俄罗斯去年12月用质子-M火箭发射了3颗格洛纳斯卫星。
谈到全球卫星导航系统，人们首先想到的是美国的GPS系统，而俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统则鲜为人知。不久前格洛纳斯系统即将满员上岗提供全球定位服务的消息才再次吸引了人们的目光。[相关新闻： 俄今年将再发射7颗导航卫星实现全球覆盖]
恐怕很少有人知道， 格洛纳斯的正式组网比GPS还早，这也是美国加快GPS建设的重要原因之一。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和GPS竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气，推出了格洛纳斯-M和更现代化的格洛纳斯-K卫星更新星座。
格洛纳斯采用频分多址形式进行信号传输。
采用两种频率信号
格洛纳斯项目是苏联在1976年启动的项目，格洛纳斯系统将使用24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。按照设计，格洛纳斯星座卫星由中轨道的24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨道高度19100千米，倾角64.8°。
和GPS系统不同，格洛纳斯系统使用频分多址(FDMA)的方式，每颗格洛纳斯卫星广播两种信号，L1和L2信号。具体地说，频率分别为L1=1602+0.5625*k(MHz)和L2=1246+0.4375*k(MHz)，其中 k为1～24为每颗卫星的频率编号，同一颗卫星满足L1/L2=9/7。格洛纳斯系统设计定位精度为在95％的概率条件下，水平向为100米，垂直向为150米。
格洛纳斯全部系统需要由24颗星组成。从1988年至2000年第一代的格洛纳斯卫星总共发射了54颗。
"短命"的格洛纳斯卫星
1982年至1985年间，发射了3颗模拟星和18颗原型卫星用作测试。由于苏联的卫星和电子设计水平和美国有很大差距，苏联这些测试卫星设计寿命只有一年，真实的平均在轨寿命也只有14个月。格洛纳斯系统1985年开始正式建设，1985~1986年，6颗真正的格洛纳斯卫星被发射升空，这些卫星对比原型卫星改进了授时和频率标准，增强了频率的稳定性，不过它们的寿命仍然不佳，只有大约16个月的平均寿命。此后又发射了继续改进的12颗卫星，不过一半的卫星由于发射事故损失了，这些新卫星设计寿命2年，实际平均寿命是22个月。
这样到了1987年，格洛纳斯系统共计发射了包括早期原型卫星在内的30颗卫星，在轨可用卫星9颗，前景一片光明。1988年开始发射的卫星是进一步改进的版本，这个版本在现在一般称为格洛纳斯卫星。这些卫星重量1400千克，采用三轴稳定技术和精密铯原子钟，设计寿命进一步提高到3年，在1988年到2000年间这个版本的格洛纳斯卫星发射了54颗之多。这些卫星都是在拜哈努尔发射中心使用质子火箭以一箭三星的方式发射入轨的。
与美国GPS相比，俄罗斯在组网速度上慢了一拍。
和GPS竞争：刚开始就居于下风
1988年到苏联解体前，格洛纳斯系统进行了8次发射将24颗卫星送入轨道，不过由于卫星寿命太短，到1991年末只有12颗卫星正常工作，可以提供有限的定位服务。1990~1991年海湾战争中美国的GPS系统发挥了很大的作用，但使用SA限制民用精度，还有苛刻的出口限制，更不要说是否对民用用户收费还未可知。
苏联方面决定格洛纳斯全面支持民用，不对民用终端用户收费也不降低精度，这对对民用用户来说是个好消息，对GPS是一个竞争动力，也有利于格洛纳斯系统的推广。苏联解体后，俄罗斯联邦继续格洛纳斯的开发工作，不过1993年建成的承诺并未实现，到1993年底尽管格洛纳斯宣布形成初始作战能力，但正常运行的卫星数量仍然只有12颗，而同年美国GPS系统宣布具备初始作战能力，具有星座所需的全部的卫星，也拥有更好的性能，从这时起，格洛纳斯对GPS就已经是全面劣势了。
