机制
与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式,根据载波频率来区分不同卫星(GPS是码分多址(CDMA),根据调制码来区分卫星)。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz),其中k=1~24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同,均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GPS由24颗卫星组成,分布在6条交点互隔60度的轨道面上,精度约为10米,军民两用,正在试验第二代卫星系统。
GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。
GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。
GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨,卫星采用三轴稳定体制,整量质量1400kg,设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。共发射了80余颗GLONASS卫星,仅2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。“质子”号系列运载火箭是苏联研制的第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。
所谓一箭三星,2018年3月31日上午11时22分,中国在太原卫星发射中心以“一箭三星”方式成功发射三颗高分辨率光学卫星,组成中国首个民用业务卫星星座。
为进一步提高Glonass系统的定位能力,开拓广大的民用市场,俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M系统。内容有:改进一些地面测控站设施;延长卫星的在轨寿命到8年;实现系统高的定位精度:位置精度提高到10~15m,定时精度提高到20~30ns,速度精度达到0.01m/s。
另外,俄计划将系统发播频率改为GPS的频率,并得到美罗克威尔公司的技术支援。
GLONASS系统的主要用途是导航定位,当然与GPS系统一样,也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。
现状
起初,前苏联要用20年时间发射76颗GLONASS卫星。到1995年,俄罗斯只完成24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网,耗资30多亿美元,此卫星网由俄罗斯国防部控制。 GLONASS空间部分也由24颗卫星组成。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。其应用普及情况远不及GPS。前一时期由于经济困难无力补网,原来在轨卫星陆续退役,现在轨道上只有6颗星可用,不能独立组网,只能与GPS联合使用。
全球导航卫星系统是从1982年10月2日开始启动的。1993年9月拥有12颗卫星的这一系统正式运行。2005年该系统卫星集群的卫星从2004年的14颗增加到17颗。未来几年卫星集群将由使用寿命为7年的新一代“全球导航卫星系统-M”型卫星和使用寿命为10年的“全球导航卫星系统-K”型卫星扩充。
在联邦航天项目框架内,到2012年年底俄罗斯全球导航卫星系统计划将卫星集群的卫星数量增至24颗。
俄联邦太空署信息中心提供的资料显示,GLONASS为提供全球、全天候免费服务卫星信号,可用性如图2所示,覆盖全球范围。
同时,从衡量定位精度的几何精度因子(PDOP)快照截图可以看出,世界上大多数国家的PDOP值小于3(黄色标识),表明良好的能见度和GLONASS星座有利的几何位置精度。数值越小精度越高。
定位精度一直在提升,2013年可以达到1.5米(2D RMS)。
组成
GLONASS卫星星座
GLONASS卫星导航系统拥有工作卫星21颗,同时还有3颗备份卫星。卫星星座的轨道为3个等间隔椭圆轨道面,24颗卫星均布于该3个轨道。3个轨道平面的相互夹角按升交点经度计算为120°,编号按地球自西向东的旋转方向递增,分别为No.1、No.2、No.3。1~8号卫星在No.1轨道,其余类推。各轨道的卫星编号均按卫星运动的反方向递增。轨道倾角64.8°±0.3°,轨道偏心率为±0.01。卫星距地面高度为1.91万km,运行周期为1 1h15m45 s。由于GLONASS卫星轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角,故在高纬度(50度以上)地区的可视性较好。地面用户每天提前4.07min见到同一颗卫星,在中国境内可见到24颗中高度角5度以上的11颗卫星,比能够见到的GPS卫星要多3~4颗。每颗GLONASS卫星上都装有铯原子钟,以产生高稳定的时间标准,并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从地面控制站接收到的信息进行处理,生成导航电文向地面用户播发。
地面控制系统
地面控制系统包括一个系统控制中心(设在莫斯科的Golisyno-2),一个指令跟踪站(CTS),网络分布在俄罗斯境内。CTS跟踪着GLONASS可视卫星,遥测所有卫星,进行测距数据的采集和处理,并向各卫星发送控制指令和导航信息。在地面控制站(GCS)内有激光测距设备对测距数据作周期修正,为此所有GLONASS卫星上都装有激光反射镜。
用户设备
GLONASS用户端设备为用户接收机。用户通过GLONASS用户接收机同步、追踪4颗及以上卫星,将接收的
信号计算出导航者位置坐标值、时间等。实际应用中一般设计为能同时接收GLONASS、GPS卫星信号。用户接收机可以单独使用GLONASS卫星信号定位,也可与GPS组合使用定位。结合GPS与GLONASS,对提升精度或整体性改善度是一个很好的选择。相对于GPS设备,GLONASS组合定位用户接收机优势如下:
1、精度因子改善。由于结合GPS与GLONASS卫星,可视卫星数量增加与几何关系的改善,可降低精度因子,也可提升定位精度。
2、避免地形遮蔽的影响。对于城市峡谷或山区而言,可视卫星数量可能低于4颗而导致无法定位。若结合GPS与GLONASS,可克服地形遮蔽的影响。
3、增强整体性。由于有了更多可视卫星,导航者在自主式侦测时,可以较容易侦测与分辨异常现象,也增强了整体性。
4、增强妥善性。结合了GPS与GLONASS后,导航者的正常动作较不会是受到某颗卫星异常的影响。较容易取得持续的服务与较高的妥善率。
全球部署
根据俄罗斯GLONASS-NIS(俄罗斯GLONASS国家服务运营商)提供的信息,俄罗斯GLONASS在全球布局推广:
乌克兰:合作中;白俄罗斯:合作中;哈萨克斯坦:谈判中;印度:合作中;委拉瑞拉:谈判中;巴西:合作中;埃及:谈判中;南非:谈判中;土耳其:谈判中。
典型应用项目
在俄罗斯,已经在如下项目中应用GLONASS:
ERA-GLONASS交通事故应急响应
ITS Moscow智能交通莫斯科
Navigation support for majorsporting events国际体育赛事导航支持
Logistics & Transportation Center for the 2014 Winter Olympics in Sochi 2014索契冬奥会物流与交通中心导航支持
Industry solutions 行业应用
International Activities全球部署
Workshop APEC亚太合作
在中国,GLONASS也在越来越多的领域应用,如精确农业、无人机导航、GIS测绘、个人定位、车载定位与导航、船舶海航等。