GLONASS 发展现状与展望.docx

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GLONASS发展现状与展望

GLONASS发展现状与展望

一、GLONASS技术沿革

俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）与美国GPS系统几乎同时起步，但经历了漫长而曲折的发展过程，GLONASS系统的组网建设远落后于GPS。

随着近年来经济的复苏与卫星导航系统战略性地位的提升，俄政府加大了GLONASS工程的资金投入力度，使其得到快速复苏，目前成为全球第二大卫星导航系统。

1982年第一颗GLONASS卫星发射成功，至1995年底，GLONASS导航星座组网卫星数量超过24颗。

俄罗斯政府于1996年宣布GLONASS全球卫星导航系统正式建成。

从2003年开始，GLONASS系统进入全面升级阶段，寿命更长、通讯系统更为稳定的新型GLONASS-M卫星陆续发射并入轨运行，进入2010年后，5颗GLONASS-M卫星的发射成功标志着新一代GLONASS系统正式完成组网建设。

2011年，具有更轻便体积和更长久寿命的GLONASS-K1卫星的发射标志着GLONASS系统进入了第三代发展阶段。

随后该颗卫星播发的码分多址（CDMA）信号被地面检测站首次捕获，使得GLONASS的信号编码方式实现了重大转变，并在2011年底实现了全球覆盖能力。

截至2018年9月，GLONASS系统星座共包含26颗在轨卫星，其中24颗卫星运行在工作状态，1颗卫星处于维护状态，１颗卫星正在进行飞行参数测试，24颗工作卫星均匀分布在3个近圆形轨道面上，每个轨道面有8颗卫星运行，与赤道间的轨道倾角为64.8°，每两个轨道面之间的夹角为120°，同一个轨道面上的卫星之间相隔45°．GLONASS系统的轨道高度约为19100km，运行周期约为11h15min。

GLONASS卫星2018年9月259：

45UTC卫星位置如图1所示。

图1GLONASS卫星实时位置（2018.9.259：

45UTC）

表3GLONASS卫星星历信息

随着第三代GLONASS系统的发展，GLONASS-K卫星已具有播发CDMA信号的能力，这将有效升级GLONASS系统的定位精度与测距范围，还将提高GLONASS系统的鲁棒性及冲突防护能力，并且能够更好的与其它GNSS系统之间实现兼容与互操作。

今后发射的GLONASS卫星都将广播CDMA信号，同时保留原有的FDMA信号。

随着系统组网星座的全面建成与现代化进程的推进，GLONASS的定位精度不断提高，早已超越了第一代GLONASS设想的参数标准。

最近5年来GLONASS的定位精度几乎提高了一个数量级，从大约35m提高到5m以内。

2011年，在地面增强系统的辅助下，GLONASS系统在俄罗斯本国境内的定位数据精度已经达到0.5m。

二、GLONASS现代化

GLONASS的危机引起了俄政府的重视，俄总统普京表示，“出于国家安全战略的考虑，俄罗斯应该使用本国的GLONASS，而非美国的GPS或者是欧洲的GALILEO导航系统”。

2001年8月20日，俄罗斯政府批准了GLONASS2002～2011年发展计划，拉开了GLONASS系统恢复和现代化的序幕。

GLONASS现代化包括卫星现代化、地面控制区段现代化以及开展国际合作等，特别是包括GLONASS卫星信号在内的整体性能的提高。

2003年12月10日，第一颗GLONASS-M卫星入轨运行，并于2004年12月8日开始向用户发送导航定位信号，这标志着GLONASS现代化迈出了坚实的第一步。

GLONASS的卫星现代化包括：

（1）2003年开始发射第二代GLONASS卫星：

GLONASS-MI卫星和GLONASS-MII卫星。

第一代GLONASS卫星寿命只有三年左右，时间精度为3×10－13s～5×10－13s，提供一个民用信号。

较第一代GLONASS卫星而言，GLONASS-M卫星寿命更长，可达七年，时间精度也更高，达到1×10－13s，并且在L2上增发了第二民用信号。

GLONASS-M卫星频道号逐步由K=1…24调整为K=－7…6。

由于频道号的限制，GLONASS为同一轨道面对径上的两颗卫星分配了同一个通道号。

地面接收机不需要同时跟踪这两颗卫星，但空基接收机必须通过一定的判别方法，如多普勒频移检查等，区分轨道面对径上的两颗卫星。

对于GLONASS-M卫星，空基接收机还可以通过电文中的在轨卫星编号予以判别。

GLONASS-M卫星的导航电文较第一代卫星在内容上更为丰富，还增加了星上电文完整性检验标志、时间系统转换等相关参数。

（2）2010年12月开始研发第三代GLONASS导航卫星———GLONASS-K1卫星。

较GLONASS-M卫星而言，GLONASS-K1卫星寿命进一步延长，可达十年，时间精度也进一步提高，可达5×10－14s～1×10－13s，并且增加了L3OC信号（L3载频上码分多址（CDMA）体制的第三民用信号）。

