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GLONASS 贡献者：mjei 浏览：7179次创建时间：2009-06-08: 洛纳斯　　“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

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系统简介
系统组成
技术难点
研制历程
技术改进
应用范围
伽利略、GLONASS和GPS对比

　　
[编辑本段]系统简介
　　　数量：24颗卫星组成；
　　　精度：10米左右；
　　　用途：军民两用；
　　　进展：目前已有17颗卫星在轨运行，计划2008年全部部署到位。
　　
　　导航电文的内容：星历、星钟和utc的时差、时间标记、glonass历书
　　全球导航卫星系统（GLONASS）是由苏联（现由俄罗斯）国防部独立研制和控制的第二代军用卫星导航系统，与美国的GPS相似，该系统也开设民用窗口。GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GLONASS在定位、测速及定时精度上则优于施加选择可用性（SA）之后的GPS，由于俄罗斯向国际民航和海事组织承诺将向全球用户提供民用导航服务，并于1990年5月和1991年4月两次公布GLONASS的ICD，为GLONASS的广泛应用提供了方便。GLONASS的公开化，打破了美国对卫星导航独家经营的局面，既可为民间用户提供独立的导航服务，又可与GPS结合，提供更好的精度几何因子（GDOP）；同时也降低了美国政府利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，因此，引起了国际社会的广泛关注。
　　“格洛纳斯”系统标准配置为24颗卫星，而18颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务。该系统卫星分为“格洛纳斯”和“格洛纳斯－M”两种类型，后者使用寿命更长，可达7年。研制中的“格洛纳斯－K”卫星的在轨工作时间可长达10年至12年。
[编辑本段]系统组成
　　由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。
　　1.GLONASS星座
　　GLONASS星座由21颗工作星和3颗备份星组成，所以GLONASS星座共由24颗卫星组成。24颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度，轨道高度1.91万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度
　　2 地面支持系统
　　地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理，地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了，系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科，遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。
　　3 用户设备
　　GLONASS用户设备(即接收机)能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS系统绝对定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。
　　与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625K(MHZ)和L2=1,246+0.4375K(MHZ)，其中K=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHZ和L2=1227.6MHZ。
　　GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。
　　GLONASS系统单点定位精度水平方向为16M，垂直方向为25M。
　　GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400KG，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。
　　为进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为GLONASS-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到10～15M，定时精度提高到20～30NS，速度精度达到0.01M／S。
　　另外，俄计划将系统发播频率改为GPS的频率，并得到美罗克威尔公司的技术支援。
　　GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。
[编辑本段]技术难点
　　　1．目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，在轨卫星只12颗；
