GLONASS加速現(xiàn)代化進程

+ 陳念茹 唐云 （北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心）

GLONASS系統(tǒng)是蘇聯(lián)上世紀(jì)70年代開始研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，蘇聯(lián)解體后由俄羅斯繼承下來，于1996年建成并運行，但隨后因俄羅斯經(jīng)濟不斷下滑，致使需要高昂維護費用的GLONASS系統(tǒng)無法及時實施補網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，而處于降效運行狀態(tài)。近年來，隨著經(jīng)濟的恢復(fù)發(fā)展，俄聯(lián)邦政府頒布了多項發(fā)展GLONASS系統(tǒng)的計劃和措施，并陸續(xù)發(fā)射了多顆補網(wǎng)衛(wèi)星，步入了加速GLONASS系統(tǒng)恢復(fù)和現(xiàn)代化的軌道。

一、系統(tǒng)建設(shè)

GLONASS的現(xiàn)代化計劃包括對空間段和控制段實施改造，以及GLONASS信號整體性能的提升。

1.空間段現(xiàn)代化

GLONASS空間段現(xiàn)代化主要包括三個階段：第一階段，維持GLONASS衛(wèi)星“最低需求水平”的軌道星座；第二階段，開發(fā)GLONASS-M衛(wèi)星，基于GLONASS衛(wèi)星和GLONASS-M衛(wèi)星實現(xiàn)18顆衛(wèi)星的星座部署；第三階段，開發(fā)GLONASS-K衛(wèi)星，基于GLONASS-M衛(wèi)星和GLONASS-K衛(wèi)星實現(xiàn)24顆衛(wèi)星的星座部署。

空間段現(xiàn)代化一方面提高衛(wèi)星質(zhì)量，另一方面推動導(dǎo)航信號改革，GLONASS衛(wèi)星及信號現(xiàn)代化計劃見表1。2003年12月10日，首顆發(fā)射的GLONASS-M衛(wèi)星入軌運行，并于2004年12月8日開始向廣大用戶發(fā)送導(dǎo)航定位信號，這標(biāo)志著GLONASS向現(xiàn)代化邁出了堅實的第一步。2011年12月8日又一顆GLONASS-M衛(wèi)星（2011年11月28日發(fā)射）被確定為健康狀態(tài)。至此，GLONASS星座在軌可用衛(wèi)星達(dá)到24顆衛(wèi)星，系統(tǒng)基本實現(xiàn)24顆衛(wèi)星的滿星座部署計劃，標(biāo)志著GLONASS系統(tǒng)將開始進入空間段現(xiàn)代化第三階段。

1.1 新型衛(wèi)星

GLONASS-M衛(wèi)星作為新一代衛(wèi)星，相比GLONASS衛(wèi)星具有以下特點：

（1）衛(wèi)星在L1 (1.6 GHz)和L2 (1.25 GHz)頻段傳播FDMA民用信號，增加了傳播功率；

表1 GLONASS衛(wèi)星及信號現(xiàn)代化計劃

（2）衛(wèi)星在1個軌道面內(nèi)部和軌道與軌道之間的星間鏈路帶有測距和通信功能；

（3）星載銫鐘同步每日相對頻率穩(wěn)定度為5 ×10–14;

（4）太陽電池板定位精度提高；

（5）工作壽命設(shè)計為7年。

GLONASS-K衛(wèi)星在GLONASS現(xiàn)代化計劃中占有重要地位，使用不加壓艙（類似于GPS）、星載時鐘穩(wěn)定度更高、重量更輕（衛(wèi)星重750kg），定位精度達(dá)5m，可使用3個頻段（包括新增加的第3個民用L頻段信號），其特點包括：

