2023學(xué)年完整公開課版GLONASS系統(tǒng)V2

GPS技術(shù)GLONASS系統(tǒng)

一、GLONASS系統(tǒng)建立的歷史過程1960年晚些時(shí)候，前蘇聯(lián)軍方確認(rèn)需要一個(gè)衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)用于新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引，而當(dāng)時(shí)已有的旋風(fēng)（Tsiklon）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收站需要好幾分鐘的觀測(cè)才能確定一個(gè)位置，因此不能達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。1968-1969年，前蘇聯(lián)國(guó)防部、科學(xué)院和海軍等一些研究所聯(lián)合起來，計(jì)劃為海、陸、空、天武裝力量的定位與導(dǎo)航需求建立一個(gè)單一的解決方案，直到1970年這個(gè)系統(tǒng)的需求文件才編制完成。

經(jīng)過深入研究和討論之后，1976年前蘇聯(lián)頒布建立GLONASS系統(tǒng)的法令。該計(jì)劃的第一次衛(wèi)星發(fā)射是在1982年10月12日進(jìn)行的，1993年9月俄羅斯總統(tǒng)葉利欽正式宣布GLONASS將成為一個(gè)工作系統(tǒng)。1994年開始進(jìn)行布滿星座的7次發(fā)射計(jì)劃的第一次發(fā)射。1995年3月俄聯(lián)邦政府提出GLONASS系統(tǒng)對(duì)民用開放的政策。1995年12月14日俄羅斯最后一次一箭三星將GLONASS衛(wèi)星成功地發(fā)射到預(yù)定軌道，標(biāo)志著GLONASS星座已經(jīng)布滿。經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗(yàn)，1996年1月18日24顆衛(wèi)星正常發(fā)射信號(hào)，健康有效地工作，至此GLONASS系統(tǒng)正式建成并投入運(yùn)行。GLONASS系統(tǒng)比GPS起步晚9年，全系統(tǒng)正常運(yùn)行比GPS晚近3年。從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)

星

以后，歷經(jīng)13年，共發(fā)射27次，把67顆衛(wèi)星送入太空，僅僅有兩次發(fā)射失敗(第9次和第11次發(fā)射失敗，損失了6顆衛(wèi)星)。

事實(shí)上GLONASS系統(tǒng)的建立被規(guī)劃為3個(gè)階段：

第一階段:1983年-1985年，星座實(shí)驗(yàn)時(shí)期。進(jìn)行系統(tǒng)概念實(shí)驗(yàn)，軌道上僅有4-6顆衛(wèi)星。

第二階段：1986年-1993年，完成飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初始系統(tǒng)運(yùn)行。軌道上有12顆衛(wèi)星，并展開了廣泛的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，俄羅斯進(jìn)一步認(rèn)為GLONASS系統(tǒng)是俄羅斯武器裝備的組成部分，也是俄羅斯無線電導(dǎo)航規(guī)劃的基礎(chǔ)。

第三階段：1993年-1995年，

完成了24顆星的星座系統(tǒng)，系統(tǒng)投入運(yùn)行，與此同時(shí)，俄羅斯宣布GLONASS具備了完全工作能力。

在1996-1998年間，由于經(jīng)濟(jì)困難，GLONASS星座得不到正常的維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰退。從2001年12月1日至2002年5月30日

，GLONASS系統(tǒng)僅有7顆衛(wèi)星在正常運(yùn)行。俄羅斯曾經(jīng)制定過一個(gè)GLONASS星座漸進(jìn)增強(qiáng)計(jì)劃，計(jì)劃在2001年有12顆全功能工作的衛(wèi)星，但根據(jù)最新情報(bào)，2002年底發(fā)射3顆衛(wèi)星，2003年發(fā)射1顆

，目前GLONASS系統(tǒng)僅僅有11顆衛(wèi)星在正常運(yùn)行，其中8顆衛(wèi)星不受限制。

二、GLONASS系統(tǒng)的組成同GPS系統(tǒng)類似，GLONASS系統(tǒng)也由衛(wèi)星星座、地面支持系統(tǒng)和用戶設(shè)備三部分組成。1GLONASS星座GLONASS星座由21顆工作星和3顆備份星組成，24顆星均勻地分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，這三個(gè)軌道平面兩兩相隔120度，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星，同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔45度，軌道高度1.91萬公里，運(yùn)行周期11小時(shí)15分，軌道傾角64.80。星座系統(tǒng)如圖所示。GLONASS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用增壓密封圓柱體，衛(wèi)星下面裝有12個(gè)導(dǎo)航信號(hào)天線、各種測(cè)控天線和姿態(tài)敏感器等，圓柱側(cè)壁是軌道校正發(fā)動(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、熱控制通氣窗和太陽(yáng)帆板等，如圖所示。衛(wèi)星均采用三軸穩(wěn)定方式，采用精密銫鐘作為其頻率基準(zhǔn)，整星質(zhì)量1400千克，高3米，太陽(yáng)帆板展開時(shí)寬度為7米

以

上

，

功

率

為1600瓦，壽命1-3年。

在建立GLONASS星座系統(tǒng)時(shí)，共使用了兩種火箭發(fā)射衛(wèi)星，一種是質(zhì)子號(hào)火箭(一箭三星發(fā)射入軌)，另一種是聯(lián)盟號(hào)火箭。2地面支持系統(tǒng)地面支持系統(tǒng)由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測(cè)遙控站(含激光跟蹤站)和外場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備組成。地面支持系統(tǒng)的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的許多場(chǎng)地來完成