　　2．GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；
　　　3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；
　　4．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。
[编辑本段]研制历程
　　1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称，多功能的GLONASS系统定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒。如果必要，该系统还可用来为精确打击武器制导。
　　GLONASS一开始就没有加SA干扰，所以其民用精度优于加SA的GPS。不过，其应用普及情况则远不及GPS，这主要是俄罗斯没有开发民用市场。另外，GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网，在轨可用卫星少，不能独立组网。
　　2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动，迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。近日，俄罗斯空间系统科学研究所所长孟什可夫对记者说，3年前GLONASS经历了最糟糕的时期，当时只有8~10颗卫星在工作，而要该系统发挥完全的作用，需要有24颗卫星。现在只有11颗卫星处于工作状态，但是要使该系统具有军用价值，在轨道上至少要有18颗星。俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。为此，俄罗斯航宇局正试图吸引外资。按航宇局局长科普捷夫的说法，正在和包括中国在内的国家和组织进行商谈来共同恢复GLONASS。希望到2011年该系统将完全恢复。
　　专家认为，当这个系统的卫星达到18颗时，GLONASS便可发挥导航定位功能；当卫星总数达24颗时，其导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间。届时，GLONASS系统的用户便可不间断地获得地面、水面、天空、近地空间内相关物体的准确坐标信息。按照计划，俄将于2006年之前将该系统的24颗卫星全部部署完毕。
　　2003年9月24日，是俄联邦政府总统正式宣布俄罗斯GLONASS系统开始服役的十周年纪念日。
　　事实上，GLONASS在1993年只是具备了初始作战能力。直到1995年末1996年初GLONASS才真正实现了完整星座的部署。GLONASS的第一颗卫星是1982年发射入轨的，同年还发射了两颗同轨道(19100千米)的Etalon geodetic卫星，对规划的高度和倾角的地球引力场特性进行全面表征。原计划1991年建成完整的工作系统。
　　GLONASS的工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。这三个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度。每颗卫星都在19100千米高、64.8度倾角的轨道上运行。每颗卫星需要11小时15分钟完成一个轨道周期。
　　地面控制部分全部都位于前苏联领土境内，地面控制中心和时间标准位于莫斯科，遥测和跟踪站位于圣彼得堡、Ternopol、Eniseisk和共青城。
　　1960年晚些时候，俄罗斯军方确认需要一个卫星无线电导航系统(SRNS))用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时已有的Tsiklon卫星导航系统接收站需要好几分钟的观测才能确定一个位置，因此不能达到导航定位的目的。1968-1969年，国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。1970年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后，在1976年，前苏联颁布法令建立GLONASS(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。
　　GLONASS卫星星座基本上一直处于降效运行状态，只有8颗卫星是全功能工作的。90年代曾经制定过一个GLONASS星座渐进增强计划，企图在2001年开始有12颗全功能工作的卫星，但根据最新情报，目前仍然只有8颗全功能工作的卫星。
　　俄罗斯目前正在着手GLONASS系统现代化的工作。俄罗斯太空部队打算开始进行新一代GLONASS-M计划的飞行试验，发射将在2004年左右进行。新型GLONASS-M卫星除了将有更长的设计寿命(从现行的3年提高到7-8年)以外，还将具有更好的讯号特性。俄罗斯还计划要在将来转变到低质量(MASS)第三代GLONASS-K卫星，确保卫星工作寿命在10年以上。
