“格洛納斯”-K導(dǎo)航衛(wèi)星。

俄羅斯正發(fā)射新一代“格洛納斯”-K導(dǎo)航衛(wèi)星，提升衛(wèi)星導(dǎo)航能力，欲與美國GPS試比高。

導(dǎo)航衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，在現(xiàn)在戰(zhàn)爭中，導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、武器平臺甚至單兵都需要導(dǎo)航衛(wèi)星的支持，有了導(dǎo)航衛(wèi)星的加持，精確制導(dǎo)彈藥命中精度更高，平臺或人員可以更好地知道自己在哪里。

起起伏伏的“格洛納斯”

1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”，正式拉開了進(jìn)軍太空的序幕，也開啟了人類依靠衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航的時代。在觀測這顆衛(wèi)星過程中，美國霍普斯金應(yīng)用物理實驗室科學(xué)家發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星運動引起的多普勒頻移效應(yīng)，斷言可以用來實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航。于是后來在60年代美國實施了“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并取得了成功。  

冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)和美國之間的軍備競賽都是你有我也要有，最好是我有你無。美國發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星后，作為回應(yīng)，蘇聯(lián)在1963年啟動了“齊克隆”（Tsiklon）低軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要服務(wù)于海軍水面艦艇和潛艇。1967年蘇聯(lián)成功發(fā)射了 “齊克隆”系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，至1978年蘇聯(lián)共發(fā)射了29顆試驗導(dǎo)航衛(wèi)星。從1974年起，蘇聯(lián)開始又發(fā)射“旋風(fēng)”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

“旋風(fēng)”系統(tǒng)的衛(wèi)星運行在1000千米的圓形軌道上，能提供大約100米的精度?！靶L(fēng)”系統(tǒng)最初是軍用系統(tǒng)，但后來廣泛用于蘇聯(lián)/俄羅斯民用船只的導(dǎo)航。蘇聯(lián)解體后，在2003年之前，俄羅斯每年發(fā)射一顆這類衛(wèi)星，以保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

無論是“齊克隆”還是“旋風(fēng)”系統(tǒng)，都是依據(jù)多普勒原理，屬于第一代導(dǎo)航系統(tǒng)（美國“子午儀”系統(tǒng)也是第一代導(dǎo)航系統(tǒng)），定位精度不高，加上衛(wèi)星數(shù)量較少，用戶接收信號耗時很長，滿足不了用戶實時定位的需求。在這種情況下，美蘇都不約而同開始第二代導(dǎo)航系統(tǒng)，蘇聯(lián)研制了“格洛納斯”（GLONASS），而美國組建了GPS系統(tǒng)。

“格洛納斯”-M衛(wèi)星整體水平與國際先進(jìn)水平還有一些差距。

1982年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆“格洛納斯”導(dǎo)航衛(wèi)星，開始組建第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國類似，該系統(tǒng)包括部署在19000千米的半同步軌道，由空間段、控制段和用戶段組成。與GPS系統(tǒng)不同的是“格洛納斯”系統(tǒng)包括24顆部署在3個軌道面上，而美國的GPS是4個軌道面。此外，“格洛納斯”系統(tǒng)采用頻分多址調(diào)制方式（即把相同的偽隨機(jī)碼調(diào)制到不同頻率的載波上），而美國GPS系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼來區(qū)分衛(wèi)星碼分多址的調(diào)制方式。

“格洛納斯”系統(tǒng)的衛(wèi)星從1982年開始部署，到1989年，蘇聯(lián)發(fā)射了35顆試驗星和定型衛(wèi)星，具備初始作戰(zhàn)能力。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯經(jīng)濟(jì)一蹶不振，“格洛納斯”系統(tǒng)遭遇了管理不善以及資金缺乏的問題，加上衛(wèi)星壽命短，普遍只有3年，俄羅斯政府幾次商業(yè)化嘗試“格洛納斯”系統(tǒng)也沒有獲得成功。因此，很長一段時間，“格洛納斯”系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，雖然系統(tǒng)處于運轉(zhuǎn)中，但工作衛(wèi)星的數(shù)目很少高于10顆，系統(tǒng)提供導(dǎo)航信息精度的能力非常有限。

此外，“格洛納斯”終端裝備的發(fā)展也嚴(yán)重滯后，不僅技術(shù)落后而且數(shù)量也少，這使得俄羅斯軍方以及民用客戶難以有效利用“格洛納斯”提供的數(shù)據(jù)。在第一次車臣戰(zhàn)爭中，俄羅斯國防部只能購買美國GPS設(shè)備，滿足軍方需求，甚至出現(xiàn)空軍飛行員自費購買GPS設(shè)備的現(xiàn)象。

加緊構(gòu)建新“格洛納斯”系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)，政治強(qiáng)人普京上臺，加上原材料國際價格的上漲，俄羅斯經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，腰包漸鼓的俄羅斯也有了更多資金發(fā)展航天，重振“格洛納斯”系統(tǒng)計劃在2002年啟動。

2004年起，俄羅斯開始發(fā)射改進(jìn)型導(dǎo)航衛(wèi)星“格洛納斯”-M衛(wèi)星，該衛(wèi)星設(shè)計壽命從3年延長到7~8年，具有更好的信號特性，并且具備星間鏈路功能。第一顆“格洛納斯”-M衛(wèi)星于2004年12月發(fā)射。至2007年底，衛(wèi)星星座中有14顆衛(wèi)星是“格洛納斯”-M衛(wèi)星，到2011年10月，“格洛納斯”系統(tǒng)已經(jīng)擁有滿足工作需求的24顆衛(wèi)星。

