GLONASS卫星导航系统

GLONASS卫星导航系统•一、GLONASS系统建立的历史过程•1960年晚些时候，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（Tsiklon）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。•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月俄罗斯总统叶利钦正式宣布GLONASS将成为一个工作系统。•1994年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。•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，仅仅有两次发射失败(第9次和第11次发射失败，损失了6颗卫星)。•事实上GLONASS系统的建立被规划为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。•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。•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。从2001年12月1日至2002年5月30日，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，但根据最新情报，2002年底发射3颗卫星，2003年发射1颗，目前GLONASS系统仅仅有11颗卫星在正常运行，其中8颗卫星不受限制。•二、GLONASS系统的组成•同GPS系统类似，GLONASS系统也由卫星星座、地面支持系统和用户设备三部分组成。•1GLONASS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。•GLONASS卫星结构采用增压密封圆柱体，卫星下面装有12个导航信号天线、各种测控天线和姿态敏感器等，圆柱侧壁是轨道校正发动机、姿态控制系统、热控制通气窗和太阳帆板等，如图所示。卫星均采用三轴稳定方式，采用精密铯钟作为其频率基准，整星质量1400千克，高3米，太阳帆板展开时宽度为7米以上，功率为1600瓦，寿命1-3年。•在建立GLONASS星座系统时，共使用了两种火箭发射卫星，一种是质子号火箭(一箭三星发射入轨)，另一种是联盟号火箭。•2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。•地面支持系统的作用主要包括如下几个方面：•(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卫星，以便以后编入导航电文；•(3)使星钟与GLONASS系统同步；•(4)计算GLONASS系统时和UTC(SU)之间的偏差；•(5)进行卫星跟踪、控制与管理；•(6)监测GLONASS导航信号，如果发现异常，便将这些异常回报给系统控制中心。•3用户设备•GLONASS用户设备即接收机;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，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，具体体现在在陆地、空中、海上和太空的4种应用模式;。•GLONASS用户设备在国际上发展比较缓慢，其原因一方面是由于俄罗斯刚刚建立市场经济体制，仍然依靠国营力量研制、生产GLONASS接收机；其次是由于GLONASS系统运行不稳定；第三是由于采用频分体制，用户设备比较复杂，加之前苏联对其技术保密，致使用户设备在极少数几家研制生产，结果造成了品种少、功耗大、体积大且笨重、可靠性差、市场占有率低的被动局面。•三GLONASS系统与GPS系统的差异GLONASS系统与GPS系统具有相似的系统构成、定位原理和服务方式,但是两者之间仍存在着如下差异:1)不同的参考时间系统。尽管两者均属于原子时系统,但是ＧＰＳ时间系统与1980年1月6日0时美国海军天文台华盛顿的协调世界时ＵＴＣ(ＵＳＮＯ)相一致,是一个没有跳秒的连续计时系统。ＧＬＯＮＡＳＳ时间系统是基于莫斯科的协调世界时ＵＴＣ(ＳＵ),并具有同步跳秒的系统。因此ＧＬＯＮＡＳＳ时间与ＵＴＣ(ＳＵ)之间仅相差3ｈ和小于1μｓ的系统差,而没有跳秒差。•2)不同的参考坐标系统。ＧＰＳ采用的是美国国防制图局建立的世界大地坐标系ＷＧＳ84;而ＧＬＯＮＡＳＳ采用的是前苏联军事测绘部建立的大地坐标框架ＰＺ90。•3)不同的广播星历内容。ＧＰＳ系统是以开普勒轨道根数的形式播发导航星历的,每隔2ｈ更新一次;依据开普勒轨道方程,并考虑卫星的受摄运动,计算ＧＰＳ卫星在ＷＧＳ84坐标系中的瞬时位置。