在当今社会,60%的信息都与时间和定位有关。所以,拥有自主的时间和定位系统,不仅事关一个国家的独立自主,也事关其影响力。而,越来越多的国家正研制或应用导航卫星,其中除美国GPS以外,俄罗斯的GLONASS导航卫星最有实力。
向美国发起挑战
多年来,美国GPS导航卫星系统基本上独霸了世界卫星导航领域,全球97%以上的卫星定位用户使用该系统,GPS用户设备的年销售额突破了200亿美元,预计这一市场仍将以每年25%到30%的增速发展。对此,许多国家表示了极大的不满和不安,尤其是在军用导航方面。长期以来,美国对本国军方提供的是精确定位信号,对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号,也就是说,地球上任何一个目标的准确位置,只有美国人掌握,其他国家只知道个“大概”。另外,美国完全可能随时关闭伊朗、朝鲜等国家的卫星导航信号,不仅仅在战争期间,而且有可能是在经济封锁期间采取这一手段。
2007年,GPS设备成为伊朗扣押15名英国海军士兵的一个中心争论点。英国方面坚称,英军船只上的GPS设备显示,他们的船只位于伊拉克海域;而伊朗则表示,他们的GPS设备标明,英军已经越界闯入了伊朗海域。
为了打破美国的垄断,俄罗斯、中国和欧洲等国都在加快发展自己的导航卫星系统,因为一套不由美国五角大楼学控的卫星导航系统,很明显可以增加别国的外交自信。目前,俄罗斯GLONASS导航卫星有重振旗鼓之势,对美国GPS的威胁最大。
前任俄罗斯总统、现任总理的普京,非常重视GLONASS导航卫星星座的建设,指示从2007年起,由过去一年发射3颗导航卫星改为发射6颗,并称GLONASS应比GPS系统的成本更低、质量更好。2007年10月26日、12月25日,俄罗斯先后发射6颗GLONASS-M卫星,至此这一卫星导航系统总数达到18颗,覆盖了俄95%的国土面积和86%的地球表面。
俄罗斯还于2007年初取消了GLONASS的精度限制,使军控的全球定位系统实现了精准的、无限制的商业使用。目前,GLONASS的民用精度限制为30米。
2008年9月、12月,俄罗斯还计划用“质子号”火箭分2次发射6颗GLONASS导航卫星。整个GLONASS系统将于2009年前完成24颗卫星的部署工作,届时卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间,实现全球定位导航。据俄罗斯卫星生产商“列舍特涅夫应用力学科研生产联合体”总经理捷斯托耶多夫透露,到2011年,GLONASS系统地面定位精度将达到1.5米以内。
另外,俄罗斯还一直在发射名为“帆”(Patlls)的军用海洋导航卫星。其轨道高度1000千米,采用6星组网的工作模式。
好事多磨有希望
苏联于1982年10月发射了第一颗GLONASS卫星,主要用于军事领域。该系统卫星“满员编制”为24颗,21颗传送信号,3颗备用。俄罗斯于1995年12月正式建成了由24颗卫星构成的导航星座,使GLONASS进入实际工程应用阶段。
俄罗斯GLONASS卫星导航系统的原理和方案都与GPS相似,24颗卫星平均分布在3个轨道面上。这3个轨道平面两两相隔120。同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在高19100千米高、倾角64.8°的轨道上运行,轨道周期11小时15分钟。满配置的GLONASS星座能够使地球表面99%的地区连续观测到5颗以上卫星。
同GPS类似,GLONASS卫星导航系统的地面控制部分全部位于俄罗斯领土境内,地面控制中心和时间标准位于莫斯科,遥测和跟踪站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、叶尼申斯克和共青城。
