陳 鵬

（交通運輸部天津海事測繪中心，天津 300222）

0 引言

1959 年9 月17 日，美國在佛羅里達州卡納維拉爾角的大西洋導(dǎo)彈靶場，用索爾-埃布爾（Thor-Able）三級火箭，將美國海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（U.S. navy navigation satellite system, NNSS）第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星Transit-1A 送入軌道[1]，開啟了星基導(dǎo)航的歷史。由于NNSS 的導(dǎo)航衛(wèi)星沿地球子午圈的軌道運行，因此，NNSS 又稱為子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Transit navigation satellite system, Transit）[2]。蘇聯(lián)科學(xué)家為了給在海上航行的海軍艦艇及在水下航行的彈道導(dǎo)彈潛艇提供導(dǎo)航服務(wù)，也于1963 年啟動了一個基于空間衛(wèi)星進行導(dǎo)航的研發(fā)項目（research and development, R&D），該項目稱為蘇聯(lián)第一代低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即齊克隆衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Tsiklon satellite navigation system, Tsiklon），1967 年5 月15 日，蘇聯(lián)發(fā)射了Tsiklon 系統(tǒng)的第一顆導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，到1978 年7 月27 日發(fā)射Tsiklon 系統(tǒng)最后一顆試驗衛(wèi)星科斯莫斯（Cosmos）1027，蘇聯(lián)共發(fā)射了29 顆Tsiklon 導(dǎo)航試驗試驗衛(wèi)星；在完成了一系列試驗衛(wèi)星的發(fā)射后，蘇聯(lián)于1974 年12 月26 日開始發(fā)射Tsiklon 系統(tǒng)的工作衛(wèi)星，稱為Tsiklon-B 系統(tǒng)，Tsiklon-B 系統(tǒng)亦稱為帕魯斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Parus satellite navigation system, Parus）,從1974 年12 月26 日至2003 年6 月4 日，蘇聯(lián)及后來的俄羅斯共發(fā)射了92 顆Parus衛(wèi)星，Parus 系統(tǒng)于1976 年為蘇聯(lián)海軍的潛艇及軍艦提供導(dǎo)航定位服務(wù)，Parus 系統(tǒng)為蘇聯(lián)的絕密衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。為了滿足民用導(dǎo)航需求，蘇聯(lián)在建造Tsiklon 系統(tǒng)的同時，也同時建造了民用的齊卡達衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Tsikada satellite navigation system, Tsikada）[4]，并于1976 年12 月15 日發(fā)射了第一顆蘇聯(lián)民用導(dǎo)航衛(wèi)星科斯莫斯883 號（Cosmos-192）[5]，開啟全球第二個民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）的建設(shè)征程。Tsikada 是俄語“Цикада”的英文讀音，其意義為蟬（Cicada），因此，Tsikada 亦稱為“蟬”導(dǎo)航系統(tǒng)（Cicada navigation system, Cicada）。1979 年，Cicada 系統(tǒng)正式向用戶提供服務(wù)。

為了能夠檢測到救援無線電定位信標(biāo)發(fā)射的求救信號，在Cicada 系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星上，安裝了能夠接收救援信號的接收機，這種具有接收救援信號載荷的衛(wèi)星稱為娜杰日達衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Nadezhda satellite navigation system, Nadezhda）[4]。當(dāng)Nadezhda 導(dǎo)航衛(wèi)星接收到求救信號后，會將其發(fā)送到專用地面接收站，地面站上的接收機就可以計算出求救信號的位置，從而實現(xiàn)對遇險人員的救援。無線電定位信標(biāo)、Nadezhda 衛(wèi)星及地面站，構(gòu)成了蘇聯(lián)的衛(wèi)星搜救系統(tǒng)科斯帕斯（Cospas），Cospas 與美國-法國-加拿大搜救衛(wèi)星服務(wù)（search and rescue satellite-aided tracking, Sarsat）一起，建成了一個全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)科斯帕斯-薩爾薩特（Cospas-Sarsat），Cospas-Sarsat 已經(jīng)挽救了數(shù)千人的生命。

