格洛纳斯系统|江阴雨辰互联

2023年6月30日发(作者：)

领航与导航

格洛纳斯系统

GLONASS

11 格洛纳斯系统

1.格洛纳斯（GLONASS）系统建立的历史过程 ..................................................................... 4

1.1格洛纳斯（GLONASS）系统建立的背景 ...................................................................... 4

1.2格洛纳斯（GLONASS）系统的建成 .............................................................................. 4

1.3格洛纳斯（GLONASS）系统建成后的发展 .................................................................. 6

2.格洛纳斯（GLONASS）系统的组成 ..................................................................................... 6

2.1格洛纳斯（GLONASS）系统的现状概述（部分技术参数） ...................................... 6

2.2格洛纳斯（GLONASS）系统的组成 .............................................................................. 7

2.2.1地面控制设施（GBCC） ........................................................................................ 7

2.2.2卫星星座 ................................................................................................................ 8

2.2.3用户设备 .............................................................................................................. 10

3.格洛纳斯（GLONASS）系统的功能 ................................................................................... 10

4.格洛纳斯（GLONASS）系统的分类 ................................................................................... 11

5.格洛纳斯（GLONASS）系统的应用现状 ........................................................................... 12

5.1GLONASS和GNSS的使用动向 ...................................................................................... 12

5.1.1 航空的使用 ......................................................................................................... 12

5.1.2在航海和陆上的运用 .......................................................................................... 13

5.2GLONASS误差 ................................................................................................................ 14

5.4GLONASS频率的使用 .................................................................................................... 14

5.5Glonass-K导航卫星 ..................................................................................................... 15

6.格洛纳斯（GLONASS）系统的发展 ................................................................................... 16

6.1GLONASS接收机发展状况 ............................................................................................ 16

6.1.1俄罗斯的接收机状况 .......................................................................................... 16

6.1.2世界各国GLONASS发展状况 .............................................................................. 16

6.1.3我国发展状况 ...................................................................................................... 17

6.2 差分系统 ..................................................................................................................... 18

6.3地面控制部分的改进 ............................................................................................... 18

7.格洛纳斯（GLONASS）系统的缺点 ................................................................................... 18

7.1系统不足 ...................................................................................................................... 18

2 格洛纳斯系统

7.2系统技术难点 .............................................................................................................. 20

8.学习格洛纳斯（GLONASS）系统的感想 ........................................................................... 21

引用作品 ................................................................................................................................. 24

3 格洛纳斯系统

“格洛纳斯(GLONASS)”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。它是苏联于上世纪80年代开始建设，1995年投入使用的卫星导航系统，作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。到2009年年底前，其服务范图1-格洛纳斯（GLONASS）系统

围将拓展到全球。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。

1.格洛纳斯（GLONASS）系统建立的历史过程

1.1格洛纳斯（GLONASS）系统建立的背景

1960年末，前苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统用于新一代弹道导弹的精确导引，而当时已有的旋风（Tsyklon）1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。

上世纪70年代初，美国宣布要研制全球定位系统GPS，于1973年成立GPS联合计划办公室。1977年，美国发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3，后者即是GPS系统的第一颗卫星。作为对其回应，前苏联国防部设想了全球导航系统，即为GLONASS。也正是由于以上原因，我们可以发现GLONASS在很多方面类似于GPS，但是两者还是存在明显差异的。

1.2格洛纳斯（GLONASS）系统的建成

1968-1969年，前苏联国防部、科学院和海军等一些研究所联合起来，计划为海、陆、空、天武装力量的定位与导航需求建立一个单一的解决方案，直到 1970年这个系统的需求文件才编制完成。

经过深入研究和讨论之后，1976年前苏联颁布建立GLONASS系统的法令。该计划的第一次卫星发射是在1982年10月12日进行的，1993年9月俄罗斯总

1旋风（Tsyklon）:现多指乌克兰旋风号运载火箭。

4 格洛纳斯系统

统叶利钦正式宣布GLONASS将成为一个工作系统。

1993年，俄罗斯政府正式把GLONASS计划交付俄罗斯航天部队（VKS）主管，该部队负责GLONASS卫星的部署、在轨维护和用户设备检验。此外VKS还经管科学信息协调中心，由此对公众发布GLONASS信息。

1994年俄罗斯开始进行布满星座的7次发射计划的第一次发射。1995年3月俄联邦政府提出GLONASS系统对民用开放的政策。

1995 年12月14日俄罗斯最后一次一箭三星将 GLONASS卫星成功地发射到预定轨道，标志着 GLONASS星座已经布满。经过数据加载、调整和检验，1996

年 1月18日24 颗卫星正常发射信号，健康有效地工作，至此GLONASS系统正式建成并投入运行。

综上所述，GLONASS系统比GPS起步晚9年，全系统正常运行比 GPS晚近 3年。从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星以后，历经13年，共发射27次，把67颗卫星送入太空，其中有两次发射失败(第9次和第11次发射失败，损失了6颗卫星)。

GLONASS 系统的建立可以被分为3个阶段：

第一阶段：1983年-1985年，星座实验时期。进行系统概念实验，轨道上仅有4-6颗卫星。

GLONASS Deployment Program. History and ite in constellation3296395819992GLONASS-M Flight Test

(7 years life-time)GLONASS-K Flight Test(10 years life-time)26Planned GLONASS deployment program

according to the Federal Program

GLONASS Initial Operation Capability

(12 SV , 3 year life-time. Decree of the

Prsident of 29.09.93 № 658 рпс).

