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ctnmz 发表于 2016-11-22 23:41:35

北斗迈出第三步

GLONASS卫星导航系统的发展历程　　GLONASS的发展实际上从1957年苏联发射人类历史上第一颗人造地球卫星就开始了。在已知坐标的观测点测量该卫星转发器频率的多普勒频移确定了其运动参数。反之显而易见，利用已知卫星的坐标位置，可根据测量到的多普勒频移来确定观测点的坐标。　　1955～1959年，苏联空军工程科学院，苏联科学院理论天文研究所、电动机械研究所等部门进行的研究中，对低轨道卫星无线电导航系统的科学基础取得了实质性发展，主要内容包括：导航精度、全球性、全天时性和全天候性。苏联1963年开始了其第一个低轨道导航卫星系统——“蝉”的研制。参加研制单位有：应用力学科研生产联合体，俄罗斯无线电时间导航学院，俄罗斯宇航仪器制造科学研究院和其他宇宙、无线电技术和造船领域的工业企业。　　蝉系统的第一颗卫星于1967年发射，1979年建成使用。系统由4颗卫星组成，轨道为1000km的圆轨道。定位均方根误差为250～300m。　　GLONASS系统的发展可分为两个大的阶段。　　第一阶段是1982年至1985年，在这一阶段进行了6次发射，共发射了11颗第一代试验卫星（Block-1）。其中首次发射的3颗星中只有1颗为试验卫星，其它2颗为模拟卫星；另6次发射每次有2颗试验卫星和1颗模拟卫星。这些模拟卫星未列入卫星编号正式报道。所以在GLONASS卫星数目统计上出现2种数据。　　第二阶段1985年至1995年，为系统部署阶段。共进行了21次发射，其中2次发射失败。共把第二代57颗3种型号的卫星送入轨道，使系统达到满星座运行。　　GLONASS系统发展重要事件：　　1982年10月，第1颗GLONASS卫星发射；　　1985年5月，GLONASS系统试验阶段完成，进行发射6次，发射卫星11颗(模拟卫星未计入)；　　1995年3月，俄罗斯宣布GLONASS系统具备初始运行能力；　　1996年1月，GLONASS系统部署完成，系统投入全面运行；　　2001年1月，首颗改进的GLONASS-M卫星发射；　　2001年8月，俄罗斯批准GLONASS系统2002~2011年发展计划，计划恢复GLONASS系统，并实施现代化；　　2002年9月，GLONASS系统严重退化，星座只有7颗卫星；　　2005年7月，俄罗斯批准《2006~2015年航天发展规划》，恢复GLONASS系统，并使其现代化成为该规划的重要目标；　　2008年，俄罗斯调整GLONASS现代化计划，宣布增加2个CDMA民用信号，星座卫星数量增加至30颗；　　2008年12月，GLONASS系统星座卫星数量达到18颗，系统初步恢复；　　2010年，俄罗斯两次调整GLONASS系统现代化计划，CDMA信号增加至8个，其中军用信号3个，民用信号5个；GLONASS-K研制分2个阶段进行，即GLONASS-K1和GLONASS-K2；　　2011年2月，首颗GLONASS-K1卫星发射；　　2014年，计划开始利用GLONASS-K卫星对星座进行全面升级；　　2017~2018年，新信号开始提供服务；　　2020年，星座卫星数量达到30颗，提供与GPS相同的民用导航服务。　　1.2 GLONASS卫星导航系统的体系构成(插入GLONASS星座图片)　　GLONASS卫星导航系统由空间段、地面控制段、用户段组成。　　GLONASS系统空间段星座由分布在3个轨道面上的24颗卫星组成，轨道高度19100km，轨道倾角64.8°。　　GLONASS系统地面控制段由GLONASS系统控制中心、遥测跟踪与控制站、数据上行站、监视与测量站、系统时间同步中心和激光跟踪站组成。　　按计划，GLONASS系统地面控制段由分布在原苏联全境的若干地面站组成，随着原苏联解体，GLONASS系统地面控制段只剩下分布在俄罗斯境内各地面站，其中系统控制中心与时间同步站位于莫斯科，遥测跟踪与控制站、监视与测量站等分别位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢茨克和共青城等地。　　目前，俄罗斯正在进行GLONASS系统地面控制段的现代化改造，以满足未来GLONASS系统现代化与星座卫星数量增加至30颗的要求。GLONASS地面控制段现代化改造的主要内容包括：新建6座监视与测量站(包括位于俄罗斯境外的站点)，并对现有地面段进行硬件与软件的改造与升级。<center></center>　　GLONASS系统用户段主要包括各种军民用用户设备与系统。