第一颗GLONASS-K1卫星已于2011年2月26日发射升空，截至2013年4月，该卫星仍处于飞行测试阶段。

2014～2017年发射的GLONASS-M卫星也将增加L3OC信号。

（3）分别于2015和2025年开始发射更新一代的GLONASS-K2卫星和GLONASS-KM卫星，增强系统的整体功能，扩大GLONASS应用领域，提高GLONASS与GPS的竞争能力。

GLONASS-K2卫星将在L1、L2载频上发射CDMA信号，加上L3OC信号，民用信号将达到5个。

K2卫星将从2017年起逐步替代现有的M卫星。

KM卫星载频数量将达到6个，民用信号达到8个（2个频分多址（FDMA）信号：

L1OF、L2OF，6个CDMA信号：

L1OC、L2OC、L3OC、L1OCM、L3OCM、L5OCM）。

地面控制区段现代化包括：

改善地面控制设施，增加卫星监测站；改善卫星时钟的稳定度；改善动力学模型；改进时间保持系统。

此外，俄罗斯还通过与美国、欧盟及中国等国的合作，使GLONASS与GPS、GALILEO及北斗系统具有较好的兼容性。

三、GALILEO发展现状与展望

伽利略（Galileo）卫星导航系统是欧盟正在建设中的全球导航定位系统，它是世界上第一个完全向民用开放的具有商业性质的卫星定位系统，既能够为民众提供高精度导航信号，又可以提供给政府和军方高度安全的加密信号。

随着欧盟有关部门的大力支持，Galileo正以高速发展的趋势进入国际GNSS市场，并将与GPS、GLONASS和北斗卫星导航系统实现兼容与互操作。

2003年起Galileo系统工程建设开始实施，2005年与2008年，欧盟先后将两颗用于考察系统关键技术的试验卫星GIOV-A与GIOV-B送入太空轨道，按照计划，此后会有４颗工作卫星发射升空并进行在轨运行试验，它们将在2012年前重点验证系统空间段与地面段的基本功能实现。

验证阶段完成后，Galileo系统的其它26颗卫星将陆续发射升空并在轨运行，完成Galileo星座部署，预计在2014年形成一个具有开放服务功能的初步系统，并于2018年前后建成具有完全工作能力的全球导航定位系统。

Galileo系统的组网星座包括30颗卫星，其中27颗卫星为工作星，其余3颗为备份星，这些卫星均匀分布在3个中高度轨道面上，每个轨道面都部署9颗工作星和1颗备份星，3个轨道面相隔120°，轨道高度为23616km，倾角为56°，卫星运行周期为14h4min。

虽然Galileo系统的星座规划为30颗卫星，但目前为止只有建造18颗卫星的资金，其余12颗卫星的建造资金还未得到落实。

Galileo卫星采用码分多址（CDMA）（简称为L1）频段。

每颗Galileo卫星均可播发6种不同的导航信号：

E5A、E5B、E6C、E6P、L1F及L1P。

Galileo系统提供4种导航服务和1种搜索救援服务，其中导航服务包括了1种免费的

开放服务和其它3种付费授权服务，它们分别是：

Ø开放服务OS（OpenService）；

Ø商业服务CS（CommercialService）；

Ø公共管理业务PRS（PublicRegulatedService）；

Ø生命安全服务SoL（SafetyofLifeService）；

Ø搜救业务SAR（SearchandRescueService）。

Galileo导航系统的星座布局与GPS和GLONASS类似，也是使用中高轨道（MEO）的星座组网，但整个系统设计为额定状态下由30颗卫星参与组网，这就大大增加了卫星的数量，使得星座结构得到一定改善，进而向用户提供具有更高精度系数的定位服务。

在Galileo项目计划中提出，即便使用的是免费的民用信号，定位精度也有望达到6m左右，高于GPS系统C/A码的10m定位精度；而对于一般的授权商业用户，Galileo可提供误差小于1m的定位服务。

Galileo计划的实施对于欧盟的发展具有关键性战略意义，从此欧盟拥有了属于自己的卫星导航系统，摆脱了对GPS的依赖，为今后建立起独立自主的军事防御体系奠定了坚实基础。

