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格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)

格洛纳斯卫星定位系统(俄文名称:GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema,简称:GLONASS),由前苏联(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。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。格洛纳斯卫星定位系统目前在轨运行的卫星已达30颗,可为全球范围内提供定位导航服务。

格洛纳斯卫星定位系统,是继美国GPS全球定位系统之外的世界第二个全球卫星定位系统。我国研制的北斗卫星导航系统,预计于2020年可为全球范围提供定位导航服务。

中文名称格洛纳斯卫星定位系统俄文名称GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema
简称GLONASS所属国家俄罗斯

系统简介

格洛纳斯卫星定位系统,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。

格洛纳斯卫星定位系统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。

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。

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。近日,俄罗斯空间系统科学研究所所长孟什可夫对记者说,3年前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,是俄联邦政府总统普京正式宣布俄罗斯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。

系统组成

卫星星座

格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)星座由27颗工作星和3颗备份星组成,所以GLONASS星座共由30颗卫星组成。27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。

地面支持系统

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。

用户设备

格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)用户设备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系统绝对定位精度水平方向为16米,垂直方向为25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。

“短命”的格洛纳斯卫星

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。

系统参数

与美国的GPS系统不同的是格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)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)。每颗格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625K(MHZ)和L2=1,246+0.4375K(MHZ),其中K=1~24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同,均为L1=1575.42MHZ和L2=1227.6MHZ。

格洛纳斯卫星定位系统(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。

格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)单点定位精度水平方向为16M,垂直方向为25M。

格洛纳斯卫星定位系统(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。所有格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止,共发射了80余颗格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)卫星。

为进一步提高格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)的定位能力,开拓广大的民用市场,俄政府计划用4年时间将其更新为GLONASS-M系统。内容有:改进一些地面测控站设施;延长卫星的在轨寿命到8年;实现系统高的定位精度:位置精度提高到10~15M,定时精度提高到20~30NS,速度精度达到0.01M/S。

另外,俄计划将系统发播频率改为GPS的频率,并得到美罗克威尔公司的技术支援。格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)的可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。

发展历程

格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)的研制开始于20世纪70年代中期,历经20多年的曲折历程,虽然曾遭遇了前苏联解体,俄罗斯经济不景气,但始终没有中断过系统的研制和卫星的发射。终于1996年1月18日实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航信号,使系统达到了一个重要的里程碑。

格洛纳斯卫星定位系统(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。

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。

第二阶段(1990年-1995年)

格洛纳斯卫星定位系统(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。

格洛纳斯卫星定位系统(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。

格洛纳斯卫星定位系统(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。

技术改进

为了提高系统完全工作阶段的效率和精度性能、增强系统工作的完善性,已经开始了GLONASS系统的现代化计划。主要内容如下:

改善GLONASS与其它无线电系统的兼容性;改进卫星子系统;改进地面控制系统;配置养分子系统。

改频计划

GLONASS采用频分制,24颗卫星L1信号的总频带宽度为1602~1615.5±0.51MHz。显然该频段的高端频率与传统的射电天文频段(1610.6~1613.8MHz)重叠。另外ITU WARC-92又决定将1016-1626.5MHz频段分配给低地球轨道(LEO)移动通信卫星使用,因此要求GLONASS改变频率,即让出高端频率。

1993年9月俄罗斯作出响应,决定在同一轨道面上相隔180°(即在地球相反两侧)的两颗卫星使用同一频道。于是,在仍保持频分多址的情况下,系统总频道数可减少一半,因而可让出高端频率。

应该指出,在改频计划第Ⅰ和第Ⅱ阶段,不排除在新发射的卫星上使用-7~+4中的频道,并装上滤除1610.6~1613.8MHz和在(第Ⅲ阶段及其以后的发射卫星再装上)1060~1670MHz的滤波器,以消除强的带外干扰。此外,为了保持L2与L1的间隔,改频计划还包括对L2信号频率(按L2/L1=7/9)作相应的改变。

在1996年12月的有关会议上,美国的代表要求俄罗斯加快实施GLONASS的改频计划,并希望俄罗斯能在2000年完成。而俄罗斯的代表仍坚持原计划不能改变,因为改变计划受到因此要升级卫星和其它设备的限制。