（1）衛(wèi)星設(shè)計壽命可達(dá)10年；

（2）將提供5個民用導(dǎo)航信號（在原有的3個FDMA信號基礎(chǔ)上，又增加了2個CDMA信號）；

（3）為提高同步精度，將導(dǎo)航和星間信號的構(gòu)成及傳輸功能合成到1個模版；

（4）衛(wèi)星還搭載了搜救系統(tǒng)COSPAS-SARSAT轉(zhuǎn)發(fā)器。

1.2 導(dǎo)航信號

導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定偽距測量精度，它影響用戶最后的定位精度。因此，GLONASS導(dǎo)航信號改革是整個系統(tǒng)開發(fā)最先考慮的問題?！癎lonass-K” 新導(dǎo)航衛(wèi)星有史以來將首次傳輸L3頻段上的CDMA信號。由于信號參數(shù)的改變，該信號為用戶傳輸了新的導(dǎo)航信息。

圖1 GLONASS地面控制系統(tǒng)

未來GLONASS CDMA導(dǎo)航信號開發(fā)計劃將重點在L1和L2頻段。為了設(shè)計方便用戶使用的信號，可能會采用以下措施：

（1）GLONASS FDMA和CDMA導(dǎo)航信號的聯(lián)合使用應(yīng)該能夠滿足更大范圍內(nèi)的用戶需求，并且是從普通導(dǎo)航到高精度應(yīng)用；

（2）信號應(yīng)在國際電信聯(lián)盟（ITU）分配給GLONASS的頻段內(nèi)；

（3）低功率譜密度在無線電天文頻段1610.6～1613.8 MHz;

（4）與其他GNSS系統(tǒng)兼容和互操作。

GLONASS-K1，將在新L3頻率上發(fā)射CDMA信號；GLONASS-K2將在L1和L2頻率上分別發(fā)射CDMA信號。CDMA信號在定位精度上強于FDMA信號。俄羅斯計劃在每顆GLONASS衛(wèi)星上增加CDMA信號。2011年2月26日，首顆GLONASS-K衛(wèi)星成功發(fā)射。

2.地面段現(xiàn)代化

GLONASS現(xiàn)代化除了不斷改善衛(wèi)星性能、功能和壽命之外，從提升系統(tǒng)整體性能角度，還對地面段實施現(xiàn)代化改造。

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

GLONASS地面部分由1個系統(tǒng)控制中心、5個遙測遙控站（含激光跟蹤站）和9個監(jiān)測站組成，如圖2所示。系統(tǒng)控制中心位于莫斯科，遙測遙控站分別位于圣彼得堡、葉尼塞斯克、共青城、薩雷沙甘（哈薩克斯坦）和捷爾諾波爾（烏克蘭）。蘇聯(lián)解體后，烏克蘭和哈薩克斯坦境內(nèi)的控制站不再參與GLOANSS的保障工作，所有任務(wù)由俄羅斯境內(nèi)的控制站承擔(dān)。

2.2 改進措施

隨著GLONASS系統(tǒng)不斷恢復(fù)，為了提高GLONASS的完好性、精度和可靠性，俄羅斯聯(lián)邦航天局希望在其境外建立地面監(jiān)測站。此外，還需要在其他國家建立更多的參考站，以提高GLONASS運行控制段的穩(wěn)定性，使之與GPS的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)具有可比性。2010年俄羅斯聯(lián)邦航天局曾計劃將境外監(jiān)測站增加到14～15個，包括在境外部署監(jiān)測站，還計劃在澳大利亞、古巴和南美地區(qū)有關(guān)國家建設(shè)地面監(jiān)控站。

為改善地面控制設(shè)施，主要措施是擴展與GPS相類似的接收監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)以及在主控站（OD&TS）中對軟件進行現(xiàn)代化，以對上述監(jiān)測站產(chǎn)生的單向碼和載波相位測量數(shù)據(jù)進行處理。

這種接收監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將包括優(yōu)化俄羅斯空軍的3個站、原有的9～12個站以及國際合作。由于IGS有全球衛(wèi)星跟蹤站網(wǎng)，俄羅斯與它合作將在一定程度上克服設(shè)站范圍僅限于俄羅斯版圖的局限。

