施改造，以及GLONASS信號整體性能的提升。

1.空間段現代化

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。

空間段現代化一方面提高衛星質量，另一方面推動導航信號改革，GLONASS衛星及信號現代化計劃見表1。2003年12月10日，首顆發射的GLONASS-M衛星入軌運行，并于2004年12月8日開始向廣大用戶發送導航定位信號，這標志著GLONASS向現代化邁出了堅實的第一步。2011年12月8日又一顆GLONASS-M衛星（2011年11月28日發射）被確定為健康狀態。至此，GLONASS星座在軌可用衛星達到24顆衛星，系統基本實現24顆衛星的滿星座部署計劃，標志著GLONASS系統將開始進入空間段現代化第三階段。

1.1 新型衛星

GLONASS-M衛星作為新一代衛星，相比GLONASS衛星具有以下特點：

（1）衛星在L1 (1.6 GHz)和L2 (1.25 GHz)頻段傳播FDMA民用信號，增加了傳播功率；

表1 GLONASS衛星及信號現代化計劃

（2）衛星在1個軌道面內部和軌道與軌道之間的星間鏈路帶有測距和通信功能；

（3）星載銫鐘同步每日相對頻率穩定度為5 ×10–14;

（4）太陽電池板定位精度提高；

（5）工作壽命設計為7年。

GLONASS-K衛星在GLONASS現代化計劃中占有重要地位，使用不加壓艙（類似于GPS）、星載時鐘穩定度更高、重量更輕（衛星重750kg），定位精度達5m，可使用3個頻段（包括新增加的第3個民用L頻段信號），其特點包括：

（1）衛星設計壽命可達10年；

（2）將提供5個民用導航信號（在原有的3個FDMA信號基礎上，又增加了2個CDMA信號）；

（3）為提高同步精度，將導航和星間信號的構成及傳輸功能合成到1個模版；

（4）衛星還搭載了搜救系統COSPAS-SARSAT轉發器。

1.2 導航信號

導航信號結構和參數決定偽距測量精度，它影響用戶最后的定位精度。因此，GLONASS導航信號改革是整個系統開發最先考慮的問題。“Glonass-K” 新導航衛星有史以來將首次傳輸L3頻段上的CDMA信號。由于信號參數的改變，該信號為用戶傳輸了新的導航信息。

圖1 GLONASS地面控制系統

未來GLONASS CDMA導航信號開發計劃將重點在L1和L2頻段。為了設計方便用戶使用的信號，可能會采用以下措施：

（1）GLONASS FDMA和CDMA導航信號的聯合使用應該能夠滿足更大范圍內的用戶需求，并且是從普通導航到高精度應用；

（2）信號應在國際電信聯盟（ITU）分配給GLONASS的頻段內；

（3）低功率譜密度在無線電天文頻段1610.6～1613.8 MHz;

（4）與其他GNSS系統兼容和互操作。

GLONASS-K1，將在新L3頻率上發射CDMA信號；GLONASS-K2將在L1和L2頻率上分別發射CDMA信號。CDMA信號在定位精度上強于FDMA信號。俄羅斯計劃在每顆GLONASS衛星上增加CDMA信號。2011年2月26日，首顆GLONASS-K衛星成功發射。

2.地面段現代化

GLONASS現代化除了不斷改善衛星性能、功能和壽命之外，從提升系統整體性能角度，還對地面段實施現代化改造。

2.1 發展現狀

GLONASS地面部分由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，如圖2所示。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GLOANSS的保障工作，所有任務由俄羅斯境內的控制站承擔。

2.2 改進措施

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，主要措施是擴展與GPS相類似的接收監測站網絡以及在主控站（OD&TS）中對軟件進行現代化，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。

這種接收監測網絡將包括優化俄羅斯空軍的3個站、原有的9～12個站以及國際合作。由于IGS有全球衛星跟蹤站網，俄羅斯與它合作將在一定程度上克服設站范圍僅限于俄羅斯版圖的局限。

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TT&C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。

2011年10月7日，俄羅斯聯邦航天局局長波波夫金在俄杜馬發表講話時表示，俄航天部門目前正在積極建設GLONASS系統的地面設施。他還說在重審的俄羅斯航天局聯邦航天計劃中，超過37%的撥款用于修建地面基礎設施（當然，其中包括遙感和通訊衛星系統）。11月29日，普京又呼吁政府加大建設GLONASS系統地面設施的工作力度，但2011年至今沒有看到GLONASS系統地面段建設的最新進展。從目前衛星星座建設的情況來看，和GPS的發展相比，GLONASS地面段建設顯然要落后于空間段建設，而對系統性能來講，沒有相匹配的發展，整體性能勢必要受到影響。因此，預計GLONASS系統要全面建成大概需到2015年。