為了能夠為用戶提供全天候、全天時的導(dǎo)航定位服務(wù)，從20 世紀(jì)70 年代中期起，蘇聯(lián)就開始研究格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）的建設(shè)方案,1982 年10月12 日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆 GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星,到1996 年初，建成了由24 顆第一代GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星組成的GNSS，可以在全球范圍為蘇聯(lián)軍方提供全天時、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)。

蘇聯(lián)于1991 年12 月25 日解體，俄羅斯繼承了GLONASS 的所有權(quán)。由于第一代GLONASS 衛(wèi)星的壽命為3 年，每年需要進行兩次發(fā)射才能維持24 顆衛(wèi)星構(gòu)成的完整星座。但是，解體前的蘇聯(lián)及接替蘇聯(lián)的俄羅斯，在1989—1999 年間發(fā)生了經(jīng)濟危機，受經(jīng)濟危機的影響，它們用于空間計劃的資金減少了80%。在經(jīng)濟危機的狀態(tài)下，俄羅斯無力按照一年兩次的速度發(fā)射GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星，致使在軌的GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星逐年減少，特別是從1996 年到1999 年12 月，俄羅斯一直未發(fā)射新的GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星。隨著第一代GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星的3 年壽命到期，到2001 年，GLONASS 僅僅有7 顆在軌衛(wèi)星可以正常使用。2000 年代初，在弗拉基米爾·普京（Vladimir Putin）擔(dān)任俄羅斯總統(tǒng)期間，俄羅斯的經(jīng)濟開始復(fù)蘇，而且普京總統(tǒng)本人也支持GLONASS 的更新計劃。2003 年12 月10 日，俄羅斯發(fā)射了新設(shè)計的第二代GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星GLONASS-M，2007 年5月18 日，俄羅斯宣布將精度為10 m 的GLONASS導(dǎo)航信號對全世界民用用戶開放[6-7]。

從2011 年開始，GLONASS 開始了現(xiàn)代化的工作，于2011 年1 月26 日發(fā)射了GLONASS-K1衛(wèi)星，但由于各種原因，GLONASS 的現(xiàn)代化工作一直未按照計劃如期發(fā)射現(xiàn)代化的導(dǎo)航衛(wèi)星GLONASS-K2。

1 蘇聯(lián)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理

蘇聯(lián)的Tsiklon 系統(tǒng)、Tsikada 系統(tǒng)、Parus 系統(tǒng)及Nadezhda 系統(tǒng)都屬于蘇聯(lián)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，雖然其構(gòu)成導(dǎo)航星座的衛(wèi)星數(shù)量不一致，但其定位原理都是依據(jù)多普勒頻移原理來實現(xiàn)定位的，文獻[8]以火車汽笛的頻率時間特性為例，論述了多普勒頻移的定位原理，如圖1 所示。

圖1 多普勒頻移示意[8]

假定火車運行的鐵軌為x軸，垂直于鐵軌的方向為y軸，接收機（此處為觀察者）位于 (x0,y0)處，信號源（此處為火車汽笛）的坐標(biāo)為(x,y)，則信號源與接收機之間的距離[8]為

如果將火車鐵軌換成導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道，將火車的汽笛換成導(dǎo)航衛(wèi)星上發(fā)送的導(dǎo)航信號，則圖1 就成為了利用多普勒頻移來定位的原理圖。設(shè)在導(dǎo)航衛(wèi)星上的發(fā)射裝置以頻率fs發(fā)射導(dǎo)航信號，則接收機測得導(dǎo)航信號的頻率fr為

從圖1 可以看出，當(dāng)信號源靠近接收機時，多普勒頻移Δf為負(fù)；當(dāng)信號源遠(yuǎn)離接收機時，多普勒頻移Δf為正。多普勒頻移Δf的變化率為

當(dāng)然，式（7）僅僅是采用多普勒頻移計算接收機位置最為簡單的說明，對于采用導(dǎo)航衛(wèi)星軌道參數(shù)及多普勒頻移計算接收機位置的三維坐標(biāo)更為詳細(xì)的論述，有興趣的讀者可以仔細(xì)閱讀文獻[8]。