解决GLONASS信号与其它电子系统相互干扰的另外一种有效办法是使GLONASS象GPS那样,使用码分多址(CDMA),即所有卫星均采用相同的发射频率,该频率可以很接近GPS的或者就用GPS的频率。这样,两个系统的兼容问题可大大改善,并使某些干扰问题降到最小。据报道,美国洛克韦尔公司决定协助俄罗斯改进GLONASS。其一是将GLONASS的频率改为GPS的频率,便于世界民用。此项计划将耗资470万美元。

地面控制部分的改进

地面控制部分的改进包括改进控制中心;开发用于轨道监测和控制的现代化测量设备;改进控制站和控制中心之间的通信设备。这些改进项目完成后,可使星历精度提高30-40%,可使导航信号相位同步的精度提高1~2倍(15ns),以及可降低伪距误差中的电离层分量。

差分增强系统

为了进一步提高GLONASS的精度,以满足三个类别的飞机精密进场/着陆的要求,俄罗斯正计划开发以下三种差分增强系统。

(1)广域差分系统(WADS)。它包括在俄罗斯境内建立3-5个WADS地面站,可为离站1500~2000km内的用户提供5-15m的位置精度。

(2)区域差分系统(RADS)。在一个很大的区域上设置多个差分站和用于控制、通信和发射的设备。它可在离台站400~600km的范围内,为空中、海上、地面以及铁路和测量用户提供3-10m的位置精度。

(3)局域差分系统(LADS)。它采用载波相位测量校正伪距,可为离台站40km以内的用户提供10cm量级的位置精度。 LADS台站可以是移动系统,还可能用地面小功率发射机--伪卫星来辅助。

另外,还制订了一个更大范围的包括独联体各国的统一的联合国家分系统(UDS)。该系统预计在1998-2000年建成,届时将为独联体的所有国家提供精密导航定位服务。

自2002年起,俄罗斯联邦就开始着手研发建立GLONASS系统的卫星导航增强系统——差分校正和监测系统(SDCM)。SDCM将为GLONASS以及其他全球卫星导航系统提供性能强化,以满足所需的高精确度及可靠性。和其他的卫星导航增强系统类似,SDCM也利用了差分定位的原理,该系统主要由3部分组成:差分校准和监测站、中央处理设施以及用来中继差分校正信息的地球静止卫星。

俄罗斯的SDCM增强系统的空间段由三颗GEO卫星——“射线”(Luch或Loutch)卫星组成,分别为Luch-5A、Luch-5B和Luch-4。“射线”卫星是苏联/俄罗斯民用数据中继卫星系列,第一颗卫星“Luch-5A”,于2011年发射到西经16°的轨道位置,第二颗卫星“Luch-5B”,于2012年发射到东经95°的轨道位置。到了2014年,随着第三颗卫星“Luch-4”发射到东经167°轨道位置,SDCM的空间段将部署完成。

GLONASS-M

从1990年起,俄罗斯就开始研制下一代改进型卫星,GLONASS-MⅠ,重约1480kg。这种新型卫星将进一步改进星上原子钟,提高频率稳定度和系统的精度,更为重要的是它的工作寿命可以达到5年以上,这对确保GLONASS空间星座维持21-24颗工作卫星发射信号至关重要。1995年按计划对GLONASS-MⅠ进行了全面的地面测试,并计划在1996年第三季度进行首次这种卫星发射。这次发射将携带两颗BlockⅡV卫星和一颗GLONASS-MⅠ卫星。以后MⅠ型卫星将作为替补卫星,一直用到2000年。

近期,俄罗斯正准备研制一种工作寿命可达7年的更大(其重约达2000kg)和功能更强的GLONASS-MⅡ型卫星。除了对星上子系统作重要改进外,还将增加星间数据通信和监视能力,因而可自主运行长达60天。MⅡ卫星还将发射第二个民用频率,以便消除电离层对民用定位精度的影响。预计,这些MⅡ型卫星将在2000年以后发射。

另外,GLONASS计划的管理者正在考虑把未来空间星座卫星总数增至27颗,即在原每个轨道面上均布8颗工作卫星外,各轨道面上再增加1颗在轨备用卫星。

发射失败记录

2010年12月5日下午,俄罗斯在哈萨克斯坦境内拜科努尔航天发射场质子-M运载火箭将3颗格洛纳斯-M导航卫星发射失败,火箭飞行过程中发生故障,坠入太平洋夏威夷附近海域。

2013年7月2日上午,在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场,俄罗斯质子M运载火箭搭载三颗格洛纳斯导航卫星发射升空后,火箭离地不久即发生故障,箭体大角度偏离航线并空中解体,最后坠地爆炸。

格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)
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最新更新:2015-07-24 20:53
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