俄罗斯高度重视GLONASS系统在保障国家安全与促进经济发展方面的作用，随着GLONASS系统的恢复，俄罗斯分别于2007年和2010年发布了关于俄罗斯境内卫星导航应用领域的法律与政策。相关法律与政策的主要内容是保证GLONASS系统应用在俄罗斯境内的主导地位，即必须使用GLONASS或GLONASS+兼容其它系统的民用用户设备，以促进GLONASS系统应用的发展。　　1.3 GLONASS卫星导航系统的空间段组成　　GLONASS导航卫星系统空间段由部署在3个轨道面上的24颗卫星组成，轨道面间夹角120°，每个轨道面8颗卫星，均匀分布，轨道高度19100km，轨道倾角64.8°，轨道周期11小时15分钟44秒。GLONASS系统星座见图3。<center></center>　　到目前为止，GLONASS卫星已经发展了2代3种型号，发射了120颗卫星。目前GLONASS系统在轨卫星27颗，其中23颗提供导航服务，1颗(新发射的GLONASS-K1卫星)正在进行测试，3颗卫星处于维护状态。GLONASS系统在轨情况见表9<center></center>　　1.4 GLONASS 卫星（有效载荷和能力的分析）　　与GPS卫星相比，GLONASS即大又重（图1），这是因为苏联/俄罗斯采用的是已有闪电系列通信卫星平台的成熟技术，再就是因为俄罗斯质子号火箭具有强大的运载能力。　　GLONASS卫星的主要参数如下：　　宽度/cm 101　　高度/cm 327　　质量/kg 1415　　太阳阵面积/m2 23.62　　功率/W 160　　GLONASS较GPS的先进之处是在卫星上安置了激光后向反射装置，这种激光反射阵由俄罗斯空间设备工程研究所制造。该反射阵为120cm×120cm，由396块6边型熔凝石英组成，每块熔凝石英尺寸如图 2 所示。　　卫星星上设备包括：星上导航发射机；时间器；控制组合；定向和稳定系统、修正系统、电源系统、热控系统；星上加注和环境保障设备；结构组件和电缆网。　　为了保证可靠性，导航卫星的基本系统进行了备份。　　星上时间器包括：频率的原子基准；同步频率和时标的形成装置。原子基准有3套，主要技术特性为：输出频率标称值5MHz；时标保持精度20ns；在一昼夜频率标准的相对不稳定度1～5×10-13；重207kg；功耗530W。　　需要特别指出的是，在1989年发射的卫星中，含有2颗专用于GLONASS星座轨道预报的测地卫星，称为ETALON-1，-2（图3）。　　卫星的主要参数为：　　卫星编号：8900103(ETALON-1)　　质量：1415kg　　外型：球型　　直径：129.4cm　　近地点高度：19400km　　远地点高度：19400km　　轨道倾角：64.8°　　半长轴：25478km　　寿命：无限期（理论） 　　ETALON卫星的主要作用是：　　1)改进地球高精度参考坐标系统和确定地球自转参数；　　2)确定长基线长度；　　3)改进地球重力场参数； 　　4)改进月心重力常数。　　根据该卫星测定和改进的各种参数，可以提高卫星星历预报精度，使导航卫星星历确定的精度在30小时内预报可达到20m（轨道方向），10m（轨道副法线）和5m（高度方向）。　　2）GLONASS卫星轨道参数　　卫星进入轨道预定点精度为：运行周期0.5s；纬度幅度1°；偏心率±0.01；轨道倾角±0.3°。　　轨道类型：圆轨道　　轨道高度：（18840～19440km）标称19130km　　轨道面：3　　卫星数目：24（满星座）　　轨道倾角：64.8°　　绕地周期：11小时15分钟44秒　　同步周期：17圈　　GLONASS卫星轨道的结构特点是高稳定性和在导航卫星整个寿命期内不要求进行补充的修正；在5年期间导航卫星相对于理想轨道位置最大偏差不超过±5℃，轨道面平均进动速度为0.59251×10-3rad/昼夜，这种结构保证了在最多6颗卫星同时出现故障时系统还可以保持其功能。在此种结构下，当纬度高于50°时GLONASS系统卫星的可用性比GPS系统高。　　(3)GLONASS卫星星上主要设备　　卫星星上设备主要包括：导航发射机，时间器，姿控系统，电源系统，温控系统等。　　星上导航发射机　　包括形成导航信号的设备和天线馈电装置，发射L1和L2两个波段的高度稳定无线电导航信号。其主要技术特性见表10。<center></center>　　L1发送标准精度（CT）信号和高精度（BT）信号，L2发送高精度（BT）信号。卫星之间采用频分多址方法加以识别。　　星上时间器的任务是：在卫星系统中连续发出高稳定同步频率；形成、保存和发出星上时标。其主要技术特性为：　　输出频率 5MHz（标称）　　时标保持精度 20ns　　在一昼夜相对不稳定度（1～5）×10-13　　重量 207kg　　功耗 530W　　GLONASS系统导航精度及测距误差见表11。<center></center>　　卫星由质子号火箭一箭3星发射。