另外一項改進措施是對通信網(wǎng)絡(luò)和軟件進行升級換代。由于GLONASS系統(tǒng)原先的TT&C主要基于與雷達(dá)相似的方法對衛(wèi)星進行跟蹤和測距，再輔之以激光跟蹤站測距，以校準(zhǔn)跟蹤雷達(dá)。這種方法雖然有優(yōu)點，然而設(shè)備龐大，造價昂貴，難以做到長期連續(xù)運行而無故障。改用GPS那樣的無源跟蹤法便可以避免這樣的問題，但是對通信網(wǎng)絡(luò)和軟件的要求較高。所以通信網(wǎng)絡(luò)和軟件的現(xiàn)代化也勢在必行。

2011年10月7日，俄羅斯聯(lián)邦航天局局長波波夫金在俄杜馬發(fā)表講話時表示，俄航天部門目前正在積極建設(shè)GLONASS系統(tǒng)的地面設(shè)施。他還說在重審的俄羅斯航天局聯(lián)邦航天計劃中，超過37%的撥款用于修建地面基礎(chǔ)設(shè)施（當(dāng)然，其中包括遙感和通訊衛(wèi)星系統(tǒng)）。11月29日，普京又呼吁政府加大建設(shè)GLONASS系統(tǒng)地面設(shè)施的工作力度，但2011年至今沒有看到GLONASS系統(tǒng)地面段建設(shè)的最新進展。從目前衛(wèi)星星座建設(shè)的情況來看，和GPS的發(fā)展相比，GLONASS地面段建設(shè)顯然要落后于空間段建設(shè)，而對系統(tǒng)性能來講，沒有相匹配的發(fā)展，整體性能勢必要受到影響。因此，預(yù)計GLONASS系統(tǒng)要全面建成大概需到2015年。

二、政策引導(dǎo)

GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化，除了對系統(tǒng)的空間和地面段進行現(xiàn)代化改造之外，從政府和國家層面也制定了相關(guān)政策措施來積極推動保障現(xiàn)代化建設(shè)的順利進行。

1.財政支持

近幾年,俄羅斯加大了對GLONASS的投入。2006財年獲得47億盧布（2億美元）預(yù)算，2007財年獲得99億盧布預(yù)算。2008年9月12日，普京簽署命令，擬為GLONASS系統(tǒng)追加26億美元投資，用于研發(fā)和補充新星。絕大部分新增投資將用于增加現(xiàn)有GLONASS星座的新衛(wèi)星，使星座衛(wèi)星數(shù)量在2020年達(dá)到30顆，并實現(xiàn)其地面段的現(xiàn)代化改造。

2011年6月21日，俄羅斯聯(lián)邦航天局領(lǐng)導(dǎo)波波夫金于宣布，在《2020年前GLONASS聯(lián)邦計劃》方案中將為發(fā)展俄羅斯全球定位系統(tǒng)注資4020億盧布（約144億美元），主要用于保持星座的衛(wèi)星數(shù)量、研制新衛(wèi)星、開發(fā)導(dǎo)航地圖、建設(shè)必要的地面設(shè)施、補充研發(fā)用戶設(shè)備等。而且，為實施2012年和隨后2年的聯(lián)邦航天計劃所需的資金已經(jīng)下?lián)?，GLONASS系統(tǒng)將在2015年完全建成，屆時，其定位和導(dǎo)航誤差范圍將從目前的5～6米縮小為1米左右。

2.推廣應(yīng)用

為爭奪導(dǎo)航領(lǐng)域的市場，盡快改變GPS獨占市場的局面，俄政府從政策角度支持GLONASS應(yīng)用。

2009年，俄政府從工業(yè)和貿(mào)易部及聯(lián)邦關(guān)稅服務(wù)中取消GNSS部分進口關(guān)稅，提高25%成品關(guān)稅。該計劃將刺激國內(nèi)高容量GLONASS產(chǎn)品和GLONASSGPS用戶設(shè)備的生產(chǎn)。2011年，俄羅斯官方表示，從2012年1月1日起，將對不支持GLONASS的衛(wèi)星導(dǎo)航硬件開征關(guān)稅，但對同時支持GPS和GLONASS的導(dǎo)航儀和其他設(shè)備不收關(guān)稅。此外，交通運輸部也制定了相關(guān)規(guī)定，要求所有聯(lián)邦部門要在俄羅斯制造的車輛、船只和飛機上使用GLONASS接收機。