二、政策引導

GLONASS系統現代化，除了對系統的空間和地面段進行現代化改造之外，從政府和國家層面也制定了相關政策措施來積極推動保障現代化建設的順利進行。

1.財政支持

近幾年,俄羅斯加大了對GLONASS的投入。2006財年獲得47億盧布（2億美元）預算，2007財年獲得99億盧布預算。2008年9月12日，普京簽署命令，擬為GLONASS系統追加26億美元投資，用于研發和補充新星。絕大部分新增投資將用于增加現有GLONASS星座的新衛星，使星座衛星數量在2020年達到30顆，并實現其地面段的現代化改造。

2011年6月21日，俄羅斯聯邦航天局領導波波夫金于宣布，在《2020年前GLONASS聯邦計劃》方案中將為發展俄羅斯全球定位系統注資4020億盧布（約144億美元），主要用于保持星座的衛星數量、研制新衛星、開發導航地圖、建設必要的地面設施、補充研發用戶設備等。而且，為實施2012年和隨后2年的聯邦航天計劃所需的資金已經下撥，GLONASS系統將在2015年完全建成，屆時，其定位和導航誤差范圍將從目前的5～6米縮小為1米左右。

2.推廣應用

為爭奪導航領域的市場，盡快改變GPS獨占市場的局面，俄政府從政策角度支持GLONASS應用。

2009年，俄政府從工業和貿易部及聯邦關稅服務中取消GNSS部分進口關稅，提高25%成品關稅。該計劃將刺激國內高容量GLONASS產品和GLONASSGPS用戶設備的生產。2011年，俄羅斯官方表示，從2012年1月1日起，將對不支持GLONASS的衛星導航硬件開征關稅，但對同時支持GPS和GLONASS的導航儀和其他設備不收關稅。此外，交通運輸部也制定了相關規定，要求所有聯邦部門要在俄羅斯制造的車輛、船只和飛機上使用GLONASS接收機。

3.頒布法令

2009年2月4日，俄羅斯聯邦議會正式發布了有關導航活動的GLONASS聯邦法規，該項法規確立了關于導航活動的法律框架，明確了俄羅斯聯邦、地區以及地方自治實體的權力，以及各種自然人和法人在導航活動中的相關權益。這項法規的頒布將為GLONASS衛星導航系統的后續發展及在社會經濟生活等領域的應用擴展提供有力支持和促進作用。

另外，俄羅斯還加大了國際合作力度，這些國際合作包括簽署聯合聲明和政府間協議保證GLONASS系統與GPS和Galileo系統未來的兼容和互操作，并合作使用GLONASS系統。此外還有參與系統研發，協助發射衛星以及建立境外參考站等。

三、 總結

1.政策支持與國際合作保障系統健康發展

任何一項重大工程的研制建設都與國家政策的支持密切相關，衛星導航系統的發展壯大也不例外。在GLONASS現代化進程中，政府通過制定相關政策法規保障并推動了系統的良性發展，并且在目前GPS還處于領先和一家獨大的局面下通過立法和政策支持，強制推廣GLONASS系統在經濟、社會、軍事等關鍵領域的應用，保護民族產業順利發展，而國家從財政方面的大力支持也為現代化改造的順利完成提供了重要的經濟保證。

在系統建設方面，以適度的開放姿態，加強系統之間的相互兼容，實現互操作，這是今后導航系統健康發展的趨勢。導航系統間的兼容和互操作是各國進入民用導航市場的重要基礎，過去，俄羅斯的GLONASS系統因長期缺乏國際合作的積極性，其國際影響和國際市場運作遠不如GPS。隨著俄羅斯的GLONASS系統現代化計劃的實施，俄羅斯開始加大合作力度，并在導航信號的開發方面，在原有FDMA基礎上，增加了CDMA信號，為與GPS和Galileo的兼容和互操作打下了良好的基礎。GLONASS要提供CDMA信號，就是為了與其他系統的兼容和互操作。

2.關鍵技術攻關提升系統國際競爭能力

關鍵技術與設備的提前研發，對于搞好系統設計和縮短建設周期、降低風險具有非常重要的意義。GLONASS系統在空間和地面段的整體改造過程中，在GLONASS系統幾代衛星的研發過程中，星鐘壽命、星鐘穩定度以及信號設計都不斷得到改進和提升，這些都使系統在未來實現全運行服務后，能夠為用戶提供更高精度的導航定位服務，而在未來全球多個GNSS系統并存的局面下，系統的競爭優勢也提高了。

3.統籌規劃合理布局確保系統順利發展

GLONASS在進行現代化建設過程中，在空間段建設不斷升級的同時，地面段改造沒有同步發展，這勢必會影響系統的整體建設而使現代化計劃進度滯后。因此系統建設要統籌規劃，合理安排，這樣才能確保系統建設穩步前進。

盡管GLONASS系統建設仍然面臨很多困難，但是以目前的發展態勢，相信不久將對全球衛星導航系統的格局產生重要影響。