GLONASS加速现代化进程

+ 陈念茹 唐云 （北京环球信息应用开发中心）

GLONASS系统是苏联上世纪70年代开始研发的全球卫星导航系统，苏联解体后由俄罗斯继承下来，于1996年建成并运行，但随后因俄罗斯经济不断下滑，致使需要高昂维护费用的GLONASS系统无法及时实施补网卫星发射，而处于降效运行状态。近年来，随着经济的恢复发展，俄联邦政府颁布了多项发展GLONASS系统的计划和措施，并陆续发射了多颗补网卫星，步入了加速GLONASS系统恢复和现代化的轨道。

一、系统建设

GLONASS的现代化计划包括对空间段和控制段实施改造，以及GLONASS信号整体性能的提升。

1.空间段现代化

GLONASS空间段现代化主要包括三个阶段：第一阶段，维持GLONASS卫星“最低需求水平”的轨道星座；第二阶段，开发GLONASS-M卫星，基于GLONASS卫星和GLONASS-M卫星实现18颗卫星的星座部署；第三阶段，开发GLONASS-K卫星，基于GLONASS-M卫星和GLONASS-K卫星实现24颗卫星的星座部署。

空间段现代化一方面提高卫星质量，另一方面推动导航信号改革，GLONASS卫星及信号现代化计划见表1。2003年12月10日，首颗发射的GLONASS-M卫星入轨运行，并于2004年12月8日开始向广大用户发送导航定位信号，这标志着GLONASS向现代化迈出了坚实的第一步。2011年12月8日又一颗GLONASS-M卫星（2011年11月28日发射）被确定为健康状态。至此，GLONASS星座在轨可用卫星达到24颗卫星，系统基本实现24颗卫星的满星座部署计划，标志着GLONASS系统将开始进入空间段现代化第三阶段。

1.1 新型卫星

GLONASS-M卫星作为新一代卫星，相比GLONASS卫星具有以下特点：

（1）卫星在L1 (1.6 GHz)和L2 (1.25 GHz)频段传播FDMA民用信号，增加了传播功率；

表1 GLONASS卫星及信号现代化计划

（2）卫星在1个轨道面内部和轨道与轨道之间的星间链路带有测距和通信功能；

（3）星载铯钟同步每日相对频率稳定度为5 ×10–14;

（4）太阳电池板定位精度提高；

（5）工作寿命设计为7年。

GLONASS-K卫星在GLONASS现代化计划中占有重要地位，使用不加压舱（类似于GPS）、星载时钟稳定度更高、重量更轻（卫星重750kg），定位精度达5m，可使用3个频段（包括新增加的第3个民用L频段信号），其特点包括：

（1）卫星设计寿命可达10年；

（2）将提供5个民用导航信号（在原有的3个FDMA信号基础上，又增加了2个CDMA信号）；

（3）为提高同步精度，将导航和星间信号的构成及传输功能合成到1个模版；

（4）卫星还搭载了搜救系统COSPAS-SARSAT转发器。

1.2 导航信号

导航信号结构和参数决定伪距测量精度，它影响用户最后的定位精度。因此，GLONASS导航信号改革是整个系统开发最先考虑的问题。“Glonass-K” 新导航卫星有史以来将首次传输L3频段上的CDMA信号。由于信号参数的改变，该信号为用户传输了新的导航信息。

图1 GLONASS地面控制系统

未来GLONASS CDMA导航信号开发计划将重点在L1和L2频段。为了设计方便用户使用的信号，可能会采用以下措施：

（1）GLONASS FDMA和CDMA导航信号的联合使用应该能够满足更大范围内的用户需求，并且是从普通导航到高精度应用；

（2）信号应在国际电信联盟（ITU）分配给GLONASS的频段内；

（3）低功率谱密度在无线电天文频段1610.6～1613.8 MHz;

