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俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状
2022-02-09 17:37:07

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作者:张记炜

俄罗斯的格洛纳斯系统是继美国GPS系统后,全球第二个建成并使用的卫星导航系统,在经过多年的发展之后具有突出的业务能力。近年来,随着中俄两国合作的不断深化,格洛纳斯系统与北斗系统的合作也在不断加强,为俄罗斯在全球导航领域提供了有力支持。2022年2月,在中国冬奥会期间,中俄两国首脑举行会晤,并签署了15个合作文件。其中《中国卫星导航系统委员会(中华人民共和国)与俄罗斯国家航天集团(俄罗斯联邦)关于北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统时间互操作的合作协议》为两国在卫星导航系统领域合作再次提供新的契机。

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

图1  不同发展阶段的俄罗斯卫星导航

1 俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程

早期探索

利用卫星进行导航的这一想法最早是在1957年苏联科学家探究将射电天文学技术应用于航空导航时而产生的。此后,苏联的相关机构进行了进一步的研究,以确保导航系统的精确定义、全球应用、日常使用和不受天气条件影响。这些研究成果在1963年苏联的第一个低轨道系统——“蝉”(Цикада)的研制过程中得到了应用。1967年,苏联首颗国产卫星导航“宇宙-192”(Космос-192)发射入轨,开始了苏联卫星导航系统的建设。1979年,由4颗卫星组成的“蝉”系统投入使用。这些卫星被置于1000公里处的圆形轨道上,倾角为83°,他们的轨道平面沿赤道均匀分布。用户能够每隔一个半小时与一颗卫星进行联系,并花5-6分钟的时间来确定位置。该系统还装有接收测量设备,能够探测紧急情况下的无线电信号。当卫星接收到了这些信号后,能够将其传送到地面站来计算精确坐标。

转型发展

由于低轨道卫星系统不能满足用户以及任务的需求,苏联需要建设一种通用的卫星导航系统。在经过全面的研究之后,苏联决定发射24颗卫星,使其平均分布在三个与赤道倾角为64.8°的轨道平面上,来组成全球卫星导航系统。这样能够确保即使是在几个卫星的导航仪失灵的情况下,苏联境内的导航服务依然可以照常使用。1982年10月,随着“宇宙-1413”(Космос-1413)卫星的发射,俄罗斯高轨道卫星导航系统——格洛纳斯(ГЛОНАСС)开始了研制试验。苏联解体之后,该系统由俄罗斯继承,并于1993年正式投入运行。1995年俄罗斯完成了由24颗卫星导航组成的第一代格洛纳斯系统的部署,开始了正常的运行。

攻坚克难

但是俄罗斯在90年代面临的严重经济问题使得其太空建设的资金大量减少,到2002年,俄罗斯的全球卫星导航系统仅剩7颗卫星能够正常运行,无法为俄罗斯提供正常的导航服务。鉴于此,俄罗斯于2002年启动了“2002-2011年全球导航系统”的联邦目标规划(Федеральная целевая программа)。在该提案的实施下,格洛纳斯系统得以保存并实现了现代化。2003年,首颗现代化卫星——格洛纳斯-M型卫星发射升空,并于2004年12月开始正常工作。到2009年3月,在轨工作的卫星已增加到20颗,其中包括3颗格洛纳斯-M型卫星。2011年,随着最后一颗格洛纳斯-M型卫星成功运行,俄罗斯的全球卫星导航系统的在轨可用卫星达到24颗,基本实现了满星座的部署计划,标志着其全球卫星导航系统的现代化任务开始进入第三阶段。

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

图2  格洛纳斯-M型卫星

不断进步

随着卫星导航技术的应用条件和领域越来越广泛,为了满足新形势的需求,俄政府在2012年发布了“2012-2020年格洛纳斯系统的维护、开发和使用”(Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы)的发展计划。新的提案提出要提高格洛纳斯系统的能力,确保其具有竞争力,实现俄罗斯在全球导航领域的领导地位。在该计划的指引下,2013年的时候,格洛纳斯系统实现了29颗卫星同步在轨,其中23颗处于运行状态,能够在全球范围内提供完整的导航服务。同时俄罗斯也在研制第三代卫星——格洛纳斯-K型卫星,并于2011年、2014年、2020年分别发射了三颗该型卫星。2020年2月,俄罗斯卫星制造商列舍特涅夫信息卫星系统公司(Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва)宣布,到2022年将有9颗格洛纳斯-K型卫星发射组网。

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

图3  格洛纳斯-K型卫星

 俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

表1  格洛纳斯系列卫星比较

   

2 格洛纳斯系统的组成部分

格洛纳斯系统由三个部分组成:格洛纳斯空间段、格洛纳斯地面段和格洛纳斯用户段。

格洛纳斯空间段

根据格洛纳斯系统的接口控制文件,格洛纳斯空间段由位于三个轨道平面上的24颗卫星组成,每个平面上的8颗卫星间距相等,可以实现对地面和近地空间进行全球覆盖。这些卫星在高度为19100千米、倾角为64.8度的环形轨道上运行,每颗卫星的运行周期大约在11小时15分钟。其主要功能是形成并传输一系列无线电信号来实现用户的导航定位。理想状态下,当卫星时间与用户设备时间一致时,可以通过3颗卫星来实现定位。但由于实际过程中卫星时间与用户设备上的时间是不同的,因此需要第四颗卫星来提供差异时间的信息。