2211891114图2-GLONASS系统卫星发射年限

第二阶段：1986年-1993年，完成飞行实验验证，初始系统运行。轨道上有

5 格洛纳斯系统

12颗卫星，并展开了广泛的系统实验。当时，俄罗斯进一步认为GLONASS系统

是俄罗斯武器装备的组成部分，也是俄罗斯无线电导航规划的基础。

第三阶段：1993年-1995年，完成了24颗星的星座系统，系统投入运行，与此同时，俄罗斯宣布GLONASS具备了完全工作能力。

1.3格洛纳斯（GLONASS）系统建成后的发展

在1996-1998年间，由于经济困难，GLONASS星座得不到正常的维护，导致系统性能衰退。

在2001年12月1日至2002年5月30日期间，GLONASS系统仅有7颗卫星在正常运行。俄罗斯曾经制定过一个GLONASS星座渐进增强计划，计划在2001年有12颗全功能工作的卫星。2002年底发射3颗卫星。2003年发射1颗。

2007-2008年期间，俄罗斯先后发射了12颗GLONASS-M卫星，进行了第一期的地面控制部分现代化，精确了其坐标系统（PZ-90.02），当时有19颗GLONASS-M卫星在轨工作。其后，俄罗斯分别计划在2009年12月和2010年春季各发射3颗GLONASS-M卫星，并提出GLONASS-K计划（2011）等GLONASS升级计划。

2.格洛纳斯（GLONASS）系统的组成

2.1格洛纳斯（GLONASS）系统的现状概述（部分技术参数）

GLONASS系统共有卫星24颗，正式使用卫星21颗，备份星3颗，分别布置在A、B、C三个轨道面上。每个轨道面上有八颗卫星，以A轨道面为基准，它的升交点2的赤经3为

图３-GLONASS卫星的轨道构成

升交点：指当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角(即轨道倾角)不等于零时，轨道与赤道面有两个交点，卫星由南向北飞行时的交点称为升交点。

3 赤经：赤道坐标系的经向坐标，过天球上一点的赤经圈与过春分点的二分圈所交的球面角。

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73°，而B、C两个轨道面的升交点赤经分别与A面的夹角为120°以及240°，各轨道面卫星间的相位差，A面的纬度为45°，A与B轨道面间相位差+30°，A与C轨道面间相位差为-30°，卫星沿逆时针方向旋转。

GLONASS卫星的轨道高度为19100km（轨道半径为25510km），轨道面的倾斜角为64.8°，卫星沿轨道旋转周期为11h15.73m。系统工作的两个频段为1.6GHz频段和1.2GHz频段，与GPS一样，可分为C/A码及P码。卫星发射信号采用频率分割方式（FDMA），也就是所有卫星使用同一种BPSK调制码，而每颗卫星的发送信号的频率完全不同。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。

2.2格洛纳斯（GLONASS）系统的组成

和GPS一样，GLONASS也由三部分组成，分别是地面控制设施（控制区段）、卫星星座4（空间区段）和用户设备（用户区段）。

图4-GLONASS地面控制部分

2.2.1地面控制设施（GBCC）

这部分也称为地基控制设施，由系统控制中心和分布在俄罗斯各地的指令跟踪站网组成。主要包括6个组成单元：系统控制中心（SCC）、中央同步器（SC）、指令和跟踪站（CTS，即地基跟踪站）、相位控制系统（PCS）、光量子跟踪站（QOTS）、导航字组控制设备（NFCE）。

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

4 卫星星座：低轨道卫星或中轨道卫星系统中卫星的集合。

7 格洛纳斯系统

地了。其中，系统控制中心是由MSF掌管的军用设施，设在Golitsino，在莫斯科西南70km处，对所有系统功能的运行进行协调与调度，而中央同步器负责产生标准系统时间信号，并送往相位控制系统。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。

同GPS相类似，GLONASS的控制部分必须监视卫星的状态；确定星历5和卫星始终相对于GLONASS时间以及俄罗斯国家基准时间UTC（SU）的偏差；向卫星发送导航数据。每天两次给卫星上行发送数据。

