格洛納斯（GLONASS）的過去、現(xiàn)在和將來（一）

最近，美國《GPS World》雜志專門著文，談俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和將來。這里就該文重點做一轉(zhuǎn)述，以供大家了解和關(guān)注。

原蘇聯(lián)的第一顆格洛納斯衛(wèi)星是在35年前，也就是1982年10月12日發(fā)射升空的。格洛納斯計劃是1976年提出來的，三年后便付諸研發(fā)行動。當(dāng)時，由于蘇聯(lián)的火箭發(fā)射能力強大，一開始計劃就是用一箭三星的方式發(fā)射衛(wèi)星。由于多次發(fā)射失敗和衛(wèi)星工作壽命較短，所以一直發(fā)射到70多顆衛(wèi)星時，到1996年格洛納斯衛(wèi)星星座才達(dá)到額定工作的24顆，宣布正式投入完全服務(wù)。可惜好景不長，由于蘇聯(lián)的解體和俄羅斯的經(jīng)濟(jì)困難，格洛納斯星座的衛(wèi)星數(shù)量至2002年最低降到7顆衛(wèi)星，維持正常工作的衛(wèi)星為6顆。

圖1所示是俄羅斯紀(jì)念第一顆格洛納斯衛(wèi)星發(fā)射35周年的宣傳頁，標(biāo)志其發(fā)展的幾個重要里程碑。從2003年開始，格洛納斯系統(tǒng)又進(jìn)入復(fù)蘇階段。以每年差不多發(fā)射6個衛(wèi)星的速度回歸，加上衛(wèi)星壽命有所增加，所以到2011年12月8日，格洛納斯星座又恢復(fù)到24顆衛(wèi)星的完全工作狀態(tài)，并基本能夠保持。

世界上最早出現(xiàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航兼容接收機，就是GPS/GLONASS接收機。而今天的GNSS接收機，業(yè)已包括GPS/GLONASS/BDS/Galileo，還可能具有接收QZSS星基增強信號的能力。本文將簡要回顧格洛納斯計劃的歷史，討論其現(xiàn)狀，并概述其衛(wèi)星星座的近期計劃，以及導(dǎo)航信號和地面支持網(wǎng)絡(luò)。

格洛納斯的過去和現(xiàn)狀

美蘇冷戰(zhàn)期間，有關(guān)格洛納斯的信息很少。蘇聯(lián)解體后，有關(guān)信息變得較為容易獲得。俄羅斯還發(fā)布了格洛納斯的接口控制文件（ICD）。它的最新版本是在2016年發(fā)布的，只在俄羅斯公開。

衛(wèi)星與信號。至今，格洛納斯已經(jīng)發(fā)射過6種型號的衛(wèi)星。1982年10月到1985年5月間發(fā)射了第一批稱為Block I 的10顆衛(wèi)星，1985年5月到1986年9月間發(fā)射了6顆Block IIa衛(wèi)星，1987年4月至1988年5月間發(fā)射了12顆Block IIb衛(wèi)星，其中6顆衛(wèi)星因發(fā)射故障而喪失。第四個型號是Block IIv（v是俄文字母的第三個字母的英文音譯）。到2005年底，俄羅斯已經(jīng)部署了60個IIv衛(wèi)星。隨后的每一代衛(wèi)星都包含設(shè)備功能增強，和使用壽命的增加。2001年12月1日發(fā)射了一顆GLONASS-M衛(wèi)星（第五種型號的原型衛(wèi)星，用于現(xiàn)代化），同時發(fā)射的還有兩顆Block IIv，包括2003年12月10日和2006年12月26日的兩次一箭三星發(fā)射中，分別各帶有一顆GLONASS-M衛(wèi)星。 2005年12月25日發(fā)射升空了兩顆GLONASS-M衛(wèi)星。新設(shè)計的現(xiàn)代化格洛納斯衛(wèi)星提供了許多改進(jìn)，包括更好的星載電子設(shè)備、更長的使用壽命，和L2民用信號以及改進(jìn)的導(dǎo)航信息。除了2011年2月26日和2014年11月30日發(fā)射的兩顆GLONASS-K1（有時簡稱為GLONASS-K）衛(wèi)星外，自2005年12月以來發(fā)射的所有GLONASS衛(wèi)星都是GLONASS-M衛(wèi)星。GLONASS- K1衛(wèi)星與前面五種型號的衛(wèi)星明顯不同。它們更輕，提高了時鐘穩(wěn)定性，并將衛(wèi)星設(shè)計壽命延長至10年。它們還在首次包括伴隨傳統(tǒng)頻分多址信號的第三頻率上，加上了國際上流行的碼分多址（CDMA）信號。所有的格洛納斯衛(wèi)星都是由雷舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)股份公司制造。