2000年和2001年，俄罗斯仅发射了5颗格洛纳斯卫星。
格洛纳斯系统曾频临崩溃
1995年开始尽管俄罗斯仍然加大了格洛纳斯的建设，到1996年1月18日，在轨运行卫星数量达到24颗，首次具备全球导航能力，不过这只是昙花一现而已。格洛纳斯卫星的设计寿命只有3年，而1996年到1998年间，经济的困窘导致俄罗斯航天局只在1998年发射过一次质子火箭，1996年还有22颗可用卫星，到1997年就只有16颗了，而俄罗斯国土辽阔为本土提供可靠的卫星导航就需要至少18颗卫星的星座，也就是说此时格洛纳斯无力为本国提供全面覆盖了，更不要说在全球和GPS系统进行商业竞争。
1999年至2001年只有两次质子发射了6颗卫星，卫星更新的不及时，直接导致格洛纳斯在轨运行卫星数量在2001年降低到只有7颗。在那段灰暗的岁月，不仅是卫星数量不足，甚至地面控制设备都不足，格洛纳斯系统的性能也就可想而知，系统到了死亡边缘。2000年格洛纳斯导航系统只能在水平方向提供50~70米，垂直方向提供70米的定位精度，远不如GPS民码信号接收机的精度。
俄罗斯生产的军用定位接收机，可接收GPS和格洛纳斯信号。
GPS终端在俄国内也是主导地位
在格洛纳斯星座建设进度滞后和随后星座崩溃的这段时间里，GPS系统彻底建立了商业优势，成为卫星导航系统的事实标准实在正常。格洛纳斯的商业化流于形式，很长时间无法为国内提供足够的用户接收终端，再加上星座崩溃定位授时性能十分糟糕，这种既无法提供全球覆盖甚至全俄覆盖也没有足够终端的卫星导航系统，俄罗斯境内都没有商业竞争力。GPS终端即使在俄罗斯国内也占据统治地位，据统计俄罗斯国内1200架装备了卫星导航定位系统，92%的终端为GPS接收器，只有8%为格洛纳斯接收器，其中不乏是GPS/格洛纳斯双模接收器。为了振兴本国卫星导航产业，俄罗斯国内甚至出现禁止政府公务车辆使用GPS终端的呼声。
实验室中的GLONASS-M卫星，该卫星综合性能大为提升。
改进型格洛纳斯-M卫星
2002年后，随着俄罗斯的经济好转和总统普京试图重振俄罗斯大国雄风的努力，格洛纳斯系统的复兴开始提上日程。2002年在轨运行卫星增加到8颗，此后2003、2004、2005年分别增加到10、11、12颗。更重要的是，2003年发射的卫星，是格洛纳斯的重大改进版本，被称为格洛纳斯-M卫星。格洛纳斯-M卫星在1990年就开始研制，原定1994年发射，推迟了10年。格洛纳斯-M卫星重量约1.4吨，太阳能电池功率1600瓦，原子钟精度为1e-13秒同时提高了稳定性。
通过天线馈线系统的改进使卫星寿命提高到7年，这意味着可以以较低的火箭发射频率维持格洛纳斯星座的运转。新卫星使用了星间数据链，增加了民用的L2信号，使用新信号的原因是原有民用信号和射电天文学所用的有冲突。除此外，卫星在定位精度上也有不小的提高，为格洛纳斯系统追赶GPS系统奠定了基础。
质子火箭仍将以一箭三星的方式加快格洛纳斯系统的建设。
2011年精度达到GPS标准
此后几年内，质子火箭稳定的发射格洛纳斯-M卫星，2008年联盟火箭也开始参与格洛纳斯卫星的发射，同年格洛纳斯星座在轨运行卫星数量终于增加到18颗，这堪称格洛纳斯系统复兴道路上的里程碑，意味着格洛纳斯可以为俄罗斯提供全境卫星导航服务。当然俄罗斯的雄心远不在此，他们的目标是建立一个完整的格洛纳斯星座，和GPS进行全面竞争，为此制定了导航精度全面追赶GPS的计划，此前格洛纳斯系统定位精度为水平16米，垂直25米，这个能力即使对比GPS民码也有些差距。
随着新的格洛纳斯-M卫星的使用，让格洛纳斯星座达到水平方向上5米，垂直方向上9米的精度，在信号最糟糕的情况下，可以做到水平12米垂直25米的精度。随着格洛纳斯-M的全面应用，格洛纳斯卫星导航系统精度已经接近GPS系统，俄罗斯官方宣称要进一步改进格洛纳斯精度，在2011年达到GPS的标准，而在此之前的2010年将再次星座满员，具备全球卫星导航能力。