　　GLONASS卫星星座目前基本上处于降效运行状态。俄罗斯正在着手GLONASS系统现代化的改进工作。新型GLONASS-M卫星除了将设计寿命从现行的3年提高到7～8年以外，还将具有更好的讯号特性。第3代GLONASS-K卫星的工作寿命将在10年以上，俄拟在2005年开始设计名为GLONASS-K的第3代GLONASS卫星。
　　GLONASS的研制开始于70年代中期，历经20多年的曲折历程，虽然曾遭遇了前苏联解体，俄罗斯经济不景气，但始终没有中断过系统的研制和卫星的发射。终于1996年1月18日实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航信号，使系统达到了一个重要的里程碑。
　　GLONASS工作测试开始于苏联1982年10月12日发射第一颗试验卫星，整个测试计划分两个阶段完成。
　　第一阶段（1982-1990年）
　　
　　到1984-1985年，由4颗卫星组成的试验系统达到验证系统的基本性能指标。空间星座从1986年开始逐步扩展，到1990年系统第一阶段的测试计划已经完成，当时空间星座已有10颗卫星，布置在轨道面1（6颗）和轨道面3（4颗）上。该星座每天至少能提供15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可达8小时。
　　第二阶段（1990年-1995年）
　　GLONASS测试计划的第二阶段主要完成对用户设备的测试，随着空间星座1996年1月18日最终布满24颗工作卫星而告结束。随后系统开始进入完全工作阶段。
　　GLONASS由空间卫星系统（即空间部分）、地面监测与控制子系统（即地面控制部分）、用户设备（即用户接收设备）三个基本部分组成。
　　GLONASS空间星座由24颗卫星组成，卫星有六种类型：BlockⅠ,BlockⅡa, BlockⅡb, BlockⅡ以及正在研制中的下一代改进型卫星GLONASS-MⅠ和GLONASS-MⅡ。每颗GLONASS卫星都在L波段上发射两个载波信号L1和L2，民用码仅调制在L1上，而军用码在（L-1和L2）双频上，GLONASS采用频分多址（FDMA）区分卫星信号。
[编辑本段]技术改进
　　为了提高系统完全工作阶段的效率和精度性能、增强系统工作的完善性，已经开始了GLONASS系统的现代化计划。主要内容如下：
　　改善GLONASS与其它无线电系统的兼容性；
　　改进卫星子系统；
　　改进地面控制系统；
　　配置养分子系统。
　　1．改频计划
　　GLONASS采用频分制，24颗卫星L1信号的总频带宽度为1602～1615.5±0.51MHz。显然该频段的高端频率与传统的射电天文频段（1610.6～1613.8MHz）重叠。另外ITU WARC-92又决定将1016-1626.5MHz频段分配给低地球轨道（LEO）移动通信卫星使用，因此要求GLONASS改变频率，即让出高端频率。
　　1993年9月俄罗斯作出响应，决定在同一轨道面上相隔180°（即在地球相反两侧）的两颗卫星使用同一频道。于是，在仍保持频分多址的情况下，系统总频道数可减少一半，因而可让出高端频率。
　　应该指出，在改频计划第Ⅰ和第Ⅱ阶段，不排除在新发射的卫星上使用-7～+4中的频道，并装上滤除1610.6～1613.8MHz和在（第Ⅲ阶段及其以后的发射卫星再装上）1060～1670MHz的滤波器，以消除强的带外干扰。此外，为了保持L2与L1的间隔，改频计划还包括对L2信号频率（按L2/L1=7/9）作相应的改变。
　　在1996年12月的有关会议上，美国的代表要求俄罗斯加快实施GLONASS的改频计划，并希望俄罗斯能在2000年完成。而俄罗斯的代表仍坚持原计划不能改变，因为改变计划受到因此要升级卫星和其它设备的限制。
　　解决GLONASS信号与其它电子系统相互干扰的另外一种有效办法是使GLONASS象GPS那样，使用码分多址（CDMA），即所有卫星均采用相同的发射频率，该频率可以很接近GPS的或者就用GPS的频率。这样，两个系统的兼容问题可大大改善，并使某些干扰问题降到最小。据报道，美国洛克韦尔公司决定协助俄罗斯改进GLONASS。其一是将GLONASS的频率改为GPS的频率，便于世界民用。此项计划将耗资470万美元。
　　2．下一代改进型卫星和未来的星座
　　从1990年起，俄罗斯就开始研制下一代改进型卫星，GLONASS-MⅠ，重约1480kg 。这种新型卫星将进一步改进星上原子钟，提高频率稳定度和系统的精度，更为重要的是它的工作寿命可以达到5年以上，这对确保GLONASS空间星座维持21-24颗工作卫星发射信号至关重要。1995年按计划对GLONASS-MⅠ进行了全面的地面测试，并计划在1996年第三季度进行首次这种卫星发射。这次发射将携带两颗BlockⅡV卫星和一颗GLONASS-MⅠ卫星。以后MⅠ型卫星将作为替补卫星，一直用到2000年。
　　近期，俄罗斯正准备研制一种工作寿命可达7年的更大（其重约达2000kg）和功能更强的GLONASS-MⅡ型卫星。除了对星上子系统作重要改进外，还将增加星间数据通信和监视能力，因而可自主运行长达60天。MⅡ卫星还将发射第二个民用频率，以便消除电离层对民用定位精度的影响。预计，这些MⅡ型卫星将在2000年以后发射。
　　另外，GLONASS计划的管理者正在考虑把未来空间星座卫星总数增至27颗，即在原每个轨道面上均布8颗工作卫星外，各轨道面上再增加1颗在轨备用卫星。
　　3．地面控制部分的改进