2 蘇聯(lián)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

無論是軍用的Parus 系統(tǒng)，還是民用的Tsikada系統(tǒng)，蘇聯(lián)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都存在以下缺點：1）導(dǎo)航衛(wèi)星都處于1 000 km 高度的中低軌道，易受大氣阻力和地球重力變化的影響，使得實時確定導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道參數(shù)變得特別困難，嚴(yán)重地影響了用戶的定位精度；2）導(dǎo)航衛(wèi)星的個數(shù)較少，例如Parus 系統(tǒng)僅有6 顆導(dǎo)航衛(wèi)星，Tsikada系統(tǒng)也僅有4 顆衛(wèi)星，這使得地面接收機需要等待很長時間才能夠接收到導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，滿足不了用戶實時導(dǎo)航定位的需求。為了解決這些問題，蘇聯(lián)于1982 年10 月12 日發(fā)射了第一顆GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星，開啟了建設(shè)蘇聯(lián)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)步伐。GLONASS 亦稱為烏拉根（Uragan），是俄語“颶風(fēng)（Ураган）”的意思。

與美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）的定位原理相似，GLONASS 也由空間段、控制段及用戶段構(gòu)成，其定位原理可以參閱文獻[9]，這里僅介紹GLONASS 的特點。

GLONASS 的星座由運行在3 個軌道平面的24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成，每個軌道面上等間隔地分布著8 顆導(dǎo)航衛(wèi)星，這些導(dǎo)航衛(wèi)星位于地球上19 100 km的高空，其軌道傾斜角為64.8°，繞地球的運行周期為11 h 15 min 44 s。

與GPS 通過不同的偽隨機碼來區(qū)分衛(wèi)星的碼分多址（code division multiple access, CDMA）調(diào)制方式不同，早期的GLONASS 衛(wèi)星采用頻分多址（frequency division multiple access, FDMA）調(diào)制方式，即把相同的偽隨機碼調(diào)制到不同頻率的載波上，GLONASS 衛(wèi)星 L1、L2 頻段載波信號頻率[10]分別為

式中：n為GLONASS 衛(wèi)星在發(fā)射導(dǎo)航信號時采用的頻道號，n=- 7, -6,…, 5, 6；fL1、fL2分別為L1、L2 頻段載波信號的中心頻率； ΔfL1、ΔfL2分別為L1、L2 頻段載波信號的頻率間隔，其值分別為fL1=1 602 MHz、 ΔfL1=562. 5 kHz；fL2=1 246 MHz、ΔfL2=437.5 kHz。

為了實現(xiàn)與其他 GNSS 互操作，俄羅斯于2011 年2 月26 日發(fā)射了GLONASS-K1 衛(wèi)星，在GLONASS-K1 衛(wèi)星的L3 頻段上增加了CDMA 信號[11]，表1 列出了至2021 年5 月8 日，發(fā)射的GLONASS 衛(wèi)星的主要技術(shù)參數(shù)。表1 中：SF(secured FDMA signal)為加密的 FDMA 信號；OF(open FDMA signal)為公開的FDMA 信號；SC(secured CDMA signal)為加密的 CDMA 信號；OC(open CDMA signal)為公開的CDMA 信號。商用接收機可以接收各個頻段上的公開信號，加密信號僅供俄羅斯軍方使用。

表1 GLONASS 衛(wèi)星的主要技術(shù)參數(shù)[11-13]

3 格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)代化計劃

雖然早在1996 年，GLONASS 就建成了由24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的GNSS，但當(dāng)時GLONASS 存在致命的缺陷：1）由于缺少能夠接收GLONASS導(dǎo)航信號的兼容硬件，使其GLONASS 無法在民用行業(yè)發(fā)揮作用；2）俄羅斯在20 世紀(jì)90 年代，采取了削減軍費開支、軍工企業(yè)軍轉(zhuǎn)為民用企業(yè)等政策，使俄羅斯軍隊未有足夠的資金來購買能夠接收GLONASS 信號的接收機，致使俄羅斯軍隊在1994—1996 年的第一次車臣戰(zhàn)役中，俄羅斯國防部甚至需要從外國購買了民用GPS 接收機供參戰(zhàn)部隊使用，俄羅斯空軍的許多參戰(zhàn)飛行員，甚至?xí)再M購買民用GPS 接收機，供他們在戰(zhàn)斗飛行期間為自己的戰(zhàn)機導(dǎo)航[14]。