发射过程包括：航天器头部先发射到高度约200km的过渡圆轨道；再转移到近地点约200km、远地点19100km、倾角64.3°的椭圆轨道；最后转移到19100km的圆轨道。　　卫星进入到轨道上预定位置的过程为：确定轨道参数和形成变轨策略；发出修正脉冲，保证卫星相对标称轨道要求的偏移速度；卫星沿轨道在给定方向上被动运动；发出脉冲，保证卫星运动制动和卫星进入轨道预定位置；进行轨道参数测量。　　卫星系统完好性监测　　卫星星上系统自检。在卫星上可实现主要星上功能的连续自主监测。在发现这些系统正常功能受到不可防止的破坏，影响卫星信号质量和导航电文可信度时，在卫星上形成故障标志并发送给故障用户。从发现故障到发射相应标志的最大延时不超过1分钟。　　地面监测。卫星星上设备相应故障后导航场监测设备保证不晚于16小时在所有导航卫星历书中形成形成他的错误标志。上述2种方法都不能保证要求的检查完好性和通知用户的实时性。接收机完好性自主监测。用户接收机应用冗余导航信息，可以发现和识别出故障的导航卫星。　　1.5 GLONASS-M卫星　　GLONASS-M卫星的结构采用与GLONASS卫星相同的圆柱形密闭加压、承力筒式结构，星上仪器、天线馈线装置、指向系统仪器、太阳电池板驱动装置、推进单元和热控系统驱动装置等均安装在承力筒内部，GLONASS-M卫星采用经改进的天线馈线、星钟等，使卫星寿命增加到7年，并且在G2频段增加了新的民用导航信号。GLONASS-M卫星在轨展开示意图如图31所示。<center></center>　　GLONASS-M卫星是GLONASS卫星的改进系列，与现在运行的GLONASS卫星的主要区别体现在以下五个方面：　　（1）导航信号特性：　　频段，与原来比较向左偏移；　　L2的输出功率使原来的两倍；　　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、指出UTC时间刻度修正参数和导航数据的时间等信息。　　安装滤波器，消除的在1610.6-1613.8MHz和1660.0-1670.0MHz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50kg质量和350W功率，同时还预留了部分数据接口，可以适当地调节星上载荷。　　GLONASS-M卫星发射质量1,415kg，直径1.3m，展开后长度7.84m，展开后宽度7.23m，星钟稳定性1*10-13，电源功率1600W，设计寿命7年。俄罗斯已经采购了9颗GLONASS-M卫星，截止到2007年底，已经发射了13颗GLONASS-M卫星。GLONASS卫星和GLONASS-M卫星有两种发射方式，质子号加上面级进行一箭三星发射，联盟号加上面级一箭一星发射。GLONASS-M卫星只是一个过渡型号，计划工作至2013年，之后将全部为GLONASS-K卫星取代。　　卫星升级活动的内容包括：　　改进星上时钟，使星钟的稳定性达到1*10-13　　星上服务系统的升级　　升级星上计算机，修改星历算法　　改进GLONAS系统导航时间体系与UTC和GPS时间体系的关系　　转换为经协商一致的信号频率　　延长卫星寿命至7~10年　　引入星间测量，提高系统的自主导航能力。　　GLONASS-M卫星是俄罗斯解决GLONASS系统星座退化，并向现代化的GLONASS-K卫星发展的过渡型号。目前GLONASS-M卫星已经完成了恢复GLONASS系统星座，改善服务性能，提供全球覆盖的目标。<center></center>　　1.6 GLONASS-K卫星（有效载荷和能力的分析）GLONASS-K是新一代GLONASS卫星，卫星重量995kg，设计寿命长达10年，定位精度将达到5m，在GLONASS现代化计划中占有极其重要的位置。GLONASS-K卫星见图32。<center></center>　　GLONASS-K卫星摒弃了GLONASS卫星一贯采用的充气、承力筒式结构，选择、采用俄罗斯斯应用力学科研生产联合体为地球静止轨道通信卫星开发的“快车-1000”(EXPRESS-1000)平台，从而使GLONASS-K卫星与之前的GLONASS卫星相比，从根本上发生了变化。　　“快车-1000”为三轴稳定的地球静止轨道通信卫星平台，采用框架式结构，平台干质量513kg，平台质量600kg，有效载荷质量250kg，卫星质量800~900kg，姿态控制精度0.1°，位置保持精度0.05°，太阳电池功率3600W，有效载荷功率最高可以达到2000W，设计寿命高达15年。对GLONASS-K卫星而言，最为重要的是“快车-1000”平台已经经历了严酷太空环境的考验，是一个成熟的、可靠的卫星平台。　　