　　地面控制部分的改进包括改进控制中心；开发用于轨道监测和控制的现代化测量设备；改进控制站和控制中心之间的通信设备。这些改进项目完成后，可使星历精度提高30-40%，可使导航信号相位同步的精度提高1～2倍（15ns），以及可降低伪距误差中的电离层分量。
　　4．差分增强系统
　　为了进一步提高GLONASS的精度，以满足三个类别的飞机精密进场/着陆的要求，俄罗斯正计划开发以下三种差分增强系统。
　　（1）广域差分系统（WADS）。它包括在俄罗斯境内建立3-5个WADS地面站，可为离站1500～2000km内的用户提供5-15m的位置精度。
　　（2）区域差分系统（RADS）。在一个很大的区域上设置多个差分站和用于控制、通信和发射的设备。它可在离台站400～600km的范围内，为空中、海上、地面以及铁路和测量用户提供3-10m的位置精度。
　　（3）局域差分系统（LADS）。它采用载波相位测量校正伪距，可为离台站40km以内的用户提供10cm量级的位置精度。 LADS台站可以是移动系统，还可能用地面小功率发射机--伪卫星来辅助。
　　另外，还制订了一个更大范围的包括独联体各国的统一的联合国家分系统（UDS）。该系统预计在1998-2000年建成，届时将为独联体的所有国家提供精密导航定位服务。
[编辑本段]应用范围
　　卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，GLONASS与GPS一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。另外，卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS的出现，打破了美国对卫星导航独家笼断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，从而提高定位精度。
[编辑本段]伽利略、GLONASS和GPS对比
　　目前，世界上正在运行的全球卫星导航定位系统主要有两大系统：一是美国的GPS系统，二是俄罗斯的“格鲁纳斯”系统。近年来，欧洲也提出了有自己特色的“伽利略”全球卫星定位计划。因而，未来密布在太空的全球卫星定位系统将形成美、俄、欧操纵的GPS、“格鲁纳斯”、“伽利略”三大系统“竞风流”的局面。
　　GPS独占鳌头
　　
　　GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。它们分布在6个等间距的轨道平面上，轨道面相对赤道的夹角为55度，每个轨道面上有4颗工作卫星，卫星的轨道接近圆形，轨道高度为2.01836万公里，周期约12小时。GPS能覆盖全球，用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。精码给出的定位信息比粗码的精度高。GPS系统能够连续、适时、隐蔽地定位，一次定位时间仅几秒到十几秒，用户不发射任何电磁信号，只要接受卫星导航信号即可定位，所以可全天候昼夜作业，隐蔽性好。
　　GLONASS不甘落后
　　俄罗斯GLONASS卫星定位系统拥有工作卫星21颗，分布在 3个轨道平面上，同时有3颗备份星。每颗卫星都在1.91万公里高的轨道上运行，周期为11小时15分。因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，现只有8颗卫星能够正常工作。GLONASS的精度要比GPS系统的精度低。为此，俄罗斯正在着手对 GLONASS进行现代化改造，12月就发射了3颗新型“旋风”卫星。该卫星的设计寿命将为7～8年（现行卫星寿命为3年），具有更好的讯号特性。
　　GLONASS与GPS有许多不同之处：
　　一是卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。
　　二是坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。
　　三是时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。
　　“伽利略”后来居上
　　“伽利略”系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，预计2008年系统建成并投入运营。按照规划，“伽利略”计划将耗资约27亿美元，星座由30颗卫星组成。卫星采用中等地球轨道，均匀地分布在高度约为2.3万公里的3个轨道面上，星座包括27颗工作星，另加3颗备份卫星。系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。“伽利略”接收机不仅可以接受本系统信号，而且可以接受GPS、“格鲁纳斯”这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合、与其他导航系统相结合的优越性能。
　　“伽利略”系统与GPS系统的主要区别在于：
　　
　　“伽利略”系统确定地面位置或近地空间位置要比GPS精确10倍。其水平定位精度优于10米，时间信号精度达到1 00纳秒。必要时，免费使用的信号精确度可达6米，如与GPS合作甚至能精确至4米。一位电子工程师举例说明了这个区别：“如今的GPS只能找到街道，而‘伽利略 ’系统则能找到车库门。”