“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(guó)GPS試比高。

導(dǎo)航衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色，在現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、武器平臺(tái)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(tái)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(hào)”，正式拉開(kāi)了進(jìn)軍太空的序幕，也開(kāi)啟了人類依靠衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航的時(shí)代。在觀測(cè)這顆衛(wèi)星過(guò)程中，美國(guó)霍普斯金應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移效應(yīng)，斷言可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航。于是后來(lái)在60年代美國(guó)實(shí)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(guó)之間的軍備競(jìng)賽都是你有我也要有，最好是我有你無(wú)。美國(guó)發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星后，作為回應(yīng)，蘇聯(lián)在1963年啟動(dòng)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(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星。從1974年起，蘇聯(lián)開(kāi)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(yùn)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(lái)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(yùn)轉(zhuǎn)。

無(wú)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(guó)“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(hào)耗時(shí)很長(zhǎng)，滿足不了用戶實(shí)時(shí)定位的需求。在這種情況下，美蘇都不約而同開(kāi)始第二代導(dǎo)航系統(tǒng)，蘇聯(lián)研制了“格洛納斯”（GLONASS），而美國(guó)組建了GPS系統(tǒng)。

“格洛納斯”-M衛(wèi)星整體水平與國(guó)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(kāi)始組建第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國(guó)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(gè)軌道面上，而美國(guó)的GPS是4個(gè)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(guó)GPS系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼來(lái)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(kāi)始部署，到1989年，蘇聯(lián)發(fā)射了35顆試驗(yàn)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(wèn)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(méi)有獲得成功。因此，很長(zhǎng)一段時(shí)間，“格洛納斯”系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，雖然系統(tǒng)處于運(yùn)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(zhēng)中，俄羅斯國(guó)防部只能購(gòu)買美國(guó)GPS設(shè)備，滿足軍方需求，甚至出現(xiàn)空軍飛行員自費(fèi)購(gòu)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(tái)，加上原材料國(guó)際價(jià)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(jì)劃在2002年啟動(dòng)。

2004年起，俄羅斯開(kāi)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(jì)壽命從3年延長(zhǎng)到7~8年，具有更好的信號(hào)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(kāi)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(jì)，衛(wèi)星主體是個(gè)密封的艙體，這也是俄羅斯面對(duì)自己電子工業(yè)等諸多精密工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的應(yīng)對(duì)之策，而新型導(dǎo)航國(guó)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(jiǎn)化了衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)，而且壽命等指標(biāo)也都更為出色。 而且頻分多址的設(shè)計(jì)導(dǎo)致導(dǎo)航終端兼容格洛納斯信號(hào)代價(jià)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(jì),這導(dǎo)致“格洛納斯”在國(guó)際民用市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

為了迎頭趕上國(guó)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(tái)——“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(jì)。此外，衛(wèi)星的壽命更長(zhǎng)（在軌壽命延長(zhǎng)至10年），可靠性也更高。

2011年，“格洛納斯”-K衛(wèi)星首顆試驗(yàn)星發(fā)射升空，但很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有批量發(fā)射，主要是因?yàn)槲鞣街撇?，部分此前從西方進(jìn)口的零部件只能靠國(guó)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(jì)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(jì)劃2021年開(kāi)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(lái)，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(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)上，來(lái)自俄羅斯國(guó)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(guò)視頻電話的形式在大會(huì)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(gè)、7個(gè)和9個(gè)）、使用壽命長(zhǎng)（分別為7年、10年）的特點(diǎn)。同時(shí)“格洛納斯”-K衛(wèi)星在抗干擾和PNT（定位，導(dǎo)航，授時(shí)）技術(shù)上都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，新一代的“格洛納斯”-K衛(wèi)星還會(huì)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(jì)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(kāi)始構(gòu)建混合星座，強(qiáng)化區(qū)域能力。計(jì)劃增加IGSO和GEO衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)雙頻多星座區(qū)域增強(qiáng)。據(jù)稱，2025年前，俄羅斯計(jì)劃發(fā)射6顆IGSO軌道的“格洛納斯”-B衛(wèi)星，播發(fā)3個(gè)頻點(diǎn)民用CDMA信號(hào)，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(diǎn)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(lái)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(guó)內(nèi)國(guó)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(kāi)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)。