因此，地面控制部分负责的功能总结如下：（1）测量和预测各颗卫星的星历；（2）将预测的星历、时钟校正值和历书信息上行加载给每颗GLONASS卫星，以便以后编入导航电文；（3）使星钟6与GLONASS同步；（4）计算GLONASS系统时和UTC（SU）之间的偏差；（5）卫星的指挥、控制、内务和跟踪。

2.2.2卫星星座

GLONASS星座由 21 颗工作星和3颗备份星组成，24 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1.91万公里，运行周期11小时15 分，轨道倾角 64.80。星座系统如图所示。

卫星各部分参数数据在前面已有简要介绍，在这里就不再赘述。GLONASS与GPS参数的对比如表所述。

图7-GLONASS与GPS标定特性比较

图5-GLONASS卫星轨道的平面、间隔和信道

图6-GLONASS星座系统

星历：由卫星向用户接收机发送的数据之一，用以描述该卫星时空位置的参量。

星钟：卫星星钟参数包含在导航电文中。一颗卫星播发的星钟数据提供该卫星的星期周数、测距精度、健康状态及星钟校正参数等内容。

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GLONASS系统中的21颗工作卫星为地球表面97%的区域提供4颗卫星的连续可见性，而24颗卫星星座使地球表面99%以上的地区同时连续观测到得卫星不少于5颗。俄罗斯认为，21颗卫星星座以满足大部分导航目的的需要。和GPS所用的方法类似，星座通过预定轨道上的“位置”而逐步建立起来。

关于GLONASS卫星自身，是由俄罗斯空间部队在Baikonour空间发射场送入空间的，一个质子重型火箭7一次可以携带3颗卫星升空。GLONASS卫星载荷包括导航组合、控制组合、高度控制系统和修正系统等，舱内装有6个子系统，即：（1）星上导航设备；（2）控制设备；（3）姿态控制子系统；（4）轨道图9-GLONASS卫星

图8-2009年GLONASS系统导航精度

机动子系统；（5）热控制子系统；（6）电源子系统。

1986年以前的GLONASS卫星每颗质量为1400kg，约3m高，太阳能帆板展出

7 质子重型火箭：“质子号”系列运载火箭是前苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。在“能源号”重型火箭投入使用以前，该型号是前苏联运载能力最大的运载火箭。“质子号”系列共有三种型号：二级型、三级型和四级型。

9 格洛纳斯系统

宽度为7m以上，功率为1600w，为三轴稳定的增压密封圆柱体。该卫星由水平感光器、激光后射反射器、12单元导航信号天线和各种指挥和控制天线组成，附在增压圆柱体侧面的有太阳能电池板、轨道校正发动机、姿态控制系统和热控制通气窗，设计寿命一年。经改进后平均寿命14-17个月，1987年以后的43颗GLONASS卫星提高了抗辐射能力，设计寿命提高了3年。

每个GLONASS卫星上都有铯原子钟8以产生卫星上的高稳定时标，并向所有星载设备提供高稳定的同步信号。星载计算机对从地面控制部分接收到的专用信息进行处理，并产生导航电文，向用户广播。导航电文作为导航信号的一部分，它包括星历参数；卫星钟相对GLONASS UTC时的偏移值；时间标记；GLONASS历书等。

2.2.3用户设备

到1995年为止，俄罗斯已研制了两代用户设备（UE）。第一代接收机只能用GLONASS来工作，与西方的同类GPS接收机相比，它偏大和偏重，有三种基本设计，即1通道、2通道和4通道接收机。第二代接收机是5通道、6通道和12通道设计，采用了大规模集成电路和数字处理技术，而且民用接受机可用GPS和GLONASS两种系统来工作。

俄罗斯的用户设备的主要设计单位是圣彼得堡的俄罗斯无线电导航和时间研究所，Kampas设计局和俄罗斯科学和航天仪器研究所。

3.格洛纳斯（GLONASS）系统的功能

GLONASS系统的主要作用是实现全球、全天候的实时导航与定位，另外，还可以用于全球时间传递。

GLONASS卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，与GPS一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的

8 铯原子钟：一种精密的计时器具。它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到500万年才相差 1 秒。

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各种三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。另外，卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS的出现，打破了美国对卫星导航独家垄断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，从而提高定位精度。

GLONASS系统工作时，由地面控制设备负责搜索、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，并向每颗卫星发射控制指令和导航信息。每颗GLONASS卫星上都装备有着稳定度的铯原子钟, 并接收地面控制站的导航信息和控制指令,星载计算机对其中的导航信息进行处理, 生成导航电文向用户广播, 控制信息用于控制卫星在空间的运行。用户通过GLONASS接收机接收GLONASS卫星信号,并测量其伪距9或载波相位,同时结合卫星星历进行必要的处理, 便可得到用户的3维坐标、速度和时间。