由于第一代 GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星的可靠性不高，出現(xiàn)故障的幾率非常高，而且也缺乏備份衛(wèi)星進行替換，導(dǎo)致1996 年建成的、具有24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星的星座很快崩潰，到 2001 年，GLONASS 只有7 顆在軌工作衛(wèi)星，這7 顆導(dǎo)航衛(wèi)星無法為全球用戶提供全覆蓋、全天時的導(dǎo)航定位服務(wù)，實際上這7 顆導(dǎo)航衛(wèi)星也不能夠為俄羅斯本土的用戶提供全天時、全覆蓋的導(dǎo)航定位服務(wù)，即使在GLONASS 能夠提供服務(wù)時，其定位精度比GPS 低一個數(shù)量級，這時的GLONASS 成為了一個毫無用處的擺設(shè)，動搖了俄羅斯在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的大國地位[14]。

為了盡快恢復(fù)俄羅斯在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的話語權(quán)，俄羅斯政府于2002 年啟動了一項名為“全球?qū)Ш较到y(tǒng)（2002—2011 年）”的聯(lián)邦計劃。該計劃的目標(biāo)是全面恢復(fù)與促進包括空間段、控制段及用戶段在內(nèi)的、所有涉及GLONASS 的軟硬件的發(fā)展。到2011 年12 月，GLONASS 再次擁有了24 顆在軌運行的導(dǎo)航衛(wèi)星，滿足了覆蓋全球、可以為用戶提供全天時服務(wù)的GNSS。GLONASS 也正式交付給俄羅斯國防部進行試運行[14]。

為了鞏固俄羅斯在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域里取得的成果，俄羅斯政府于2012 年啟動了“2012—2020 年GLONASS 的維護、開發(fā)和使用”聯(lián)邦計劃，文獻[15]曾經(jīng)指出，俄羅斯將在2013—2014 年間發(fā)射現(xiàn)代化的導(dǎo)航衛(wèi)星GLONASS-K2，但到寫作本文時（2021 年5 月29 日），俄羅斯仍然沒有發(fā)射現(xiàn)代化的導(dǎo)航衛(wèi)星 GLONASS-K2，表 2 列出GLONASS-K2 的主要技術(shù)指標(biāo)。

表2 GLONASS-K2 的主要技術(shù)參數(shù)[15-17]

GLONASS 空間段的現(xiàn)代化計劃[17]為：1）使用機載軟件及星間鏈路（inter-satellite link, ISL）來提高衛(wèi)星軌道參數(shù)及鐘差數(shù)據(jù)的更新速率；2）校準(zhǔn)不同信號、不同頻率間及不同通道間的數(shù)據(jù)延遲；3）研發(fā)新的導(dǎo)航信號L1OCM、L5OCM；4）研發(fā)新一代星載銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘子鐘。

GLONASS 地面控制段的現(xiàn)代化計劃[17]為：1）更新數(shù)據(jù)處理軟件，以提高衛(wèi)星軌道及鐘差數(shù)據(jù)處理精度；2）部署全球性地面測控站，進一步提高導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道參數(shù)的精度，地面測控站將布設(shè)在俄羅斯本土，赤道區(qū)域及南極地區(qū)；3）在俄羅斯境內(nèi)增加數(shù)據(jù)注入站的個數(shù)。

4 結(jié)束語

GLONASS 的發(fā)展歷程清晰地告訴我們，星基導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，只有將軍用與民用市場相結(jié)合，才能夠促進星基導(dǎo)航系統(tǒng)的良性發(fā)展；也只有與其他國家的GNSS 實現(xiàn)信號兼容與互操作，才能夠擴大用戶群，促進本國GNSS 的發(fā)展。