GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)課件

1、GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng) 一、GLONASS 系統(tǒng)建立的歷史過程 1960 年晚些時候，前蘇聯(lián)軍方確認需要一個衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)用于新一代彈道導彈的精確導引，而當時已有的旋風（Tsiklon）衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收站需要好幾分鐘的觀測才能確定一個位置，因此不能達到導航定位的目的。 1968-1969年，前蘇聯(lián)國防部、科學院和海軍等一些研究所聯(lián)合起來，計劃為海、陸、空、天武裝力量的定位與導航需求建立一個單一的解決方案，直到 1970年這個系統(tǒng)的需求文件才編制完成。 經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。該計劃的第一次衛(wèi)星發(fā)射是在1982年10月12日進行的，19

2、93年9月俄羅斯總統(tǒng)葉利欽正式宣布GLONASS將成為一個工作系統(tǒng)。 1994年開始進行布滿星座的7次發(fā)射計劃的第一次發(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)射到預定軌道，標志著 GLONASS星座已經布滿。經過數據加載、調整和檢驗，1996 年 1月18日24 顆衛(wèi)星正常發(fā)射信號，健康有效地工作，至此GLONASS系統(tǒng)正式建成并投入運行。GLONASS系統(tǒng)比GPS起步晚9年，全系統(tǒng)正常運行比 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13年，共

3、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)。 事實上GLONASS 系統(tǒng)的建立被規(guī)劃為3個階段： 第一階段:1983年-1985年，星座實驗時期。進行系統(tǒng)概念實驗，軌道上僅有 4-6 顆衛(wèi)星。 第二階段：1986年-1993年，完成飛行實驗驗證，初始系統(tǒng)運行。軌道上有12顆衛(wèi)星，并展開了廣泛的系統(tǒng)實驗。當時，俄羅斯進一步認為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航規(guī)劃的基礎。 第三階段：1993年-1995年， 完成了24顆星的星座系統(tǒng)，系統(tǒng)投入運行，與此同時，俄羅斯宣布GLONASS具備了完全工作能力。 在 1

4、996-1998年間，由于經濟困難，GLONASS星座得不到正常的維護，導致系統(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)星在正常運行。俄羅斯曾經制定過一個GLONASS星座漸進增強計劃，計劃在2001 年有12顆全功能工作的衛(wèi)星，但根據最新情報，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)和用戶設備三部分組成。1 GLONASS 星座GLONASS星座由 21 顆工作星和

5、3顆備份星組成，24 顆星均勻地分布在 3個近圓形的軌道平面上，這三個軌道平面兩兩相隔120度，每個軌道面有8顆衛(wèi)星，同平面內的衛(wèi)星之間相隔 45 度，軌道高度1.91萬公里，運行周期11小時15 分，軌道傾角 64.80。星座系統(tǒng)如圖所示。 GLONASS衛(wèi)星結構采用增壓密封圓柱體，衛(wèi)星下面裝有12個導航信號天線、各種測控天線和姿態(tài)敏感器等，圓柱側壁是軌道校正發(fā)動機、姿態(tài)控制系統(tǒng)、熱控制通氣窗和太陽帆板等，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，整星質量 1400千克，高3米，太陽帆板展開時寬度為7米 以 上 ， 功 率 為 1600瓦，壽命 1-3 年。 在建立 GL

6、ONASS星座系統(tǒng)時，共使用了兩種火箭發(fā)射衛(wèi)星，一種是質子號火箭(一箭三星發(fā)射入軌)，另一種是聯(lián)盟號火箭。地面支持系統(tǒng)的作用主要包括如下幾個方面： (1) 測量和預測各顆衛(wèi)星的星歷； (2) 將預測的星歷、時鐘校正值和歷書信息上行加載給每顆衛(wèi)星，以便以后編入導航電文； (3) 使星鐘與GLONASS系統(tǒng)同步； (4) 計算GLONASS系統(tǒng)時和UTC(SU)之間的偏差； (5) 進行衛(wèi)星跟蹤、控制與管理； (6) 監(jiān)測GLONASS導航信號，如果發(fā)現異常，便將這些異?；貓蠼o系統(tǒng)控制中心。 3 用戶設備 GLONASS 用戶設備即接收機;能接收衛(wèi)星發(fā)射的導航信號，并測量其偽距和偽距變化率，同時從