据报道，欧盟现已着手准备发展第二代Galileo卫星导航系统，并计划在2020年－2025年开始全面部署。

在项目启动17年、遭遇多次挫折并超支3倍之后，欧洲“伽利略”卫星导航系统终于

在2016年12月15日宣布投入使用。

该系统有望在性能上胜过其竞争对手，同时保证欧洲在卫星导航领域的自主。

它全球免费使用的初期服务将仅供已配备同“伽利略”兼容芯片的智能手机和导航设备使用。

为该项目出资的欧盟委员会称，某些设备只需通过软件升级就能开始使用这些服务。

欧盟内部市场、工业、创业与中小企业专员别恩科夫斯卡称，欧洲正在加入导航服务提供者俱乐部。

“伽利略”系统现有18颗在轨卫星。

它的初期服务信号将会时断时续，需借助美国的GPS卫星来增强，但其可靠性和独立性会随着在轨卫星数量的增加而改善。

欧委会和欧空局称，该系统应能在2020年实现由30颗卫星组网并全面投入

运行，届时将能提供精度前所未有的授时和定位数据。

按照计划，该系统还将在2017年和

2018年再发射8颗卫星。

组网所需的另4颗卫星尚未正式订购。

表4Galileo卫星信息

“伽利略”系统免费的“开放服务”最终将能达到1米以内的定位精度，而GPS和俄罗斯的GLONASS系统是几米。

一项付费服务的定位精度将更高，达到厘米级水平。

法国国家空间研究中心主任勒加尔说，GPS可使列车知道自己所在区域，而“伽利略”将让列车知道自己行驶在哪条线路上。

如此高的精度对于提高无人驾驶汽车和核电厂安全将极其宝贵。

“伽利略”项目网站称，到全面投入使用时，该系统的搜救服务将能把遇险信标启动后探测到海上或山区失踪人员所需时间从3小时缩短到仅10分钟。

它的信号最终将能到达目前导航卫星信号无法到达的区域，如交通隧道和来自低仰角卫星的无线电波会被高层建筑遮挡的街道。

全面启用后，地球上绝大多数地方都将能同时看到6～8颗“伽利略”卫星。

“伽利略”系统还将向政府服务部门提供加密的“公共控管服务”，涉及交通与应急、执法、边境控制和“和平使命”。

按照计划，从2018年起，欧盟内的每辆新车都将配备“伽利略”系统，以提高导航能力，并将启用紧急呼叫系统。

它精确的授时功能还将提升银行与金融交易、电信和智能电网的同步性，让这些系统变得更加高效。

“伽利略”系统目前的免费使用服务只针对两款同该系统兼容的手机，即BQ的AquarisX5Plus和华为的Mate9，以及高通、博通、英特尔、联发科技和u-blox生产的十几种适于使用该系统的芯片。

别恩科夫斯卡说：

“我们需要企业界开展‘伽利略’方面的投入和创新，以开辟新应用和新业务。

”这一由民用部门掌控的服务对欧洲具有重要的战略意义。

欧洲目前仍依赖于GPS和GLONASS这两个由军方控制的系统。

GPS和GLONASS都不能保证服务不中断。

“伽利略”将能同这两个系统通用，但同时又是完全自主的，可独立运行。

美国莱斯大学航天政策高级研究员艾比称，这种独立性在发生某种冲突或分歧、致使美国不得不限制GPS使用时将尤为重要。

“伽利略”项目最初获得批准时的初步预算约为30亿欧元，计划2008年投入使用。

但该项目遭遇了几次技术和预算上的挫折，包括2014年有两颗卫星被送入错误轨道。

目前来看，它2020年前的总耗资在100亿欧元上下。

欧委会希望该项目将最终成为一个重要的商业项目。

欧洲目前有近10%的国内生产总值（GDP）据信依赖于卫星导航，而到2030年这一比重预计会提高到约30%。

欧委会称，到2020年，全球卫星导航市场价值将达到约2440亿欧元。

“伽利略”项目本身预计将在头20年里为欧盟经济贡献约900亿欧元。

“伽利略”系统开创性的精度与其卫星上所用的迄今最好的导航原子钟是分不开的。

它的每颗卫星上配备4台原子钟。

这些时钟的精度高达每300万年只差1秒。

时钟每10亿分之一秒的误差就会意味着高达30厘米的定位误差。

“伽利略”系统的信号强度也将更高，从而可提供更多信息。