（4）与其他GNSS系统兼容和互操作。

GLONASS-K1，将在新L3频率上发射CDMA信号；GLONASS-K2将在L1和L2频率上分别发射CDMA信号。CDMA信号在定位精度上强于FDMA信号。俄罗斯计划在每颗GLONASS卫星上增加CDMA信号。2011年2月26日，首颗GLONASS-K卫星成功发射。

2.地面段现代化

GLONASS现代化除了不断改善卫星性能、功能和寿命之外，从提升系统整体性能角度，还对地面段实施现代化改造。

2.1 发展现状

GLONASS地面部分由1个系统控制中心、5个遥测遥控站（含激光跟踪站）和9个监测站组成，如图2所示。系统控制中心位于莫斯科，遥测遥控站分别位于圣彼得堡、叶尼塞斯克、共青城、萨雷沙甘（哈萨克斯坦）和捷尔诺波尔（乌克兰）。苏联解体后，乌克兰和哈萨克斯坦境内的控制站不再参与GLOANSS的保障工作，所有任务由俄罗斯境内的控制站承担。

2.2 改进措施

随着GLONASS系统不断恢复，为了提高GLONASS的完好性、精度和可靠性，俄罗斯联邦航天局希望在其境外建立地面监测站。此外，还需要在其他国家建立更多的参考站，以提高GLONASS运行控制段的稳定性，使之与GPS的相关网络具有可比性。2010年俄罗斯联邦航天局曾计划将境外监测站增加到14～15个，包括在境外部署监测站，还计划在澳大利亚、古巴和南美地区有关国家建设地面监控站。

为改善地面控制设施，主要措施是扩展与GPS相类似的接收监测站网络以及在主控站（OD&TS）中对软件进行现代化，以对上述监测站产生的单向码和载波相位测量数据进行处理。

这种接收监测网络将包括优化俄罗斯空军的3个站、原有的9～12个站以及国际合作。由于IGS有全球卫星跟踪站网，俄罗斯与它合作将在一定程度上克服设站范围仅限于俄罗斯版图的局限。

另外一项改进措施是对通信网络和软件进行升级换代。由于GLONASS系统原先的TT&C主要基于与雷达相似的方法对卫星进行跟踪和测距，再辅之以激光跟踪站测距，以校准跟踪雷达。这种方法虽然有优点，然而设备庞大，造价昂贵，难以做到长期连续运行而无故障。改用GPS那样的无源跟踪法便可以避免这样的问题，但是对通信网络和软件的要求较高。所以通信网络和软件的现代化也势在必行。

2011年10月7日，俄罗斯联邦航天局局长波波夫金在俄杜马发表讲话时表示，俄航天部门目前正在积极建设GLONASS系统的地面设施。他还说在重审的俄罗斯航天局联邦航天计划中，超过37%的拨款用于修建地面基础设施（当然，其中包括遥感和通讯卫星系统）。11月29日，普京又呼吁政府加大建设GLONASS系统地面设施的工作力度，但2011年至今没有看到GLONASS系统地面段建设的最新进展。从目前卫星星座建设的情况来看，和GPS的发展相比，GLONASS地面段建设显然要落后于空间段建设，而对系统性能来讲，没有相匹配的发展，整体性能势必要受到影响。因此，预计GLONASS系统要全面建成大概需到2015年。

二、政策引导

GLONASS系统现代化，除了对系统的空间和地面段进行现代化改造之外，从政府和国家层面也制定了相关政策措施来积极推动保障现代化建设的顺利进行。

1.财政支持

近几年,俄罗斯加大了对GLONASS的投入。2006财年获得47亿卢布（2亿美元）预算，2007财年获得99亿卢布预算。2008年9月12日，普京签署命令，拟为GLONASS系统追加26亿美元投资，用于研发和补充新星。绝大部分新增投资将用于增加现有GLONASS星座的新卫星，使星座卫星数量在2020年达到30颗，并实现其地面段的现代化改造。