GLONASS 定位的原理是距离交会。GLONASS 卫星在任一时刻的位置可以通过卫星星历计算出来,理论上,只要知道用户到3颗卫星的距离,便可计算出用户的位置,但这要求卫星与用户以及卫星之间的时间同步精度极高,目前还不能完全满足,只好引入一个时间参数。由于多了一个未知量,因此,实际定位时要至少接收4颗卫星的信号。

GLONASS卫星同时发射粗码(C/A码)和精码(P码),C/A码用于向民间提供标准定位, 而P码用于俄罗斯军方高精度定位或科学研究。

4.格洛纳斯（GLONASS）系统的分类

GPS一般分为军用PPS和民用SPS两种,即常说的P码和C/A码。GLONASS系统与GPS相同也分为高精度链(channel of high accuracy-CHA)和标准链(channel of

9 伪距：单程无线电测时测距时，由于辐射源和接收机时钟相互独立，所测得的距离(时间)包含有与两时钟钟差相当的距误差。

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standard accuracy-CSA)两种。

按照卫星种类可以分为GLONASS、GLONASS-M、GLONASS-K等。

按用户不同可以分为军用与民用，民用包括陆地交通、航空航海等。

5.格洛纳斯（GLONASS）系统的应用现状

作为卫星导航系统一般可分为航空导航、航海导航,军用、民用等,特别是包含有GLONASS和GPS的GNSS计划将取代单一的GPS使用,对ICAO的国际民航组织尤为重要。下面简介GLONASS和GNSS的使用动向。

5.1GLONASS和GNSS的使用动向

5.1.1 航空的使用

ICAO/FANS10早已提出包含GLONASS和通信卫星在内的航空导航完整性的研究,利用GPS+GLONASS的可能性研究,欧洲安全航行局(EUROCONTROL),欧洲宇宙组织(ESA)提出GNSS 在航空使用的三个阶段。

A．实验阶段(近期)

GPS美国许诺10年内免费提供使用,民用精度为100m。由于GPS单一系统在完整性,可用性没有充分保障,随着GLONASS的建成使用,因此EUROCONTROL和ESA提出GPS+GLONASS联合使用的试验阶段。

B．中期阶段

也就是发展GNSS的第一阶段GNSS1,依赖GLONASS的支持,实现GPS+GLONASS+本地增强, 同时考虑利用INMAESAT-3静止卫星11导航重叠或发射若干增强卫星作为GNSS系统的过渡阶段。

C．世界民间共用系统(远期)

组成民间共用GNSS星座—GNSS2,这项任务由欧洲安全航行局(EUROCONTROL),欧洲联盟(EU),欧洲空间局(ESA)三位一体联合努力共同承担。但GNSS2的民间卫

ICAO/FANS：国际民航组织的未来航行系统专门委员会。

INMAESAT-3静止卫星：海事第三代卫星，是用于海上和陆地间无线电联络的通信卫星。

12 格洛纳斯系统

星定位系统的计划还没有具体化。与GNSS1阶段有关的INMARSAT-3从1996年3月至1997年6月3日连续发射了四颗,本应为民间导航提供服务,但因美国的阻挠而不能圆满的实现。日本计划在1999年发射多目的,多用途的MTSAT卫星实现本地增强系统,又因美国的阻挠而停止。

但ICAO认为未来的全球导航卫星系统(GNSS)是一种多成份组成的系统。首先GPS和GLONASS是不可缺少的主要系统,再加上INMARSAT-3静止卫星的民间导航重迭部分,逐步从现在星座发展到未来星座,综合发展和扩大民间成分,最终民间系统处成一体。ICAO的计划是分5个阶段,与欧洲三位一体的计划基本吻合。

目前GPS和GLONASS的独立使用这阶段基本实现。此外GPS和GLONASS形成组合机,以提高精度,可靠性,可用性,完整性。同时利用GPS和/或GLONASS+INMARSAT-3静止卫星导航重迭,此阶段随着INMARSAT-3的发射成功而逐步实现。GPS/GLONASS+若干民用GNSS卫星在2000年后逐步开始实施，并建立完全民用的GNSS星座。

从以上介绍可以看出ICAO发展的第4,5阶段就相当NGSS1,GNSS2阶段。但是以上计划皆因美国的阻挠而暂不能实现。

其实很早以前ICAO/FANS的未来导航系统部提出GPS和GLONASS共用作为确保机上接收机完整性的方法之一,这方案对满足RAIM (receiver autonomous

integrity monitoring-接收机自主完整性监测)是有效的。因为GPS和GLONASS的卫星相加共计有48颗,这样即使有部分卫星工作不健康或建筑物遮挡,信号中断等等,由于有充分的卫星供选择,因此保证RAIM100%使用是没有问题的。

5.1.2在航海和陆上的运用

关于GLONASS在船舶及陆上交通等运用,在1995年9月IMO12安全航行的副件讨论确定,为保证船舶航行安全及保证航行可靠,努力开展GPS/GLONASS组合机的研制。在海上目前世界上不管军用、民用,近海或远洋,甚至于渔船都安装有GPS接收机为之导航定位;在陆上军用战车及城市汽车,运输车,公安车等也都安装了GPS接收机。由于当时GLONASS星座刚刚建立,接收机的研制及商品化还有一段进程,所以虽然系统有较快发展，但系统应用不如GPS广泛。