虽然GLONASS系统的定位精度与GPS相当,但其应用普及情况则远不及GPS,这主要是俄罗斯没有开发民用市场,该卫星系统主要用于守卫俄罗斯的军事秘密以及保卫俄罗斯的国家利益。还有,GLONASS用户接收机价格昂贵也妨碍了其市场发展,再加上GLONASS卫星在轨平均寿命较短,俄罗斯无力及时发射补网卫星,目前在轨可用卫星只有18颗。前任俄罗斯国防部长伊万诺夫表示,18颗GLONASS能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务,确保不间断的舰船和飞机交通需求,但其他用户则不得不等待两小时或更长时间。
目前,俄罗斯正在“双管齐下”。一方面大力开放民用市场,以增加GLONASS的经济、社会等效益;另一方面着手GLONASS系统现代化的改进工作,从2003年起陆续使用新型卫星GLONASS-M,使卫星寿命从以前的3年提高到7年。正在研制的第三代GLONASS-K卫星工作寿命将在10年以上。
俄罗斯GLONASS-M新型导航卫星虽然仍采用GLONASS老式卫星平台,但由于星钟和其他关键元器件性能指标的改进,使其工作寿命可延长到7年,并配有升级型天线馈电系统和额外的民用导航频率。另外,GLONASS-M卫星总质量约1400千克,具有更好的信号特性,能提供第2个民用导航信道,增强了军方和私人用户的使用精度。
不过,GLONASS-M只是过渡型号,真正用于长期维持未来GLONAss星座的是2005年开始设计和研制的GLONASS-K。该卫星属于新一代导航卫星,采用俄、法合作研制的新型通信卫星平台“快车-1000”,在轨工作时间可长达10~12年;其质量约750千克,比以往的GLONASS卫星轻一半以上,这意味着新的中型“联盟_2”火箭可以从普列谢茨克航天中心一次发射2颗卫星,而无需使用成本较高的“质子号”重型火箭“一箭六星”发射;每颗GLONASS-K在L频段播发3个民用导航信号,能确保导航的可靠性和精确度,增强GLONASS系统在全球民用导航市场的竞争能力。首颗GLONASS-K试验与验证卫星于2008年发射,2025年前将把所有27颗GLONASS-K都送入太空,并使GLONASS系统的精度达到5米水平。由于卫星寿命大大延长,如果只保持18颗卫星组网,未来GLONASS系统每年只需进行1~2次补网发射,就能保持星座长期稳定运行。俄罗斯还将研制更先进的GLONASS-KM卫星,其方案正在制定之中,飞行试验将于2015年开始。
大同小异比比看
据统计,在当年GLONASS系统星座满配置运行时,地面只有3200台GLONASS接收机,其中1500台为民用;而同期GPS接收机生产厂商已达到59家,有342种产品投放全球市场,年销售额达到12.66亿美元,其中军用接收机仅占市场份额的1.5%。如今全球GPS接收机年销售额已突破百亿美元,有着巨大的民间和商业市场潜力。
GLONASS寿命短,早期最短在轨运行时间仅有5个月,卫星平均在轨工作时间也不到1.5年,所以更换频繁,增加了重复投资;而绝大多数GPS系统卫星在轨运行时间达到设计寿命要求(GPS-2、2A和2R的设计寿命分别为7.3、7.8和10年),最长已
达14年或更长。
在入轨方式上,GLONASS采用“一箭多星”直接入轨;而GPS采用“一箭一星”间接入轨,然后由星载固体发动机将卫星送入预定工作轨道。一般来说,多星直接入轨有助于降低系统成本,但也会带来多星俱损的风险等问题。
在星座优化设计上,GLONASS采用3个轨道面均匀分布的对称星座设计,其优点是可以使卫星在整个寿命期间最大限度减少机动,从而节省卫星所带燃料;而GPS星座由24颗卫星组网,分布在6个轨道面上,每个轨道面不对称非均匀地部署4颗卫星。所以它们的轨道面和轨道高度等参数有差异。
