评述：俄罗斯全球导航系统将何去何从

http://www.sina.com.cn 2004年10月14日 15:38 科学网

　　1957年10月4日 前苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。苏联的研究人员开始在已知坐标位置的观测点上测量这颗卫星转发器频率的多普勒频移，从而确定它的运动参数。这个问题的逆问题就是：已知人造地球卫星的坐标位置，根据测量到的多普勒频移找到观测点的坐标。这个逆问题显而易见就是导航问题。

　　由俄罗斯国防部控制建成全球导航卫星系统，称为GLONASS，是一种星基定位、测速

和授时系统，耗资30多亿美元。从20世纪70年代中期开始研究和设计，历时20多年，已发射76颗GLONASS卫星。由于前苏联的解体造成经济困难，致使继续发射导航卫星补网出现困难，原来的在轨卫星又陆续退役，系统一度陷入低迷状态，直至1998年再度开始更新升级，分别于1998年12月和2000年10月又各发射3颗卫星，目前只有9颗在轨卫星可用，不能自己独立组网。

　　GLONASS出现的技术基础条件

　　创建前苏联的导航卫星系统的工作是在20世纪60年代中期开展的，在1967年11月27日发射入轨了第一颗前苏联的导航卫星“宇宙-192”。1968年，前苏联建立类似子午仪系统的“奇卡达”卫星导航系统。上述系统及技术开辟了前苏联导航技术和能力的新纪元。

　　1979年交付使用的第一代“蝉”导航系统由四颗导航卫星组成。“宇宙”号导航卫星是混编在“宇宙”号系列中的前苏联低轨道导航卫星和中高轨道导航卫星系列，它们的轨道和导航体制分别类似于美国的“子午仪”卫星导航系统和“导航星”全球定位系统。在导航信号中所传递的星历误差的精度几乎提高了一个数量级，这样，一昼夜预报的精度误差约为70～80米，对于海上船只确定自身位置的均方根误差减小到80～100米。

　　为了让用户用非询问方法得到三维坐标，需要用至少四颗卫星进行导航参数的测量，这时用户在确定三个坐标位置的同时还能确定自己的时钟与卫星系统时标的偏差。

　　根据导航定位原理，要选择一种这样的卫星星座结构，保证在任何时间、处于地球上任意一点的用户同时接收的无线电信号来自四颗以上卫星。为保证用户的可见卫星不少于四颗，系统中卫星的总数应该为18颗，但实际上增加到了24颗。这是为了提高定位和测速精度而设计的，让用户在所接收到的卫星中有可能选择保证更高精度的四颗。

　　上述工作构成了卫星导航系统出现和建设的最基本条件。除此以外，核心问题还有，星上时标的相互同步精度要达到1纳秒以上，因为导航卫星信号发射产生10纳秒的不同步会导致用户定位精度误差增大到10～15米。

　　创建高轨道导航系统的另一个核心问题为，需要高精度地确定和预报导航卫星的轨道参数。

　　上述研究工作，是GLONASS研制的技术基础。

　　与GPS的异同

　　GLONASS旨在为航海和航空提供导航服务，而且很多性能和GPS相同。特别是，按设计空间满星座24颗卫星，分布于3个轨道平面，轨道面间隔为120°，每个轨道面均匀分布8颗卫星，即在一个轨道面上卫星间隔为45°。显然，这种轨道配置可使全球任何地方的用户都能具有导航定位所需要的最少4颗可用卫星。实际上，仅从几何角度考虑，当全部投入运行时，GPS和GLONASS两个系统都会使用户在每天的大部时间内有8～9颗卫星可供使用。若将GPS和GLONASS两个导航资源合并应用，就会有比单独使用任一系统时多达一倍卫星数提供给导航服务。

　　但GLONASS也有与GPS不同或有差别的地方。

　　一是GPS采用码分多址(CDMA)体制、而GLONASS采用频分多址(FDMA)体制，码数率是GPS的一半频分多址体制跨越国际标准，所以被迫作长达13年的卫星信号载频改变措施，至2005年以后才能完全实现1598.0625～1604.25MHZ和1242.9375～1247.75MHZ两个频段作为卫星的频分多址。