“快车-1000”平台的优异性能为GLONASS卫星的发展奠定了坚实的基础。根据俄罗斯2001年批准的GLONASS系统2002~2011年发展规划，GLONASS-K卫星的民用信号将增加至3个，以增强GLONASS系统在民用市场的竞争能力。然而，随着欧美关于GPS与伽利略系兼容性与互操作性协议的签署，俄罗斯发现GLONASS系统导航信号采用的频分多址方式制约或限制了其兼容性和互操作性的实现。　　2008年2月15日，俄罗斯宣布GLONASS系统将增加两个码分多址(CDMA)信号，均采用二元偏置载波调制方案，第1个信号中心频率1575.42MHz(与GPS的L1频段信号中心频率相同)、调制方式为BOC(2,2)，第2个信号中心频率1176.45MHz(与GPS的L5频段信号中心频率相同)、调制方式为BOC(4,4)。从而使GLONASS系统与GPS、伽利略系统具有更好的兼容性和互操作性，使GLONASS系统更好地融入全球卫星导航体系。<center></center>　　GLONASS-K卫星可以利用安装Breeze-M助推器的质子-M运载火箭一箭6星发射，也可以利用安装Fregat助推器的联盟-2号运载火箭一箭二星发射，如图15所示。　　GLONASS-Ｋ卫星主要特征如下：　　（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（1164~1215MHz）。　　（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。2010年，俄罗斯再次调整GLONASS系统现代化计划，其主要内容为GLONASS-K分为2个型号，即GLONASS-K1和GLONASS-K2。GLONASS-K1为试验卫星，GLONASS-K1采用经改进的星钟，稳定度达到5×10-14，将极大地提高GLONASS系统导航、定位与授时性能。同时GLONASS-K1在L3频段增加了民用CDMA信号L3OC，这是GLONASS系统采用的首个CDMA信号，对GLONASS系统信号的发展与演变具有重要影响。　　GLONASS-K2是GLONASS-K1卫星的改进型号，首颗卫星计划于2013年发射，以充分发挥GLONASS-K1在轨测试与验证的作用，改进、完善卫星。　　GLONASS-K2卫星星钟系统的稳定度将达到1×10-14，同时再增加3个CDMA信号，分别为：L1频段的民用信号L1OC和军用信号L1SC，L2频段的军用信号L2SC，使GLONASS-K2卫星CDMA信号的数量达到4个，即2个民用信号，2个军用信号。　　同时，GLONASS-K卫星改善了卫星姿态控制精度和太阳帆板指向精度，增加了搜索救援(Cospas-Sarsat)有效载荷，可用于全球搜索与救援服务。　　此外，俄罗斯正在研制GLONASS-KM卫星，计划于2015年进行首次发射。GLONASS-KM卫星将再增加4个CDMA信号，包括1个军用信号和3个民用信号，其中L1OCM为与GPS、伽利略的互操作信号。　　GLONASS系统的最大特点是采用与GPS等系统完全不同的FDMA的信号调制方式，这也是俄罗斯一直宣称的GLONASS系统具有更强的抗干扰能力的重要基础。然而，也正是这一原因，使GLONASS系统需要面对互操作性等方面的挑战，并对GLONASS系统在全球民用市场的竞争能力构成影响。因此，新的导航信号就成为GLONASS系统现代化计划的重要内容。GLONASS系统导航信号演变见表13。<center></center>　　从表13可以看出，CDMA信号的引入是分步实施的，即首先利用GLONASS-K1卫星验证L3OC信号及相关有效载荷；经2~3年的验证后，在GLONASS-K2中引入L1OC、L1SC和L2SC，使GLONASS-K2卫星的CDMA信号数量达到4个，其中2个民用信号，2个军用信号，保证军、民用户皆可实施双频导航，从而提高定位、导航精度。最后，在GLONASS-KM中再引入4个CDMA信号，即3个民用信号L1OCM、L2OC和L5OC，1个军用信号L3SC，其中L1OCM为GPS、伽利略互操作信号，L5OC为GPS互操作信号。使GLONASS-KM卫星的CDMA信号达到8个，其中民用信号5个，军用信号3个。如果加上GLPNASS原有的2个FDMA军用信号和2个FDMA民用信号，GLONASS系统信号数量达到12个，5个军用信号，7个民用信号，将可能成为拥有导航信号最多的系统。　　导航信号的现代化是俄罗斯GLONASS系统现代化最重要的组成部分，是提高GLONASS系统民用市场竞争能力的重要措施，是GLONASS系统参与全球民用市场竞争的重要基础。

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