12 IMO：联合国负责海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的一个专门机构，总部设在伦敦。

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我国目前在GLONASS,GPS/GLONASS组合机等方面都有很快的发展,在其运用方面也将形成一个高潮。

图10-民用误差源

5.2GLONASS误差

用户定位误差由下列因素造成，即测量导航参数的环境以及用户设备中作为位置估计的处理过程。一种变化的误差源是卫星相对于用户运动引起的。这会引起相对几何因素的变化，需要从一组卫星改变到另一组相对几何更好地卫星。第二是信号通过大气层传播的附加信号延时。第三是所有卫星时间的同步问题。右表是常见的民用误差源。

5.4GLONASS频率的使用

由于GLONASS是采用频分制(FDMA)13,因此系统所占用的频率范围很宽,将干扰其它系统工作。如射电天文RA-radio astronomy的频段在161016～1613.8MHz,机载卫星-地面通信网工作在1645.1～1656.5MHz,根据1992年3月所规定的“92

ITU WARC (international telecommunication union, world administrative

radio conference)的伊利萨姆计划，低轨道LEO(Low Earth Orbiting)卫星频段在1610～1625.5MHz的L波段内,这样GLONASS和这些系统的频率就有了矛盾。俄罗斯当局与美国政府有关机构进行多次对话和探讨,对GLONASS卫星使用频率的干扰问题,从1993年9月开始在同一轨道卫星,相差180的两颗卫星的频率相同,从而使系统频带宽度减少一半。到1998年可以对无线电天文观察(1610.6～1513.8MHz)的干扰消除。根据1994年12月ITU-RWP8D会议的ANNEX-2的内容,GLONASS-M的发射频率按以下计划执行。

1998年以前:L1:1602.00～1615.6MHz;L2:1246.00～1256.5MHz；1610.50～1613.8MHz 频段不许使用。

1998～2005年:L1:1598.0625～1609.3125MHz;L2:1242.9375～

13频分制(FDMA)：频分多址（frequency division multiple access），是把分配给无线蜂窝电话通讯的频段分为30个信道，每一个信道都能够传输语音通话、数字服务和数字数据。

14 格洛纳斯系统

1248.6875MHz；上限频率1609.3125MHz,1248.6875MHz只在非常时期才能使用。

2005年以后:L1:1598.0625～1605.3750MHz;L2:1242.9375～1248.6250MHz；但1604.0125,1605.3750,1248.1875,1248.6250MHz为俄罗斯技术用途(发射和测试时使用)。

5.5Glonass-K导航卫星

2011年2月26日,“联盟2-1B”运载火箭将一颗Glonass-K卫星发射升空。这是新一代Glonass-K卫星的首次发射,也是首次从普列谢茨克发射场发射Glonass卫星,此前该系列卫星均从拜科努尔发射场升空。图11-新型GLONASS卫星

Glonass-K卫星使用寿命为10年,它将提供5种导航信号,即L1和L2频段的2个普通精度和2个高精度信号,还有L3频段的一个民用信号。

新发射的卫星要接受各种检查,一个月之内不投入使用。由于是新一代卫星的第一颗,即便在投入使用后,卫星也要进行为期一年的有关实验。

这颗卫星原计划在去年年底发射,从而完成由24颗卫星组成的整个Glonass导航卫星系统的建设。然而,因运载火箭发生故障,3颗卫星未能进入预定轨道,随后坠入太平洋,致使俄航天局在去年12月5日一下子失去了3颗Glonass卫星。此次失败造成的直接损失达25亿卢布(约合8630万美元)。

俄罗斯计划今年发射5颗Glonass卫星,以取代坠毁的几颗卫星并部署备用卫

15 格洛纳斯系统

星。组网完成后的Glonass系统将和美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的“伽利略”卫星导航系统和中国的“北斗”系统相结合。专家们称,使用能够同时支持GPS和的Glonass的双信号接收机将增加15%的可靠性。

据2007年的协议,俄罗斯同意同印度共享Glonass的信号。印度将成为俄国以外唯一能够看到Glonass系统军事信息的国家,这将令印度军方极大增强其陆海空发射的武器系统的准确性。两国于2007年9月签署协议,共同制造“Glonass/GPS”双系统接收机及其他导航设备。

6.格洛纳斯（GLONASS）系统的发展

俄罗斯将以GNSS卫星导航系统作为空中交通服务现代化计划中的主要导航和着陆设施, 并多方面发展GLONASS和GPS等技术满足民航的需要,发展GPS/GLONASS组合机,本地差分系统(LADS),本地增强系统(LAAS)以及广域增强系统(WAAS)等为本国各个领域提供广泛的高精度定位服务。