　　二是GPS有6个轨道面，每个轨道面上有4颗MEO卫星，共应有在轨卫星24颗。GLONASS有3个轨道面，每个轨道面上有8颗卫星，在每个轨道面上卫星间隔45°共有24颗卫星。

　　三是GPS从一开始就采用了双用途政策，实行军民联动，即竭力保持美国在军事上的优势，又谋取经济上的最大利益，所以一直重视民用。而前苏联GLONASS的应用远不如GPS，既失去了市场，又制约了发展，它虽然也是军民两用系统，但由于传统思维模式束缚，军转民过慢过迟，对民用开展不够重视与不够放手。

　　四是GLONASS卫星平均寿命短，一般在3年左右，后期增长至5年，寻求其原因，可能是星上原子钟等设备，特别是电子设备的寿命与可靠性问题。

　　五是俄罗斯GLONASS全球导航卫星系统应急信标机发出的呼救信号，经地面台站处理可获得遇难者的位置信息。

　　困境

　　GLONASS系统面临的最大问题是资金短缺，甚至维持导航卫星星座的正常运行也困难。其计划改进型卫星GLONASS-M平均寿命增长到7年，民用频率将由1个增加到两个，正在对外寻求合作以弥补经费不足。

　　由于苏联的解体、政府财政支持困难等原因，造成GLONASS的发展缓慢，设备陈旧。直到2001年8月，GLONASS导航卫星星座计划才有了新的转机，被搁置6年之后的导航系统终于又重获得了俄罗斯政府的财政支持承诺。2001年12月1日，俄罗斯联邦成功发射了3颗采用新一代设计的更高精度的GLONASS补网卫星，以期进一步推动GLONASS导航系统优化。截止到目前，GLONASS在轨实用卫星的数量为9颗。第二代卫星GLONASS-M虽然性能可靠，但价格也不菲，约是第一代卫星成本的2倍，进一步完善系统性能需要提供强大的资金支持。而且随着GLONASS-M星发射数量逐步增加，每年会呈递增的趋势，仅GLONASS系统性能的维护费用每年大约需要3900万美元，所以俄罗斯迫切寻求国外合作伙伴，为强大的导航系统奠定良性发展的基础。

　　何去何从

　　“导航星”全球定位系统是利用卫星进行导航的系统，是一种很有发展前途的导航系统。为改善抗干扰能力和动态特性，“导航星”全球定位系统可与惯性导航系统形成组合导航系统。

　　目前，第三代卫星GLONASS-K的设计方案也正在开发研制当中，预计在2005年发射运行，可将该卫星的在轨寿命延长到10年。俄方设计师表示，该系统在2002年和2003年间由旧的系统向新的系统过渡，并于2006年之前具备实用能力，恢复完全工作状态。最新的一份GLONASS计划要求在2003年以前部署12颗实用卫星，2005年增加到18～20颗卫星。据俄罗斯卫星开发商NPO PM公司称，全实用24颗卫星星座有望在2005～2007年以后实现。

　　1990年和1991年俄政府两次公开GLONASS的接口控制文件(ICD)，向全球用户提供民用导航服务，从而打破了美国对卫星导航独家垄断经营的局面。GPS和GLONASS就实际性能而言是可以相比拟的，在航空航天领域仍占据半边天的俄罗斯在艰苦的条件下仍旧可以做出超一流的全球卫星导航系统。俄罗斯和乌克兰官方在参加2001年12月国际宇航联合会的空间政策论坛时表示，希望在GLONASS计划中的经验能帮助他们与欧洲伽利略卫星导航系统签定合同。ESA和欧洲委员会官员就有关伽利略计划的合作问题与俄罗斯进行了磋商。欧洲方面表示，计划到2006年运行的伽利略系统不仅与GPS，而且能与GLONASS兼容，进行互操作。看来，世界需要多元化的合作，只有联合起来，才能更实惠于民众。

　　在GPS全面开发应用的背景下，GLONASS的生存和应用情况相形见绌，GLONASS何去何从让世人牵挂。

　　(作者单位：中科院国家天文台)