但即使是2003年開始投入使用的“格洛納斯”-M衛(wèi)星，總體性能上還存在短板。  比如衛(wèi)星采用密封式設(shè)計，衛(wèi)星主體是個密封的艙體，這也是俄羅斯面對自己電子工業(yè)等諸多精密工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的應(yīng)對之策，而新型導(dǎo)航國家衛(wèi)星是非密封式的，所有載荷設(shè)備都在真空中工作，簡化了衛(wèi)星的總體設(shè)計，而且壽命等指標(biāo)也都更為出色。 而且頻分多址的設(shè)計導(dǎo)致導(dǎo)航終端兼容格洛納斯信號代價更大,而新出現(xiàn)的“伽利略”和北斗系統(tǒng)都采用碼分多址設(shè)計,這導(dǎo)致“格洛納斯”在國際民用市場競爭中處于劣勢。

為了迎頭趕上國際先進(jìn)水平，“格洛納斯”-M衛(wèi)星研制成功后，俄羅斯又馬不停蹄地研制“格洛納斯”-K衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用新的衛(wèi)星平臺——“快車”-1000，采用了新型原子鐘，定位精度更高，并且增加了碼分多址設(shè)計。此外，衛(wèi)星的壽命更長（在軌壽命延長至10年），可靠性也更高。

2011年，“格洛納斯”-K衛(wèi)星首顆試驗星發(fā)射升空，但很長一段時間沒有批量發(fā)射，主要是因為西方制裁，部分此前從西方進(jìn)口的零部件只能靠國內(nèi)解決。2020年10月25日，俄羅斯成功發(fā)射第三顆“格洛納斯”-K衛(wèi)星，計劃2021至2023年繼續(xù)發(fā)射8顆該系列衛(wèi)星。同步研制“格洛納斯”-K2衛(wèi)星原計劃2021年開始發(fā)射，2030完成新一代衛(wèi)星部署。但受疫情和技術(shù)等原因的影響，發(fā)射也推遲。

未來，隨著”格洛納”-K衛(wèi)星數(shù)量的增加，俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航能力將進(jìn)一步提升。

去年11月，在成都舉行的第十一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，來自俄羅斯國家航天集團(tuán)公司“格洛納斯”系統(tǒng)部的巴依吉爾金娜女士通過視頻電話的形式在大會表示，俄羅斯新一代“格洛納斯”-K衛(wèi)星和“格洛納斯”-K2衛(wèi)星具有可發(fā)射的導(dǎo)航信道數(shù)量多（分別為5個、7個和9個）、使用壽命長（分別為7年、10年）的特點。同時“格洛納斯”-K衛(wèi)星在抗干擾和PNT（定位，導(dǎo)航，授時）技術(shù)上都得到了長足的進(jìn)步，新一代的“格洛納斯”-K衛(wèi)星還會在5G技術(shù)上做一些探索。巴依吉爾金娜還表示，他們更新一代的“格洛納斯” -K2衛(wèi)星預(yù)計在2023年擇機(jī)發(fā)射。

為了提升“格洛納斯”的導(dǎo)航能力，其開始構(gòu)建混合星座，強(qiáng)化區(qū)域能力。計劃增加IGSO和GEO衛(wèi)星，實現(xiàn)雙頻多星座區(qū)域增強(qiáng)。據(jù)稱，2025年前，俄羅斯計劃發(fā)射6顆IGSO軌道的“格洛納斯”-B衛(wèi)星，播發(fā)3個頻點民用CDMA信號，東半球服務(wù)性能提高25%，“格洛納斯”-B衛(wèi)星和“格洛納斯”-K2衛(wèi)星還將增加精密單點定位（PPP）服務(wù)能力。在地面段，俄羅斯將大幅增加地面站的數(shù)量，進(jìn)一步提高定位精度。

在抗干擾能力方面，俄羅斯規(guī)劃了未來10年接收機(jī)抗干擾/抗欺騙能力提升路線圖，更加注重接收機(jī)的抗干擾/抗欺騙能力，以專用接收機(jī)為例，從2020年到2030年，抗干擾能力從40dB提升到90dB，抗欺騙成功率從0提升至100%。

目前，“格洛納斯”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含27顆衛(wèi)星，其中包括“格洛納斯 - M”24 顆，3“格洛納斯”- K，可確保覆蓋全球，特殊用戶定位精度在1米左右，民用用戶在5米左右。雖然與最新GPS衛(wèi)星還有差距，但基本滿足俄羅斯國內(nèi)國防和民用的需求。由于定位精度提升，可靠性提高，這幾年我們也看到俄羅斯推出了多種衛(wèi)星制導(dǎo)的炸彈，復(fù)合制導(dǎo)的導(dǎo)彈也開始增加衛(wèi)星制導(dǎo)作為中繼制導(dǎo)。

根據(jù)俄羅斯規(guī)劃，為確保2030年后“格洛納斯”系統(tǒng)導(dǎo)航精度、可用性和完整性水平的要求，“格洛納斯”系統(tǒng)精度將在2030年后提高到0.1米的水平，與GPS相當(dāng)。