GPS現代化與全球衛星導航系統——GLONASS

全球衛星導航系統(GNSS)

美國的全球定位系統（GPS）是全球導航衛星系統（GNSS）)組成部分之一。俄羅斯聯邦的格洛納斯系統（GLONASS）、歐盟的伽利略（Galileo）系統和中國的北鬥衛星導航定位（BDS）是另外三個組成部分。很可能還有更多星座被納入GNSS系統，比如日本的準天頂衛星系統(QZSS)、印度的區域導航衛星系統(IRNSS)。它們將被美國、歐洲、日本、中國和澳大利亞部署的地基增強系統和空基增強系統所增強。GNSS的直接效果是現有衛星星座大量增加、導航和定位信號越多越好。構想的衛星網和其他網將開始聯合工作，為全球用戶提供定位、導航和授時服務。

合作目標是互操作性和兼容性。互操作性是適當配備接收機將能夠接收全星座所有可用衛星上播發的信號，並使它們的解決得到改進，而不受他們各自廣播信號的結構所阻礙。兼容性是指美國和其他國家的空間定位、導航和授時服務可以單獨使用或同時使用，而不會影響各自服務或信號的使用。GPS和GLONASS系統是兩個達到全球完全運行能力的系統。

87.格洛納斯（GLONASS）

俄羅斯的全球軌道導航衛星系統(GLobal Orbiting NAvigation Satellite System，GLONASS)被稱為格洛納斯，其在蘇聯解體前沒有達到完全運行能力（Full Operational Capability，FOC）。1982年10月，第一顆Uragan衛星被射入軌道，這比GPS星座的建立要晚4年多。已發射了87顆Uragan衛星，並於1996年幾乎達到了24顆衛星的全星座，三個軌道平面布置了21顆衛星，其中還有三顆在軌備用衛星。

然而，在2001年，只有大約7顆健康衛星，其在比GPS衛星低1000公裡的軌道上運行，餘下有7顆衛星，它們的設計壽命預期只有3年。哈薩克斯坦獨立、隨後拜科努爾人造衛星發射基地發射設施運營困難以及資金缺乏都無法逆轉這一局勢。系統的正常運行狀態很差，2001年8月，決定重建系統和實施GLONASS系統現代化以便改進跟蹤。

目前，俄羅斯的GLONASS已經正常運行，並能覆蓋全球。由改進衛星組成的完整GLONASS星座，其距地19,100公裡的高度，衛星軌道相對於地球赤道面的傾斜為64.8°，見圖1所示。

圖1 GLONASS星座

Uragan-M

相比於Uragan衛星，Uragan-M衛星有幾個新的屬性，見圖2所示。其壽命增加了7年、改進了太陽能陣列定向、時鐘穩定性更好和可操作性更好。它們三軸穩定和面板攜帶星載銫鐘。發射與2001至2014年，2004年，增加了L2頻率為供民用用戶使用。目前，GLONASS衛星星座多有這類衛星組成。

圖2 格洛納斯Uragan-M衛星

GLONASS-K

GLONASS-K衛星比Uragan-M衛星更輕。它有無壓母線，12年服務壽命，且生產成本更低。這些衛星還載有國際搜索和救援（COSPA-SARSAT）設備。隨著Uragan-M衛星老化，它們將被更小的GLONASS-K衛星所取代，隨後將由被稱為GLONASS-K2和後續的GLONASS-KM衛星進一步改進。如圖3所示，K型GLONASS衛星攜帶信號發射機，用於播發民用第三波段的L載波。

圖3 GLONASS-K衛星

格洛納斯信號

關於衛星廣播信號，最初目標與GPS所採用的計劃類似，系統將提供人為降低到100米精度的標準C/A信號，同時提供軍方專用的10至20米精度的P信號。然而，2004年底，當時聯邦航天局宣布一項計劃，致使這種情況發生了改變。實施右圓極化碼的解決方案，為所有用戶提供高精度導航數據的訪問能力。

碼分多址（CDMA）

接收機從GPS衛星或大多數其他GNSS星座接收信號，從每顆衛星的P碼、C/A碼或其他PRN碼採集特定部分。例如，37周長的P碼的每個特定部分都分配給每顆GPS衛星，即SV14之所以如此命名是由於它廣播P碼的第14周。此外，每顆GPS衛星廣播自己完全獨特的C/A碼部分。儘管接收機接收到L1載波P碼和C/A碼部分，它們的衛星或來源是唯一的，它們以相同頻率（即1575.42 MHz）到達接收機。同樣，L2載波P碼以1227.60 MHz到達接收機。