6.1GLONASS接收机发展状况

6.1.1俄罗斯的接收机状况

由于俄罗斯国内政治,经济原因,GLONASS卫星虽未停止发射,但影响了研制进程,其它各国也因GLONASS星座迟迟未建成对开发接收机持慎重态度。直到1996年GLONASS卫星布满24 颗后,世界各国开始研制接收机,更多的研制GPS/GLONASS组合机。

俄罗斯RIRT(Russian Institute of Radio navigation and Time)很早对用户接收机样机进行了研制工作,但多是一通道或六通道型的军用接收机,由于其成果一直未分开,没有形成商品,从而影响它的发展。

6.1.2世界各国GLONASS发展状况

(1)德国Kayser-Threde公司,Aerodata公司等研制的ASN-16GLONASS接收机已经用于综合导航系统和GLONASS中。另外1992年德国交通部,国防部联合利用

16 格洛纳斯系统

ASN-16进行了GPS/GLONASS/INS的试验,由Braunschweig航空中心和飞行制导控制学会提供了详细的技术研究报告。

(2)美国3S导航公司的R-100型GPS/GLONASS组合机,GPS为L1的CA码,GLONASS为L2的P码及L1的CA码,该产品已经对外出售。

(3)日本GPS/GLONASS组合机的开发。日本1991年着手制订了“卫星导航系统研究”的3年计划,由卫星导航系统委员会委托日本无线电公司首先试制GPS/GLONASS组合机,它作为GNSS重要组成之一,满足民航使用要求,保证实现RAIM和满足RTCADO-208MOPS的条件,研制出满足ARINC-743A标准的接收机,该机主要性能指标如下:

,GLONASS共用平板环形天线;

,GLONASS均为8通道,共为16通道;

S的中频具有窄带IF回路;

D.主要软件功能:使用者优先选择推算位置,时间及卫星仰角;定位计算:根据X,Y,Z及用户钟差,建立方程联解;RAIM从位置到各卫星的伪距,伪距差用最小二乘法求解;静态试验精度达到26172m(2R),动态试验在飞机速度为80m/s时,最大位置误差为80m。

6.1.3我国发展状况

有关GLONASS研制开发工作,我国曾多次派出代表团出国考察,并与俄罗斯的有关方面进行合作发展的谈判,并取得一定成效。国内有几家研究所对GLONASS和GPS/GLONASS接收机进行开发,已经取得成功,并得到使用,现就其中一种的技术指标简介如下:

通道频率L1=1575142MHz，GLONASS通道频率L1=16021～161515MHz；

B.12通道可以任意组合GPS，GLONASS卫星信号,即可单独分别接收GPS或GLONASS信号,也可以组合接收GPS/GLONASS的信号;

,GLONASS多星冗余三维定位,GPS/GLONASS组合多星冗余三维定位,也可自动切换二维定位;

D.定位精度: GPS为80～100m(SA)，GLONASS为10～40m，GPS/GLONASS组合则<60m；

17 格洛纳斯系统

E.测速精度: GPS为011m/s，高动态为018m/s，GLONASS为0102m/s,高动态012m/s；

F.初始定位时间: 冷启动盲扫<30min;热启动辅助<90s;再捕时间≤1s;

G.载波相位精度:2～8mm。

6.2 差分系统

GLONASS计划用三种方法提高定位精度,广域差分系统(WADS),区域差分系统(RADS)和本地差分系统(LADS)等。

WADS:俄罗斯空间控制中心计划地面设置3～5个WADS站,各个站可以控制的半径为1500～2000km,精度可在5～10m。

RADS:在距离站500km为半径的范围内,提供3～10m的定位精度,它将用于航空、陆地、海上、铁路及地形测量等方面。

LADS:用于科学,国防和精密定位,如果再利用载波相位测量,这样在半径为40km的范围内定位精度可达011～1m。

2000年俄罗斯组成统一的国家差分系统(UDS)为整个独联体提供精密导航定位服务。

6.3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。

7.格洛纳斯（GLONASS）系统的缺点

7.1系统不足

GLONASS全球导航卫星系统，是在前苏联海军CICADA第一代卫星导航系统的基础上建设成功的第二代卫星导航系统, GLONASS星座和GPS星座的差异如

18 格洛纳斯系统

下表所示。纵观GLONASS系统的发展历程， GLONASS系统存在下述不足。

图12-GLONASS星座和GPS星座主要技术参数

1.频段宽，被迫改变部分卫星的载波频率。

GLONASS卫星所发送的导航定位信号，是采用频分多址的扩频信号，即每颗卫星采用不同的两个载波频率，而使用相同的测距码;亦即，第j颗GLONASS卫星的两个载波频率按原设计为

f=1602.5625+0.5625 (j一1)(MHz)

f=1246.4375+0.4375 (j一1)(MHz)