7、衛(wèi)星信號中提取并處理導航電文。接收機處理器對上述數據進行處理并計算出用戶所在的位置、速度和時間信息。GLONASS系統(tǒng)提供軍用和民用兩種服務。 GLONASS系統(tǒng)絕對定位精度水平方向為 16 米，垂直方向為25米。目前，GLONASS 系統(tǒng)的主要用途是導航定位，也可以廣泛應用于各種等級和種類的定位、導航和時頻領域等，具體體現在在陸地、空中、海上和太空的 4種應用模式;。 GLONASS 用戶設備在國際上發(fā)展比較緩慢，其原因一方面是由于俄羅斯剛剛建立市場經濟體制，仍然依靠國營力量研制、生產GLONASS接收機；其次是由于GLONASS系統(tǒng)運行不穩(wěn)定；第三是由于采用頻分體制，用戶設備比較復雜，加之

8、前蘇聯(lián)對其技術保密， 致使用戶設備在極少數幾家研制生產，結果造成了品種少、功耗大、體積大且笨重、可靠性差、市場占有率低的被動局面。 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)構成、定位原理和服務方式,但是兩者之間仍存在著如下差異:1)不同的參考時間系統(tǒng)。盡管兩者均屬于原子時系統(tǒng),但是時間系統(tǒng)與1980年1月6日0時美國海軍天文臺華盛頓的協(xié)調世界時()相一致,是一個沒有跳秒的連續(xù)計時系統(tǒng)。時間系統(tǒng)是基于莫斯科的協(xié)調世界時(),并具有同步跳秒的系統(tǒng)。因此時間與()之間僅相差3和小于1的系統(tǒng)差,而沒有跳秒差。 2)不同的參考坐標系統(tǒng)。采用的是美國國防制圖局建

9、立的世界大地坐標系 84;而采用的是前蘇聯(lián)軍事測繪部建立的大地坐標框架 90。 3)不同的廣播星歷內容。系統(tǒng)是以開普勒軌道根數的形式播發(fā)導航星歷的,每隔2更新一次;依據開普勒軌道方程,并考慮衛(wèi)星的受攝運動,計算衛(wèi)星在 84坐標系中的瞬時位置。系統(tǒng)是直接給出參考歷元的衛(wèi)星位置、速度、以及日月的攝動加速度,每隔30更新一組星歷參數;通常用4階的Runge Kutta法進行數值積分,得到衛(wèi)星在 90坐標系中的瞬時位置。 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;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。

10、GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星頻段已超越國際電信聯(lián)合會(ITU)的規(guī)定,因此在ITU的要求下,俄羅斯于1993年9月開始實施GLONASS系統(tǒng)改頻計劃。該計劃分為三個階段,預計將到2005年才能最終完成。 衛(wèi)星向地面發(fā)射2個頻段的信號: fL1=1602+0.5625() fL2=1246+0.4375() =0,1,2,24為衛(wèi)星頻道號.在GLONASS系統(tǒng)中,不同的衛(wèi)星采用不同的載波頻率發(fā)送信號,這就是GLONASS的頻分多址(FDMA)性. 頻分多址：除了使接收機設計復雜,價格昂貴外，而且干擾了射電天文科學家的研究工作。 射電天文學家在GLONASS頻率附近使用1610.6-1613.8MHz和