這種技術被稱為碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA)。CDMA技術最初起源於二戰期間的軍方。在受到幹擾的情況下，研究人員尋秋安全的通信方式。CDMA不用頻率信道或時間槽。這種技術被稱為多址技術（Multiple Access，MA），它服務於多個並發用戶，而CDMA實施於相同頻率。與GPS一樣，CDMA通常是將窄帶信息與更寬的帶寬PRN（偽隨機噪聲碼）信號相乘。比廣播數據信息所需帶寬相比，其增加的帶寬更寬，稱之為擴頻信號。

為了實現這一技術，每個PRN碼，C/A、P和所有其他代碼都具有高自相關和低互相關特性是至關重要的。高自相關可促進來自特定衛星的獨特碼的有效解擴和恢復，包括將其與接收機內該衛星可用PRN碼進行匹配。低互相關意味著特定衛星信號的自相關過程免受任何其他衛星信號的幹擾，這些幹擾信號同時來自於星座的其它衛星。

頻分多址(FDMA)

GLONASS系統使用另一種不同的策略。如圖4所示，衛星發射L波段信號，不同於GPS，GLONASS接收機從任何GLONASS衛星上採集偽碼都完全相同，每顆GLONASS衛星都以自己特有的頻率廣播自己的偽碼，這被稱為頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）。該技術確保信號分離，即改進光譜分離係數。然而，該系統需要研發更複雜的硬體和軟體。

圖4 頻分多址（FDMA）

分配給GLONASS衛星的三個L波段有固定頻率範圍。GLONASS系統載波分為三個頻段。第一頻段是L1 (~1602 MHz)，其中各載波頻率間隔為0.5625 MHz，範圍在~1598.0625到~1607.0625 MHz之間。第二頻段是L2 (~1246 MHz)，其中各載波頻率間隔為0.4375 MHz，範圍在~1242.9375到~1249.9375 MHz之間。第三頻段是L3。L3載波調製有第三個民用信號，其正被GLONASS-K衛星播發，並在裡面使用一個新頻段(~1201 MHz)，該頻段範圍從1201.743到1208.511 MHz，將與伽利略（Galileo）系統E5b信號重疊。

在L3上，各載波頻率之間的間隔為0.4375 kHz。但是，此頻率範圍內，L波段信號最多可以擁有25個通道，目前，有16個頻道來容納可獲得的衛星。換句話說，每顆GLONASS衛星廣播相同的偽碼，但每顆衛星都有自己的頻率。

儘管從全球定位系統(GPS)、歐盟的伽利略(Galileo)和俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)系統接收的信號存在一些差異，但它們是可以克服的。俄羅斯還討論了GLONASS的發展以及與美國GPS和歐洲伽利略系統互操作性。

FDMA變化

將來，可能會對FDMA進行某些改進。最近，俄羅斯同意對FDMA體系結構進行一些改變。為了只使用一半的波段，GLONASS系統將把相同的頻率分配給同一軌道平面上的衛星，其總是在地球的兩端。這不僅會減少系統使用無線電頻譜數量，實際也能改進廣播星曆信息。利用如此多的頻率，很難適應各種各樣的傳播速率，並保持發送給接收機的星曆信息處於良好範圍。許多接收機廠商研發了GPS/GLONASS兼容接收機，但基於FDMA和CDMA技術的信號差異增加了接收機設備製造的技術難度和成本。2006年最後幾個月，有人提到GLONASS系統可能在L3頻段和L1頻段同時調製CDMA信號。這將使GPS、Galileo系統更容易與GLONASS系統互操作，並能提高GLONASS系統的商業可行性。

格洛納斯時（GLONASST）

事實上，正在實施許多措施以提高GLONASS系統精度。衛星鐘穩定性從5×10-13提高到1×10-13，具有超過24小時的精確熱穩定性。GLONASS導航電文包括GPS時（GPST）和GLONASS時（GLONASST）之間的差異，這是非常有意義的事。

GPS時（GPST）沒有閏秒。伽利略和北鬥系統也是一樣。然而，格洛納斯系統則不同，閏秒被納入系統時間標準。因此，GLONASST和UTC之間不存在整數秒差，而GPS系統存在。但還不止這些。格洛納斯系統協調世界時（UTC）是俄羅斯協調世界時（Coordinated Universal Time ，CUT），稱之為UTC (SU)。位於門捷列沃的俄羅斯時間和頻率服務（VNIIFTRI）的主計量中心定期監測和校正俄羅斯協調世界時的曆元（epoch）和速度（rate），這是相對國際時間局（BIH）的UTC而言。他們建立了區域協調世界時，稱為UTC (SU)。GLONASS時與UTC (SU)之間有3小時的恆定偏移。

GLONASS中央同步器（Central Synchronizer，CS）時間是GLONASS時（GLONASST）的基礎。GLONASS-M衛星配有銫原子鐘，保持GLONASST在8納秒以內。

格洛納斯星曆

衛星發射天線相位中心坐標屬於PZ-90.02坐標系，屬於地心地固參考框架，與三維笛卡爾坐標系同屬右手系，詳細請見後續闡述。