3.頒布法令

2009年2月4日，俄羅斯聯(lián)邦議會正式發(fā)布了有關(guān)導(dǎo)航活動的GLONASS聯(lián)邦法規(guī)，該項法規(guī)確立了關(guān)于導(dǎo)航活動的法律框架，明確了俄羅斯聯(lián)邦、地區(qū)以及地方自治實體的權(quán)力，以及各種自然人和法人在導(dǎo)航活動中的相關(guān)權(quán)益。這項法規(guī)的頒布將為GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展及在社會經(jīng)濟生活等領(lǐng)域的應(yīng)用擴展提供有力支持和促進作用。

另外，俄羅斯還加大了國際合作力度，這些國際合作包括簽署聯(lián)合聲明和政府間協(xié)議保證GLONASS系統(tǒng)與GPS和Galileo系統(tǒng)未來的兼容和互操作，并合作使用GLONASS系統(tǒng)。此外還有參與系統(tǒng)研發(fā)，協(xié)助發(fā)射衛(wèi)星以及建立境外參考站等。

三、 總結(jié)

1.政策支持與國際合作保障系統(tǒng)健康發(fā)展

任何一項重大工程的研制建設(shè)都與國家政策的支持密切相關(guān)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展壯大也不例外。在GLONASS現(xiàn)代化進程中，政府通過制定相關(guān)政策法規(guī)保障并推動了系統(tǒng)的良性發(fā)展，并且在目前GPS還處于領(lǐng)先和一家獨大的局面下通過立法和政策支持，強制推廣GLONASS系統(tǒng)在經(jīng)濟、社會、軍事等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，保護民族產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展，而國家從財政方面的大力支持也為現(xiàn)代化改造的順利完成提供了重要的經(jīng)濟保證。

在系統(tǒng)建設(shè)方面，以適度的開放姿態(tài)，加強系統(tǒng)之間的相互兼容，實現(xiàn)互操作，這是今后導(dǎo)航系統(tǒng)健康發(fā)展的趨勢。導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容和互操作是各國進入民用導(dǎo)航市場的重要基礎(chǔ)，過去，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)因長期缺乏國際合作的積極性，其國際影響和國際市場運作遠(yuǎn)不如GPS。隨著俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化計劃的實施，俄羅斯開始加大合作力度，并在導(dǎo)航信號的開發(fā)方面，在原有FDMA基礎(chǔ)上，增加了CDMA信號，為與GPS和Galileo的兼容和互操作打下了良好的基礎(chǔ)。GLONASS要提供CDMA信號，就是為了與其他系統(tǒng)的兼容和互操作。

2.關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提升系統(tǒng)國際競爭能力

關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的提前研發(fā)，對于搞好系統(tǒng)設(shè)計和縮短建設(shè)周期、降低風(fēng)險具有非常重要的意義。GLONASS系統(tǒng)在空間和地面段的整體改造過程中，在GLONASS系統(tǒng)幾代衛(wèi)星的研發(fā)過程中，星鐘壽命、星鐘穩(wěn)定度以及信號設(shè)計都不斷得到改進和提升，這些都使系統(tǒng)在未來實現(xiàn)全運行服務(wù)后，能夠為用戶提供更高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)，而在未來全球多個GNSS系統(tǒng)并存的局面下，系統(tǒng)的競爭優(yōu)勢也提高了。

3.統(tǒng)籌規(guī)劃合理布局確保系統(tǒng)順利發(fā)展

GLONASS在進行現(xiàn)代化建設(shè)過程中，在空間段建設(shè)不斷升級的同時，地面段改造沒有同步發(fā)展，這勢必會影響系統(tǒng)的整體建設(shè)而使現(xiàn)代化計劃進度滯后。因此系統(tǒng)建設(shè)要統(tǒng)籌規(guī)劃，合理安排，這樣才能確保系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步前進。

盡管GLONASS系統(tǒng)建設(shè)仍然面臨很多困難，但是以目前的發(fā)展態(tài)勢，相信不久將對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的格局產(chǎn)生重要影響。