11、1660-1670MHz頻段觀察星際空間中從羥基輻射的非常微弱的自然射電信號（光譜），二者產生干擾。國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定上述頻段射電天文學家是主要用戶；同時ITU還將1610-1626.5MHz頻段分配給了近地軌道移動通信衛(wèi)星的經營者。 GLONASS管理部門最終決定減少衛(wèi)星所用的點頻數，并調整到稍低的頻段上。 結果：系統(tǒng)僅使用12個主用頻率信道（加2個用于試驗的備用信道），頻段移到1598.0625-1604.25MHz和1242.9375-1247.75MHz。解決方法是處于地球正面和背面的衛(wèi)星（同一軌道面上緯度幅角間隔1800的兩顆衛(wèi)星）公用同一頻率，實際應用十分成功。 (3)建設

12、與開發(fā)的缺陷 GLONASS系統(tǒng)與系統(tǒng)是在同時代規(guī)劃設計、試驗研究和投入工程應用的。然而,系統(tǒng)在政治、軍事和經濟方面取得的巨大成功是GLONASS系統(tǒng)所不能比擬的。GLONASS系統(tǒng)的建設與開發(fā)至少存在三個方面的缺陷: 1)衛(wèi)星在軌運行時間短,更換頻繁,增加重復投資; 2)不注重民用市場開發(fā),使投資經費不能得到有效補充; 3)系統(tǒng)采用區(qū)分衛(wèi)星方式,使接收機設計復雜,價格昂貴。 四四 GLONASS的未來的未來 1 GLONASS未來的整體規(guī)劃俄羅斯目前正在著手系統(tǒng)維護與GLONASS更新建設工作，并進行了如下三個階段的整體規(guī)劃： 第一階段：滿足GLONASS系統(tǒng)星座衛(wèi)星數量的最小需求； 第 二

13、 階 段：開發(fā)新一代GLONASS-M衛(wèi)星，增長衛(wèi)星壽命和提高衛(wèi)星性能，使星座衛(wèi)星數量達到18顆，包含 GLONASS-M與GLONASS衛(wèi)星； 第三階段：開發(fā)小衛(wèi)星GLONASS-K，增強并提高性能，使星座衛(wèi)星數量達到24顆，包含 GLONASS-M 與GLONASS-K，使國內和國外用戶都能接受。 GLONASS系統(tǒng)軌道部署分為以下2個階段進行： 第一階段：2006年左右，將增加至18顆衛(wèi)星，其中一些是GLONASS-M衛(wèi)星； 第二階段：2006年之后，將發(fā)射 GLONASS-K 衛(wèi)星，部署并保持24顆衛(wèi)星。 2 GLONASS-M衛(wèi)星 GLONASS-M衛(wèi)星是GLONASS衛(wèi)星的改進系列

14、，與現正在運行的GLONASS衛(wèi)星的區(qū)別主要體現在如下幾個方面：（1）導航信號特性： 頻段與原來比較向左偏移,L1= 1598.0625-1605.3755.11兆赫； L2= 1242.9375-1248.6255.11兆赫。 L2的輸出功率是原來的兩倍。 原來保留的字節(jié)被占用，增加一些附加的信息，例如：增加 GPS和GLONASS時間刻度的偏差、導航電文的有效標識(每隔4秒鐘發(fā)射一次)、指出 UTC(SU)時間刻度修正參數和導航數據的時間等信息。 安裝濾波器，消除了在1610.6-1613.8兆赫和1660.0-1670.0兆赫的頻段干擾。 在L1和L2頻段上，對于偽距測量的應用方式，民用用戶可同時應用。 (2) 導航信號的穩(wěn)定性被增加到110-13。這主要是由于采用了銫鐘，而銫鐘具有精確溫度穩(wěn)定性。 (3)導航精度提高一倍。 (4)衛(wèi)星壽命增加到7年。 (5)星上預留了50千克質量和350瓦功率，還預留了部分數據接口，可以適當地調節(jié)星上載荷。 GLONASS-M 衛(wèi)星也計劃采用一箭三星的方式發(fā)射(用質子M火箭發(fā)射)，或采用單星發(fā)射(用聯(lián)盟號火箭發(fā)射)。 3 GLONASS-K衛(wèi)星 在現代化的第三階段計劃開發(fā)GLONASS-K