3.3 俄羅斯GLONASS

3.3.1 系統(tǒng)簡介

GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）是一種與美國GPS類似的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是具有全球覆蓋范圍和相當(dāng)精度的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為各種軍民用戶提供全天候、連續(xù)的和高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。俄羅斯對(duì)GLONASS采用了軍民合用、不加密的開放政策。

蘇聯(lián)從20世紀(jì)70年代開始研制GLONASS，于1982年10月發(fā)射了第一顆GLONASS衛(wèi)星。1996年1月，GLONASS星座中的24顆衛(wèi)星部署完成。GLONASS共有21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，分布在3個(gè)軌道面上，各軌道面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差120°，每個(gè)軌道面有8顆GLONASS衛(wèi)星，軌道高度約1.91萬千米，運(yùn)行周期為11小時(shí)15分。在導(dǎo)航定位方面，與GPS不同，GLONASS采用的是蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PZ-90）。

在定位精度方面，GLONASS單點(diǎn)定位精度在水平方向?yàn)?6m，在垂直方向?yàn)?5m。GLONASS的定位精度比GPS略低，時(shí)間精度與GPS相似。俄羅斯早期航天撥款不足，衛(wèi)星工作不穩(wěn)定、工作壽命短，設(shè)備體積大且笨重等，導(dǎo)致GLONASS0發(fā)展緩慢。但是，GLONASS還是在不斷地更新?lián)Q代。

在GPS中，衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址（CDMA）機(jī)制，每顆衛(wèi)星的信號(hào)頻率及調(diào)制方式相同，衛(wèi)星信號(hào)依靠不同的偽隨機(jī)碼區(qū)分。而GLONASS采用頻分多址（FDMA）機(jī)制，衛(wèi)星信號(hào)靠不同的頻率區(qū)分，每組頻率的偽隨機(jī)碼相同。由于衛(wèi)星發(fā)射不同的載波頻率，GLONASS整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)輕易地被敵方同時(shí)干擾，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

GLONASS分為空間段、地面段和用戶段3個(gè)部分。簡單來說，空間段指所有在軌衛(wèi)星；地面段指地面的控制中心，用于接收衛(wèi)星信息并跟蹤衛(wèi)星和指揮衛(wèi)星工作；用戶段指所有的民用用戶和軍用用戶手中的接收機(jī)。

3.3.2 空間段

1.GLONASS星座

從1982年發(fā)射第一顆衛(wèi)星到現(xiàn)在，GLONASS衛(wèi)星設(shè)計(jì)經(jīng)過多次改進(jìn)，可分為三代：最初的GLONASS型號(hào)（自1982年起）、GLONASS-M型號(hào)（自2003年起）和GLONASS-K型號(hào)（自2011年起），具體信息如表3-2所示。在GLONASS星座中，24顆衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)等間隔的橢圓軌道面上，軌道傾角為64.8°，同平面內(nèi)的衛(wèi)星兩兩相隔45°。這些衛(wèi)星位于海拔約19100km的中圓軌道上，衛(wèi)星軌道傾角較大，使得GLONASS特別適合在高緯度地區(qū)（北或南）使用。截至2018年5月，GLONASS的衛(wèi)星總數(shù)為26顆，可操作的衛(wèi)星有24顆，還有1顆在調(diào)試階段，1顆在飛行試驗(yàn)階段。

2.GLONASS衛(wèi)星

GLONASS衛(wèi)星一共有三代。第一代衛(wèi)星重1250kg，發(fā)射數(shù)目最多，但設(shè)計(jì)壽命短，還有很多衛(wèi)星發(fā)射失敗。第二代衛(wèi)星為GLONASS-M，于1990年開始研制，關(guān)于2003年首次發(fā)射。第二代衛(wèi)星重1480kg，使用壽命延長到7年。第三代衛(wèi)星在前幾種衛(wèi)星的基礎(chǔ)上有了很大的改進(jìn)，第三代無加壓倉式GLONASS衛(wèi)星重750kg，運(yùn)行壽命為10年。

GLONASS衛(wèi)星的載波調(diào)制了兩種偽隨機(jī)噪聲碼：S碼和P碼。例如，GLONASS衛(wèi)星主要發(fā)射兩種類型的信號(hào)：一種是開放標(biāo)準(zhǔn)精度信號(hào)L1OF/L2OF；另一種是模糊高精度信號(hào)L1SF/L2SF。但是，自2014年開始生產(chǎn)的GLONASS-M衛(wèi)星包括L3OC信號(hào)。

3.3.3 地面段

GLONASS地面段的地面控制部分幾乎完全位于開始建設(shè)時(shí)的蘇聯(lián)境內(nèi)，只有幾個(gè)位于巴西。其地面部分包括1個(gè)系統(tǒng)控制中心，5個(gè)遙測、跟蹤和指揮中心，2個(gè)激光測距站和10個(gè)監(jiān)測站。系統(tǒng)控制中心位于莫斯科，遙測、跟蹤和指揮中心位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城等地。這些站點(diǎn)主要用來跟蹤GLONASS可視衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號(hào)和遙測數(shù)據(jù)，并向GLONASS衛(wèi)星發(fā)送控制指令及導(dǎo)航信息。

3.3.4 用戶段

GLONASS用戶段的設(shè)備為接收機(jī)。無論是軍用用戶還是民用用戶，都可以通過GLONASS接收機(jī)對(duì)至少4顆衛(wèi)星進(jìn)行同步和追蹤，利用接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)測算其偽距和偽距的變化率，從而計(jì)算接收機(jī)的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間。

在實(shí)際應(yīng)用中，用戶段的設(shè)備可以被設(shè)計(jì)為同時(shí)接收GLONASS和GPS的衛(wèi)星信號(hào)。若GLONASS與GPS相結(jié)合，則用戶視野內(nèi)的可視衛(wèi)星數(shù)增加，可以提升定位系統(tǒng)的精度。在森林或峽谷等可視衛(wèi)星數(shù)量少于4顆的地方，兩種技術(shù)的結(jié)合也可以克服地形對(duì)定位的影響。

3.3.5 系統(tǒng)應(yīng)用

GLONASS和GPS一樣，可以為全球近地空間的各種用戶提供全天候、連續(xù)的、高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息。GLONASS的出現(xiàn)打破了美國GPS的壟斷地位，也消除了美國利用GPS技術(shù)給其他各國用戶帶來的威懾。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最初是在軍事的需求下發(fā)展起來的，因此GLONASS不僅可以為軍船、軍機(jī)、坦克、炮車等軍事運(yùn)輸工具提供精確的導(dǎo)航服務(wù)，而且可以用于武器瞄準(zhǔn)、精密敵我態(tài)勢分析、精密導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面。隨著時(shí)代的發(fā)展，除了軍事領(lǐng)域，GLONASS也開始應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如大地和海洋測繪、地質(zhì)勘探、地震預(yù)報(bào)、石油開發(fā)、海陸空交通管理、郵電通信、建筑工業(yè)、農(nóng)林業(yè)管理等方面。在俄羅斯，ERA-GLONASS交通事故應(yīng)急響應(yīng)、莫斯科智能交通、主要體育賽事的導(dǎo)航支持、國際體育賽事的導(dǎo)航支持等項(xiàng)目都已經(jīng)對(duì)GLONASS進(jìn)行了應(yīng)用。

未來，將GPS與GLONASS結(jié)合使用，可以為用戶提供更好的精度因子，消除GPS的SA影響，提高定位精度，解決現(xiàn)有的多種問題。