式中，j=0, 1, 2, 3, 4........ 24(其中0号卫星作试验之用)。

但是，国际无线电咨询委员会对上述频率提出了异议，认为GLONASS卫星所用的载波频率，对航空卫星移动通信、射电天文观测和低轨卫星移动通信构成威胁和干扰，俄罗斯需要压缩GLONASS卫星所用载波频段，让出高端频率。俄罗斯不得不更改上述载波频率，而按下述方法改变GLONASS卫星的载波频率:在同一轨道上的升交角距相差180度的两颗GLONASS卫星采用相同的载波频率;例如，No.1/No.5, No.3/No.7, No.12/No.16, No.15/No.17, No.19/No.23和No.20/No.23等各对GLONASS卫星的载波频率相同;亦即，让出第13-24频道，而压缩成0-12频道。

2.定轨观测网面积过小，广播星历14精度低，难以实现较高精度的实时导航定位。

自1995年12月由24颗卫星构成的GLONASS星座运行以来，GLONASS地面监控系统的监测站仅设置在前苏联境内(如图4所示)，以致GLONASS卫星的广播

14 广播星历：卫星发播的预报一定时间内卫星轨道信息的电文信息。

19 格洛纳斯系统

星历精度较低(如图13所示)，而依靠对GLONASS卫星的卫星激光测距成果精化GLONASS卫星的星历。这对实时导航定位测量是不利的，难以获得较高的实时导图13-GLONASS卫星广播卫星精度

航定位测量精度，无法与仅lm左右的GPS广播星历精度相媲美。

S卫星的在轨工作寿命过短，影响用户的导航定位测量。

1995年12月，GLONASS系统终于建成了24颗卫星构成的工作星座。但是，GLONASS卫星的在轨作业寿命过短;两年半后的1998年6月，仅有12颗GLONASS卫星能够提供导航定位服务。1987年4月至1988年5月发射的12颗GLONASS卫星，除去6颗发射失败的GLONASS卫星，其余6颗在轨工作的GLONASS卫星，它们的平均作业寿命仅为22个月。20世纪末期的GLONASS星座，只有7颗GLONASS卫星能够提供导航定位服务，其它卫星均因种种原因再不能够用于微波导航定位。然而，GPS卫星的在轨作业寿命却远超过GLONASS卫星:GPS Block I卫星的在轨平均工作寿命为8.87年，其中寿命最长者为13.5年;GPS Block II卫星的在轨平均工作寿命为12.02年，其中寿命最长者为16.1年。

7.2系统技术难点

1．目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短；

2．GLONASS用户设备的发展比GPS系统缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；

3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器比较复杂；

4．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。

20 格洛纳斯系统

8.学习格洛纳斯（GLONASS）系统的感想

由于GLONASS系统建成,并健康正常工作,打破了GPS的一统天下,同时也补充了GPS的工作,提高了卫星定位的可信度,可靠性,可用性及完整性,同时加速世界各国对卫星定位开发应用,加速GPS/GLONASS的研制,对GNSS的发展起了重要作用。同时，随着GPS,GLONASS的完善,GNSS的发展,对世界各国的LADS,LAAS,WADS,RADS,WAAS的发展起了决定性作用,从而使卫星定位系统的资源得到充分应用。我国目前对卫星资源的应用也高度重视,努力进行技术开发,但必须要集中优势的人力,物力,财力充分享受资源为我所用。

“两弹一星”功勋科学家、国家最高科技奖获得者、北斗卫星导航系统总设计师孙家栋院士在2010年5月19日接受人民日报记者采访时说，“希望大家都能从事这项伟大的事业，心系北斗、关注北斗、研究北斗、建设北斗、应用北斗、宣传北斗。”

而GLONASS的天生不足，给我们提供一些有益的启示:当建立一个卫星导航系统时，需要充分考虑各种相关因素，严防在系统运行后带来麻烦的不当设计。GLONASS现代化，实际上是为了改变天生不足而行。这对我国北斗（CNSS）15系统的建设提供很多启示。

1.建立Compass卫星国际定轨观测网，提高广播星历精度。

Compass卫星虽然安设了星载激光反射器，能够实施激光定轨。但是，它只能够提高导航定位的测后数据处理精度，而难以解决实时导航定位的精度提高问图14-GPS卫星系统广播星历参数

15北斗（CNSS）：COMPASS Navigation Satellite System。

21 格洛纳斯系统

题。广播星历精度的提高，主要依赖于定轨观测网的大小。GPS广播星历的高精度，关键在于有一个全球定轨观测网。因此，建议北斗系统应该充分利用我国设立在澳大利亚墨尔本定轨观测站和阿根廷圣胡安卫星激光测距站，以及我国在南极中山站(S69-22'15-. 65, E76-22'10". 78)所建立的GPS跟踪站，与国内现有的IGS跟踪站，构成Compass卫星的国际定轨观测网，并力争国际合作。