ＧＬＯＮＡＳＳ系统是直接给出参考历元的卫星位置、速度、以及日月的摄动加速度,每隔30ｍｉｎ更新一组星历参数;通常用4阶的RungeKutta法进行数值积分,得到ＧＬＯＮＡＳＳ卫星在ＰＺ90坐标系中的瞬时位置。•4)不同的区分卫星方式。GPS系统采用CDMA方式区分卫星,各卫星使用相同的双载波频率发射信号;GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式区分卫星,各卫星使用不同的频率发射信号。GLONASS系统卫星频段已超越国际电信联合会(ITU)的规定,因此在ITU的要求下,俄罗斯于1993年9月开始实施GLONASS系统改频计划。该计划分为三个阶段,预计将到2005年才能最终完成。•卫星向地面发射2个频段的信号:•fL1=1602+0.5625ｋ(ＭＨｚ)•fL2=1246+0.4375ｋ(ＭＨｚ)•ｋ=0,1,2,…,24为卫星频道号.在GLONASS系统中,不同的卫星采用不同的载波频率发送信号,这就是GLONASS的频分多址(FDMA)性.•频分多址：除了使接收机设计复杂,价格昂贵外，而且干扰了射电天文科学家的研究工作。•射电天文学家在GLONASS频率附近使用1610.6-1613.8MHz和1660-1670MHz频段观察星际空间中从羟基辐射的非常微弱的自然射电信号（光谱），二者产生干扰。国际电信联盟（ITU）规定上述频段射电天文学家是主要用户；同时ITU还将1610-1626.5MHz频段分配给了近地轨道移动通信卫星的经营者。•GLONASS管理部门最终决定减少卫星所用的点频数，并调整到稍低的频段上。•结果：系统仅使用12个主用频率信道（加2个用于试验的备用信道），频段移到1598.0625-1604.25MHz和1242.9375-1247.75MHz。解决方法是处于地球正面和背面的卫星（同一轨道面上纬度幅角间隔1800的两颗卫星）公用同一频率，实际应用十分成功。•(3)建设与开发的缺陷GLONASS系统与ＧＰＳ系统是在同时代规划设计、试验研究和投入工程应用的。然而,ＧＰＳ系统在政治、军事和经济方面取得的巨大成功是GLONASS系统所不能比拟的。GLONASS系统的建设与开发至少存在三个方面的缺陷:•1)卫星在轨运行时间短,更换频繁,增加重复投资;•2)不注重民用市场开发,使投资经费不能得到有效补充;•3)系统采用ＦＤＭＡ区分卫星方式,使接收机设计复杂,价格昂贵。•四GLONASS的未来•1GLONASS未来的整体规划俄罗斯目前正在着手系统维护与GLONASS更新建设工作，并进行了如下三个阶段的整体规划：•第一阶段：满足GLONASS系统星座卫星数量的最小需求；•第二阶段：开发新一代GLONASS-M卫星，增长卫星寿命和提高卫星性能，使星座卫星数量达到18颗，包含GLONASS-M与GLONASS卫星；•第三阶段：开发小卫星GLONASS-K，增强并提高性能，使星座卫星数量达到24颗，包含GLONASS-M与GLONASS-K，使国内和国外用户都能接受。•GLONASS系统轨道部署分为以下2个阶段进行：•第一阶段：2006年左右，将增加至18颗卫星，其中一些是GLONASS-M卫星；•第二阶段：2006年之后，将发射GLONASS-K卫星，部署并保持24颗卫星。•2GLONASS-M卫星•GLONASS-M卫星是GLONASS卫星的改进系列，与现正在运行的GLONASS卫星的区别主要体现在如下几个方面：（1）导航信号特性：•频段与原来比较向左偏移,L1=1598.0625-1605.3755.11兆赫；L2=1242.9375-1248.6255.11兆赫。•L2的输出功率是原来的两倍。•原来保留的字节被占用，增加一些附加的信息，例如：增加GPS和GLONASS时间刻度的偏差、导航电文的有效标识(每隔4秒钟发射一次)、指出UTC(SU)时间刻度修正参数和导航数据的时间等信息。•安装滤波器，消除了在1610.6-1613.8兆赫和1660.0-1670.0兆赫的频段干扰。•在L1和L2频段上，对于伪距测量的应用方式，民用用户可同时应用。•(2)导航信号的稳定性被增加到110-13。这主要是由于采用了铯钟，而铯钟具有精确温度稳定性。•(3)导航精度提高一倍。•(4)卫星寿命增加到7年。•(5)星上预留了50千克质量和350瓦功率，还预留了部分数据接口，可以适当地调节星上载荷。•GLONASS-M卫星也计划采用一箭三星的方式发射(用质子M火箭发射)，或采用单星发射(用联盟号火箭发射)。•3GLONASS-K卫星•在现代化的第三阶段计划开发GLONASS-K卫星。•GLONASS-K卫星的特征如下：•(1)导航解的可靠性和精度更加提高。•(2)引入了第三个L频段1164-1215兆赫。•(3)卫星寿命增加到10年。•(4)卫星质量减少到原来的一半，可能使其系统部署和维护成本降低几倍。•(5)在星载的预留空间上，增加了搜索和救援载荷。•GLONASS-K卫星计划采用一箭6星的方式发射(用质子M火箭发射)，或采用一箭双星发射(用联盟2号火箭发射)。•2011年后，俄罗斯还将研制GLONASS-KM系列卫星。