2.1.3 GLONASS

俄羅斯全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GLONASS）最早開發于蘇聯時期，1993年后俄羅斯繼續推進該計劃。但是，由于航天經費不足及技術水平的限制，GLONASS導航衛星在發展過程中一直面臨著壽命較短的尷尬情況，導致組網衛星的長期不足，其應用發展相對于GPS也一直滯后。但隨著技術進步及國力恢復，衛星壽命過短問題得到了較好的解決，俄羅斯逐漸改善了其星座系統的維持和更新情況[10]。2010年前后GLONASS完成對俄羅斯全境的覆蓋。2011年底全軌道24顆衛星組網成功，實現了全球覆蓋。

1. GLONASS信號頻段及坐標系

GLONASS的信號頻段處于L波段，包括了L1和L2兩個載波信號。與目前其他的全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System,GNSS）采用碼分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）的方式不同，它采用頻分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）來區分衛星編號，每顆GLONASS衛星發播的兩種載波的頻率分別為[11]

式中，N為GLONASS衛星編號，N=1，2，3，…，24。

GLONASS的FDMA機制通過載波頻點區別衛星。GLONASS衛星信號中的導航電文經過偽碼擴頻調制，使用相同的偽碼調制不同衛星并通過偽碼來觀測偽距。因此，GLONASS是結合了FDMA和CDMA技術的系統。與GPS相比，除多址方式的不同，GLONASS在時間基準系統、坐標參考系統和廣播星歷幀格式等方面也存在差異[12]。

GLONASS采用的PZ-90坐標系統定義為，坐標原點位于地球質心；Z軸指向BIH所推薦的協議地極，即1900年至1905年的平均北極位置點；X軸指向地球赤道與BIH所定義的零子午面的交點，即XOZ平面相當于平均格林尼治零子午面；Y軸根據確定的X軸和Z軸用右手坐標系確定。PZ-90橢球坐標系基本參數見表2-4。

GLONASS時間（GLST）系統的起算時間為俄羅斯參考時UTC（SU）的1996年1月1日0時0分0秒。由于GLST控制段的特殊性，導致必須周期性地利用UTC（SU）進行修正，導致該系統的時間框架與其他系統時間框架存在時間差為

2. GLONASS的組成

GLONASS主要由三部分組成：空間星座、地面支持部分以及用戶設備。

（1）空間星座部分

GLONASS星座由28顆衛星組成。其中，25顆處于正常工作狀態，1顆暫時處于維護狀態，1顆處于在軌備份狀態，還有1顆處于飛行試驗階段。目前，在軌正常運行的衛星均為中軌道段衛星，額定高度為19100km，傾角為64.8°，周期為11h 15min 44s。即使多個航天器脫離了軌道組，額定傾角保證了GLONASS系統在俄羅斯領土上完全可以通航。

1982年11月GLONASS衛星首次發射入軌。經過多年的發展，GLONASS衛星（見圖2-14）可以分為三代：初代GLONASS衛星，GLONASS-M衛星，GLONASS-K衛星。目前，在軌的衛星主要為GLONASS-M衛星。GLONASS-K衛星在技術上已經進行了很大改進，衛星預期壽命提高到了10年，大大增加了系統穩定性，同時也在一定程度上降低了維護成本。GLONASS-K衛星系列又分為K1和K2兩種型號。GLONASS衛星情況（截至2020年）見表2-5。

（2）地面支持部分

GLONASS的地面控制中心絕大部分都在俄羅斯的領土范圍之內，還有少數幾個位于巴西。地面支持包括1個系統控制中心、5個遙感控制站、2個激光測距站以及10個監測站。系統控制中心位于俄羅斯莫斯科，遙測遙控站分別位于俄羅斯的圣彼得堡、共青城、葉尼塞斯克和烏克蘭的捷爾諾波爾。

（3）用戶設備

GLONASS用戶設備（即接收機）能接收衛星發射的導航信號，并測量其偽距和偽距變化率，同時從衛星信號中提取并處理導航電文。接收機處理器對上述數據進行處理并計算出用戶所在的位置、速度和時間信息。GLONASS提供軍用和民用兩種服務。GLONASS絕對定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。

目前，GLONASS的主要用途是導航定位，與GPS導航系統一樣，同時也廣泛應用于各種等級和種類的定位、導航和時頻領域等。

3. GLONASS時間和空間系統

（1）時間系統

GLONASS的時間系統GLST系統是基于UTC的，以UTC（SU）為時間基準，但事實上它們之間還有3h的整數差，除此之外還有一個1ms內的系統差。由于GLST系統是基于UTC的時間系統，因此和其他的GNSS不同的是它具有閏秒調整；和國際原子時（TAI）的整數差值也一直在變化，目前相差37s。

（2）空間系統

蘇聯時期，GLONASS一直使用的是1985蘇聯地心坐標系（SGS-85），由俄羅斯接手后改為PZ-90（Earth Parameters 1990-Parametry Zemli 1990）坐標系[15]。PZ-90坐標系的原點位于地球質心，Z軸指向國際地球自轉服務組織（International Earth Rotation Service, IERS）推薦的協議地球極（CTP），X軸指向赤道與BIH定義的零子午線的交點，Y軸與X軸和Z軸垂直，構成右手坐標系。