2.实施Compass卫星的在轨自主更新星历，提高CNSS系统的抗毁能力。

GPS卫星所发送的星历，主要是6个开普勒轨道16和9个轨道摄动参数17;而GLONASS所发送的星历，主要是卫星位置、速度和加速度。这些星历参数都是由各自的地面监控系统予以测定，而按所定时间注人卫星的;而且军、民所用的广播星历精度各不相同;例如，GPS卫星的C/A码星历精度，比其P码星历精度要低一些，美军用户就能够获得较高精度的实时导航定位。尽管如此，在战争状态下，如果敌方对卫星导航的地面监控系统予以攻击，造成它的瘫痪，无法实施导航卫星的星历更新，正常的导航定位测量就要受到严重影响。因此，在轨自主更新星历，是提高卫星导航系统抗毁能力的最佳选择。

3.针对导航战的新进展，制定既便于国人使用，又能够适应导航战需要的CNSS管理政策。

美国在近年来发布的“国防部航天政策”等报告中，多次强调在未来军事战争中，夺取制天权，是夺取制空权和制海权的基础。夺取了制天权，既可以随时切断敌方的指挥、控制和通信联系，使敌人变成“聋子”和“瞎子”，又可以随心所欲地实施侦察、预警、监视、定位、通

图15-现行GPS管理机构

开普勒轨道：二体问题里质点运动所遵循的轨道。

轨道摄动参数：由于另外一个天体或一些天体的吸引使某一天体(行星、彗星)的运行出现与其计算轨道的偏差。或，天体轨道对圆锥曲线的偏离。

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信、弹道导弹拦截，进而用航天武器系统消灭敌人的陆、海、空、天设施。美国将坚定不移地夺取制天权，控制天空。导航战，是夺取制天权的一个重要举措。“导航战”，是战争环境下的一种“己能用、他不能用”的卫星导航新技术。在制定CNSS管理政策时，应该针对导航战的新进展，制定既便于国人使用，又能够适应导航战需要的管理政策;卫星导航信号，关键在于军民信息巧分离，实施妙法防破译;对于民用信息，应该尽早而较详细地公布于世，千万不能从方便管理的角度出发，将一些不需要保密的信息统统保密起来。而且应该集思广益，特别是相关行业的意见。美国GPS管理机构，也许能够给我们一些启迪。

s卫星的导航电文宜提供便于GNSS接收机使用信息，以便扩大应用市场。

自第一颗GLONASS-M卫星于2004年12月开始向广大用户发送导航定位信号以来，它的导航电文就增加了七、八个新的电文参数;例如，TGPS，它代表GPS与GLONASS之间的系统时间差。GPS与GLONASS分别使用各自的时间系统，即GPS时系与GLONASS时系之间相差1us左右。在使用这两个系统混合定位时，通常需要设定本地接收机与各自导航系统的时间修正量，然后再分别修正各自系统的时间模型，解算复杂。TGPS的出现统一了GPS与GLONASS的时间标准，可以简化混合定位时的解算过程，有利于GLONASS的推广应用。这也给我们一种启示，如果导航卫星的导航电文，能够同时给出其它系统的兼容参数，就能够扩大它的应用市场。因此，Compass卫星的导航电文宜提供便于GNSS接收机使用信息，以便推广应用。

5.研发MEMS化Compass卫星，建设强抗毁和强抗干扰的全新Compass星座。

MEMS是Micro-Electro-Mechanical Systems的缩写，叫做微电子机械系统，或者简称为微电机系统。它包括集成传感器、微执行器和微系统。制作MEMS产品的微电子技术(如氧化层生长、光刻掩模制作、选择掺杂)和微加工技术(如硅表面微加工和硅体微加工)，统称为MEMS技术。所谓导航卫星MEMS化，就是用MEMS技术制作卫星导航定位信号的生成、发送和监控等各个子系统，以及卫星控制、姿态调节和星上传感等各个子系统:MEMS化的导航卫星，笔者叫做MEMS导航卫星。

我们知道，硅材料不仅具有优良的半导体性能，而且具有包括强度、硬度、杨氏模量、热导率和热膨胀系数在内的良好机械性能。因此，用微电子技术在硅晶圆片上制作各种集成信息处理器，用微加工技术在硅晶圆片上制作星上传感器

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和推进器等卫星子系统，好像制作CMOS芯片一样。用这种MEMS卫星芯片装配一颗导航卫星，如同用CMOS芯片装配一台电脑那样方便。MEMS导航卫星的主要优点是抗毁/抗干扰强;重量轻、体积小;成本低、发射费用少;耐辐射、耐振动。因此，笔者预言，MEMS化导航卫星，将建造成强抗毁和强抗干扰的全新导航星座。

引用作品

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浅析俄罗斯测绘部门对发展GLONASS的贡献. 测绘技术装备 ,

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