2011年6月21日，俄罗斯联邦航天局领导波波夫金于宣布，在《2020年前GLONASS联邦计划》方案中将为发展俄罗斯全球定位系统注资4020亿卢布（约144亿美元），主要用于保持星座的卫星数量、研制新卫星、开发导航地图、建设必要的地面设施、补充研发用户设备等。而且，为实施2012年和随后2年的联邦航天计划所需的资金已经下拨，GLONASS系统将在2015年完全建成，届时，其定位和导航误差范围将从目前的5～6米缩小为1米左右。

2.推广应用

为争夺导航领域的市场，尽快改变GPS独占市场的局面，俄政府从政策角度支持GLONASS应用。

2009年，俄政府从工业和贸易部及联邦关税服务中取消GNSS部分进口关税，提高25%成品关税。该计划将刺激国内高容量GLONASS产品和GLONASSGPS用户设备的生产。2011年，俄罗斯官方表示，从2012年1月1日起，将对不支持GLONASS的卫星导航硬件开征关税，但对同时支持GPS和GLONASS的导航仪和其他设备不收关税。此外，交通运输部也制定了相关规定，要求所有联邦部门要在俄罗斯制造的车辆、船只和飞机上使用GLONASS接收机。

3.颁布法令

2009年2月4日，俄罗斯联邦议会正式发布了有关导航活动的GLONASS联邦法规，该项法规确立了关于导航活动的法律框架，明确了俄罗斯联邦、地区以及地方自治实体的权力，以及各种自然人和法人在导航活动中的相关权益。这项法规的颁布将为GLONASS卫星导航系统的后续发展及在社会经济生活等领域的应用扩展提供有力支持和促进作用。

另外，俄罗斯还加大了国际合作力度，这些国际合作包括签署联合声明和政府间协议保证GLONASS系统与GPS和Galileo系统未来的兼容和互操作，并合作使用GLONASS系统。此外还有参与系统研发，协助发射卫星以及建立境外参考站等。

三、 总结

1.政策支持与国际合作保障系统健康发展

任何一项重大工程的研制建设都与国家政策的支持密切相关，卫星导航系统的发展壮大也不例外。在GLONASS现代化进程中，政府通过制定相关政策法规保障并推动了系统的良性发展，并且在目前GPS还处于领先和一家独大的局面下通过立法和政策支持，强制推广GLONASS系统在经济、社会、军事等关键领域的应用，保护民族产业顺利发展，而国家从财政方面的大力支持也为现代化改造的顺利完成提供了重要的经济保证。

在系统建设方面，以适度的开放姿态，加强系统之间的相互兼容，实现互操作，这是今后导航系统健康发展的趋势。导航系统间的兼容和互操作是各国进入民用导航市场的重要基础，过去，俄罗斯的GLONASS系统因长期缺乏国际合作的积极性，其国际影响和国际市场运作远不如GPS。随着俄罗斯的GLONASS系统现代化计划的实施，俄罗斯开始加大合作力度，并在导航信号的开发方面，在原有FDMA基础上，增加了CDMA信号，为与GPS和Galileo的兼容和互操作打下了良好的基础。GLONASS要提供CDMA信号，就是为了与其他系统的兼容和互操作。

2.关键技术攻关提升系统国际竞争能力

关键技术与设备的提前研发，对于搞好系统设计和缩短建设周期、降低风险具有非常重要的意义。GLONASS系统在空间和地面段的整体改造过程中，在GLONASS系统几代卫星的研发过程中，星钟寿命、星钟稳定度以及信号设计都不断得到改进和提升，这些都使系统在未来实现全运行服务后，能够为用户提供更高精度的导航定位服务，而在未来全球多个GNSS系统并存的局面下，系统的竞争优势也提高了。

3.统筹规划合理布局确保系统顺利发展

GLONASS在进行现代化建设过程中，在空间段建设不断升级的同时，地面段改造没有同步发展，这势必会影响系统的整体建设而使现代化计划进度滞后。因此系统建设要统筹规划，合理安排，这样才能确保系统建设稳步前进。

尽管GLONASS系统建设仍然面临很多困难，但是以目前的发展态势，相信不久将对全球卫星导航系统的格局产生重要影响。