與其他GNSS不同的是，GLONASS的傳統(tǒng)信號使用FDMA，而不是CDMA。與傳統(tǒng)的GPS信號一樣，GLONASS信號包括兩個偽隨機噪聲（PRN）測距碼：類似于GPS C / A碼（標(biāo)準(zhǔn)精度ST碼）和P碼（精密精度VT碼），調(diào)制到L1和L2載波上。GLONASS ST碼也已經(jīng)在GLONASS-M衛(wèi)星的L2頻率上傳輸。 GLONASS ST碼長511個碼片，碼率為每秒511 千比特，重復(fù)間隔為1毫秒。 VT碼是33,554,432個碼片，每秒5.11兆比特。代碼序列被截斷以給出1秒的重復(fù)間隔。與GPS衛(wèi)星不同的是，所有的GLONASS衛(wèi)星都傳輸相同的編碼。他們從工作頻率為5 MHz的板載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（AFS）中獲取信號時序和頻率。從Block II到GLONASS-M系列的各種GLONASS衛(wèi)星系列在每個衛(wèi)星上有三個銫原子頻率綜合器（AFS）。發(fā)送的信號像GPS信號一樣是右旋圓極化的，具有可比較的信號強度。 GLONASS-K1在新的L3頻率（1202.025 MHz）上傳輸CDMA信號，GLONASS-K2還將在L1和L2頻率上提供CDMA信號。

導(dǎo)航電文。GLONASS信號也包含提供衛(wèi)星軌道、時鐘和其他信息的導(dǎo)航電文。單獨地每秒50比特的導(dǎo)航電文以模2加到ST和VT代碼上。 ST碼電文包括來自GLONASS系統(tǒng)時間的衛(wèi)星時鐘歷元和速率偏移；以衛(wèi)星位置、參考時期的速度和加速度矢量表示的衛(wèi)星星歷表；和附加信息，如同步位、數(shù)據(jù)期齡、衛(wèi)星健康狀況、UTC（SU）和GLONASS系統(tǒng)時間偏移量和所有其他GLONASS衛(wèi)星的歷書。

控制段。格洛納斯系統(tǒng)有個地面站網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測和維護(hù)衛(wèi)星星座，并確定衛(wèi)星的軌道和其運行的空間航行服務(wù)行為。跟蹤網(wǎng)絡(luò)僅在前蘇聯(lián)境內(nèi)使用觀測站，輔之以衛(wèi)星激光測距臺，以幫助確定軌道，因此所有的GLONASS衛(wèi)星都包含激光反射器。

性能。系統(tǒng)誤差歷年來不斷有所改善，目前達(dá)到1到2米左右。與第一批GLONASS-M衛(wèi)星相比，最新GLONASS-M衛(wèi)星的星載AFS具有更好的性能。相對一天的穩(wěn)定性從10-13提高到2.4×10-14。使用GLONASS廣播軌道和時鐘的誤差水平可能導(dǎo)致偽距定位誤差大約比GPS提供的誤差大兩倍。（待續(xù)）