格洛纳斯地面段

格洛纳斯地面部分用于格洛纳斯系统的状态监测、轨道参数的校正和导航数据的传输,由卫星发射场、指挥测量综合中心和系统控制中心组成。在导航系统首次部署期间,卫星发射场负责将卫星送入所需轨道,并对系统范围内的故障卫星进行定期更替。指挥测量综合中心用于卫星导航的信息供应,这是导航服务实施的必需内容。控制中心则负责协调系统中所有卫星的运行。

格洛纳斯用户段

格洛纳斯用户部分由用户接收器和相关的用户设备组成,用于导航信号的接收、导航参数测量以及数据的处理。用户设备种类繁多,配有专门的嵌入式计算机,可满足地面、海洋、空中和太空的任务需要。

3 格洛纳斯系统的国际合作

2014年乌克兰危机之后,俄罗斯与西方国家的关系骤降,其战略方向开始向东转移,俄罗斯也扩大了与我国的合作,其中包括在太空领域的合作。2014年6月,俄罗斯与我国签署了一份谅解备忘录,双方一致同意合作开发卫星导航系统。该备忘录将帮助俄罗斯在太空领域找到协同发展的途径,使其全球卫星导航系统更加兼容和实用,同时也为格洛纳斯系统与北斗导航系统的合作打开了大门。

2015年1月,俄罗斯国家航天集团和中国卫星导航系统委员会在两国政府首脑例会筹备委员会的框架下正式成立了中俄卫星导航重大战略合作项目委员会。该委员会下设四个专项工作组,负责详细的讨论和协调双方在卫星导航领域的合作,包括:确保格洛纳斯系统和北斗导航系统的兼容性和互操作性;增加两国领土内的测量站数量;进行卫星导航系统性能特征监测与评估。中俄卫星导航重大战略合作项目委员会的成立是格洛纳斯系统国际合作的标志性事件。

2016年普京访问北京期间,俄罗斯与我国签署了关于空间技术的全面知识产权保护协议以及其他协议,并在2017年完成了“中俄卫星导航监测评估服务平台”的建设。此后,俄罗斯持续开展卫星导航系统性能的监测评估工作,测试验证了不同环境下格洛纳斯系统在特定区域的服务性能,并与我国相互交换信息,在双方的门户网站上公开发布彼此卫星导航系统的运行状态与服务性能信息。

2018年,中俄卫星导航重要战略合作项目委员会第五次会议的召开,以及两国政府间合作协定的签署,加快推动了合作项目的务实开展。最终在2019年与2020年,中俄卫星导航合作的内容连续被纳入两国总理定期会晤的联合公报中,成为一项重要的议题。

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

图4  中俄卫星导航重要战略合作项目委员会第五次会议

俄罗斯全球卫星导航系统的发展历程与合作现状

表2  中俄卫星导航系统合作进程

2020年以来,尽管受新冠疫情的严重影响,但两国在卫星导航领域的合作仍然稳中求进。2021年,双方达成协议,在对方境内互相设立地面站。俄罗斯计划在上海、乌鲁木齐和长春设置地面站;中国则在奥布宁斯克、伊尔库茨克和堪察加地区彼得罗巴甫洛夫斯克设立3个北斗测量站,这将提高双方导航系统的全球范围和精准度。

2022年2月,中俄签订了《关于北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统时间互操作的合作协议》。通常,为实现全球卫星导航系统的精确定位,各组成卫星发射的信号需要做到同步,因此无论是美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯还是中国的北斗,都有各自的统一时间参考,称之为系统时间。互操作的作用则是通过实现两个系统的协调运行,能够在用户端利用来自不同系统的信息,从而获得比单独使用一种系统更好的服务性能。目前来看,随着全球卫星导航系统的国际格局演进,各国都在寻求通过兼容与互操作来维护国家的核心权益,互操作已经成为当前卫星导航技术研究的核心内容之一,也是全球卫星导航领域的关注热点和发展方向。对于全球卫星导航系统而言,实现导航信号的互操作需要考虑空间参考坐标、系统时间、载波频率和空间导航信号等。此次,北斗和格洛纳斯全球卫星导航系统之间系统时间的互操作必将对两国卫星导航系统的服务性能产生一定的影响,是两国向着实现全球卫星导航系统全面互操作的一次迈进。

4 结语

格洛纳斯系统对于俄罗斯而言有着极其重要的战略价值,随着国际格局的不断调整,格洛纳斯系统的发展也经历了不同的阶段。当前,世界正处于百年未有之大变局,合作是发展的最佳途径,格洛纳斯系统也将在与北斗导航系统的合作过程中焕发新的生机。伴随着2022年北京冬奥会期间两国达成的合作协议,可以预见,未来两国在卫星导航领域的合作将会得到进一步加强,在保持系统独立运行的前提下,通过合作积极实现资源的优化整合,同时充分发挥自主资源使用。中俄两国也将在合作中增加互信,共同发展。

(责任编辑:许朝)

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