GPS定位已成为手机功能之一，格洛纳斯却还面临终端问题。
频分多址带来的商业压力
GPS的事实标准面前，信号兼容的问题困惑着格洛纳斯系统。GPS系统信号采用码分多址方式，而格洛纳斯系统采用频分多址信号，对格洛纳斯的支持要增加很大一块成本，这让终端机生产商设计兼容时十分为难。随着欧洲的伽利略卫星导航系统和中国的北斗系统开始建设，由于它们都采用了码分多址的方式，对格洛纳斯系统带来更大的商业压力，因为对于终端制造商来说，码分多址的信号要兼容，代价比频分多址信号小得多。
与此同时，美国GPS系统的GPS Block IIF卫星准备发射，这个批次的卫星使GPS星座进一步提高了性能，更高性能的GPS BlockIII卫星也将在几年后发射，格洛纳斯系统面临还未再次建成就再次落后的危险。
格洛纳斯-K卫星重点提高了使用寿命和定位精度。
新一代格洛纳斯-K卫星
不过逐渐复苏的俄罗斯航天局早在2002年前就启动了新一代的格洛纳斯-K卫星的研制工作，新的格洛纳斯-K卫星是全新的设计，卫星平台不密封，指标上和克拉斯诺亚尔斯克-26应用机械研究所设计的"快船-1000"平台基本一致。卫星设计寿命10年，重量开始报道为750千克，到了2009年官方已经修正为995千克。星载原子钟精度达到了1e-14秒，为提高定位精度提供了潜力。为了便于和GPS兼容，格洛纳斯-K卫星除了使用原来的L1和L2频段频分多址信号外，还增加了码分多址的L1，L2，L3信号。
在提高授时和定位精度上，不仅在原子钟上做了努力，还使用了高性能的温控系统，使原子钟温度波动在0.1~0.5°之间，降低了温度变化对原子钟精度的影响。此外卫星还改进了姿控系统，提高了太阳能电池板的指向精度，也降低了令人头疼的微重力影响。全新的卫星平台配合这些改进措施，将格洛纳斯系统的定位精度提高到了一个新的水平，有望达到和超过现有GPS的标准。
格洛纳斯-K已开始在地面进行相关测试。
格洛纳斯-K已开始地面测试
根据俄罗斯的报道，新的格洛纳斯-K卫星已经开始地面测试，预计将在今年秋天发射。卫星平台的小型化，另较小运力的联盟火箭也可用于发射，较大运力的质子火箭则可以发射更多卫星。单从运载能力上说，质子火箭可以一箭六星发射格洛纳斯-K卫星，组网所需的全部24颗卫星也只需要4次发射而已，卫星寿命的大大延长也从根本上避免了上世纪末星座崩溃的惨剧，对比早期的格洛纳斯系统，实在是翻天覆地了。
针对GPS的增强系统
目前GPS系统占据统治地位，很多国家建立了针对GPS的增强系统，如欧空局的欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，美国的差分全球定位系统(DGPS)，美国雷锡恩公司的覆盖北美的广域增强系统(WAAS)，日本的多功能卫星增强系统(MSAS)和新的准天顶增强系统(QZSS)。格洛纳斯系统全球化过程中，俄罗斯在2009年末宣布建立一个天基增强系统(SBAS)，利用地球静止轨道卫星实现地区性广域差分定位增强，为低纬度国家提供更高精度的服务，目前已经和巴西印度等国家签订了相关合同。
格洛纳斯卫星导航定位系统的历史，可谓一部苏-俄的衰亡复兴史的缩影。在今天即使是再忽略它的人，也不得不承认这是仅次于GPS的卫星导航系统。在伽利略和北斗一拖再拖的情况，也只有它能提供抗衡GPS，为全球卫星定位用户提供其他选择的能力，不过GPS终端在俄罗斯境内也占据统治地位，性能更好的GPS Block III卫星在格洛纳斯-K卫星发射后不久就将蓄势待发。要想从GPS系统手里抢到市场，格洛纳斯还有很长的路要走。
本文来源：网易军事
作者：松鼠
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