。隨著蘇聯(lián)的解體，GLONASS系統(tǒng)由俄羅斯航天局管理，地面支持段已經(jīng)減少到只有俄羅斯境內(nèi)的場(chǎng)地了，系統(tǒng)控制中心和中央同步處理器位于莫斯科，遙測(cè)遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城。地面支持系統(tǒng)的作用主要包括如下幾個(gè)方面：(1)測(cè)量和預(yù)測(cè)各顆衛(wèi)星的星歷；(2)將預(yù)測(cè)的星歷、時(shí)鐘校正值和歷書信息上行加載給每顆衛(wèi)星，以便以后編入導(dǎo)航電文；(3)使星鐘與GLONASS系統(tǒng)同步；(4)計(jì)算GLONASS系統(tǒng)時(shí)和UTC(SU)之間的偏差；(5)進(jìn)行衛(wèi)星跟蹤、控制與管理；(6)監(jiān)測(cè)GLONASS導(dǎo)航信號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)異常，便將這些異常回報(bào)給系統(tǒng)控制中心。3用戶設(shè)備GLONASS用戶設(shè)備即接收機(jī);能接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，并測(cè)量其偽距和偽距變化率，同時(shí)從衛(wèi)星信號(hào)中提取并處理導(dǎo)航電文。接收機(jī)處理器對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算出用戶所在的位置、速度和時(shí)間信息。GLONASS系統(tǒng)提供軍用和民用兩種服務(wù)。GLONASS系統(tǒng)絕對(duì)定位精度水平方向?yàn)?6米，垂直方向?yàn)?5米。目前，GLONASS系統(tǒng)的主要用途是導(dǎo)航定位，也可以廣泛應(yīng)用于各種等級(jí)和種類的定位、導(dǎo)航和時(shí)頻領(lǐng)域等，具體體現(xiàn)在在陸地、空中、海上和太空的4種應(yīng)用模式;。GLONASS用戶設(shè)備在國(guó)際上發(fā)展比較緩慢，其原因一方面是由于俄羅斯剛剛建立市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制，仍然依靠國(guó)營(yíng)力量研制、生產(chǎn)GLONASS接收機(jī)；其次是由于GLONASS系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定；第三是由于采用頻分體制，用戶設(shè)備比較復(fù)雜，加之前蘇聯(lián)對(duì)其技術(shù)保密，

致使用戶設(shè)備在極少數(shù)幾家研制生產(chǎn)，結(jié)果造成了品種少、功耗大、體積大且笨重、可靠性差、市場(chǎng)占有率低的被動(dòng)局面。三GLONASS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的差異GLONASS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)具有相似的系統(tǒng)構(gòu)成、定位原理和服務(wù)方式,但是兩者之間仍存在著如下差異:1)不同的參考時(shí)間系統(tǒng)。盡管兩者均屬于原子時(shí)系統(tǒng),但是ＧＰＳ時(shí)間系統(tǒng)與1980年1月6日0時(shí)美國(guó)海軍天文臺(tái)華盛頓的協(xié)調(diào)世界時(shí)ＵＴＣ(ＵＳＮＯ)相一致,是一個(gè)沒有跳秒的連續(xù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。ＧＬＯＮＡＳＳ時(shí)間系統(tǒng)是基于莫斯科的協(xié)調(diào)世界時(shí)ＵＴＣ(ＳＵ),并具有同步跳秒的系統(tǒng)。因此ＧＬＯＮＡＳＳ時(shí)間與ＵＴＣ(ＳＵ)之間僅相差3ｈ和小于1μｓ的系統(tǒng)差,而沒有跳秒差。2)不同的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。ＧＰＳ采用的是美國(guó)國(guó)防制圖局建立的世界大地坐標(biāo)系ＷＧＳ84;而ＧＬＯＮＡＳＳ采用的是前蘇聯(lián)軍事測(cè)繪部建立的大地坐標(biāo)框架ＰＺ90。3)不同的廣播星歷內(nèi)容。ＧＰＳ系統(tǒng)是以開普勒軌道根數(shù)的形式播發(fā)導(dǎo)航星歷的,每隔2ｈ更新一次;依據(jù)開普勒軌道方程,并考慮衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng),計(jì)算ＧＰＳ衛(wèi)星在ＷＧＳ84坐標(biāo)系中的瞬時(shí)位置。ＧＬＯＮＡＳＳ系統(tǒng)是直接給出參考?xì)v元的衛(wèi)星位置、速度、以及日月的攝動(dòng)加速度,每隔30ｍｉｎ更新一組星歷參數(shù);通常用4階的RungeKutta法進(jìn)行數(shù)值積分,得到ＧＬＯＮＡＳＳ衛(wèi)星在ＰＺ90坐標(biāo)系中的瞬時(shí)位置。4)不同的區(qū)分衛(wèi)星方式。GPS系統(tǒng)采用CDMA方式區(qū)分衛(wèi)星,各衛(wèi)星使用相同的雙載波頻率發(fā)射信號(hào);GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式區(qū)分衛(wèi)星,各衛(wèi)星使用不同的頻率發(fā)射信號(hào)。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星頻段已超越國(guó)際電信聯(lián)合會(huì)(ITU)的規(guī)定,因此在ITU的要求下,俄羅斯于1993年9月開始實(shí)施GLONASS系統(tǒng)改頻計(jì)劃。該計(jì)劃分為三個(gè)階段,預(yù)計(jì)將到2005年才能