在轨道测定方法上,俄罗斯只在其辽阔的本土部署监测站,为了精确测量GLONASS卫星的运行轨道,采用的方法是:在每颗卫星上安装激光反射器,并在星座内部署2颗专用的激光测地卫星,然后通过地面激光测距站来精确测定GLONASS卫星的运行轨道。而美国是在全球部署地面跟踪测轨监测网,采用传统的轨道测量方法精确测定卫星轨道。
2008年2月中旬,俄罗斯审计院评价俄罗斯航天局的工作时表示,GLONASS系统不太可能与美国GPS系统形成有力的竞争。事实上,审计院怀疑GLONASS项目的商业面被夸大了。
俄罗斯航天局反复强调GLONASS系统的优势,声称该系统比GPS更廉价更具竞争力,接收机性能更好,提供的定位坐标更精确。但任何熟悉俄罗斯公路的人在严肃谈及GLONASS系统商业成就时都会犹豫不决,而GPS接收机在全球汽车驾驶人员中非常普遍。
不过,国家安全是一个截然不同的问题,因为俄罗斯武装部队需要不依赖GPS的自己的导航系统。然而全世界的飞机航线包括俄罗斯航线都非常依赖GPS系统,而且这种情况在一段时间内不太可能改变。
有报道称,2015年前GLONASS赶不上GPS。据俄罗斯《观点报》2008年2月14日报道,GLONASS项目负责人弗拉基米尔·克利莫夫透露,目前GLONASS系统有16颗在轨卫星(可能刚退役2颗),其中在用的是14颗,另外2颗处于技术维修状态。到2008年底还将发射6颗。由于此前会有个别卫星“退役”,据专家估计,到2009年GLONASS系统会有21颗卫星。2010年还将进行两次发射,使系统达到“满员配置”的24颗卫星。只要有18颗GLONASS卫星,信号就能高质量地覆盖俄全境。
目前,GPS定位精确度能达3~4米,甚至更小误差,而GLONASS是10.5米。为此,俄罗斯专家们正在对GLONASS系统进行修正,卫星的性能、地面指挥系统也在改善,这都有助于提高精确度,使其接近美国GPS系统的水平。印度以及中东、东南亚和拉美地区的一些国家现已对GLONASS感兴趣。澳大利亚也在使用GLONASS和GPS的双模接收机。俄罗斯航天局同印度签署了在印度建立监测站的协定,与澳大利亚也签署了相关合作备忘录。俄企业与乌克兰、白俄罗斯、哈萨克斯坦等国签订了合同。美国也没袖手旁观,俄美成立了专家工作组,负责研究系统兼容、互补及导航技术的利用等问题。重要的是,这并非政府间协定,或企业之间的合同,而是因为彼此的一种需要。
俄罗斯现有10来家企业生产卫星导航接收机。供普通消费者使用的国产双模接收机2008年就能上市销售。目前这种双模接收机比GPS接收器贵,但随着技术的完善和产量的增加,成本会逐渐下降到接近GPS系统的水平。以前市场定位主要是生产专业用接收机。20世纪90年代中期,飞机和轮船用的都是美国设备,现在俄罗斯卫星导航接收机也用到了飞机和轮船上。
俄罗斯航天部队司令弗拉基米尔·波波夫金上将不满意俄罗斯GLONASS的质量。2008年1月25日,他在莫斯科举行的新闻发布会上说:“GLONASS全球卫星导航系统卫星的部件质量引起了我们的极大忧虑。我可以举出许多例子,证明这些仪器存在各种故障。”波波夫金介绍,俄罗斯军队一共装备有1万多台GLONASS卫星导航接收机,由于该系统卫星集群目前没有达到要求,军队无法保证获得覆盖俄罗斯全境的连续信号。他还指出了GLONASS全球卫星导航系统在覆盖和使用领域所存在的其它问题。波波夫金认为,俄罗斯应该从国外进口航天器和地面设备的部分零备件。
2008年3月11日,俄第一副总理伊万诺夫对伊尔一76运输机首次通过GLONASS系统降落南极感到满意。伊万诺夫称,伊尔,76起飞时轨道上有6颗GLONASS卫星在工作,尽管只要有4颗GLONASS卫星就足以完成正常降落。该飞机所配备的仪器也可以接收GPS信号,不过它已被切断,只通过GLONASS系统来定位,其指示精度达到3~10米。伊万诺夫说,此前,飞机着陆南极只能“凭目测”,因此选拔的都是技术精湛的飞行员。尽管GLONASS系统存有争议,不过问题不在卫星,俄罗斯保证在一年半内制成24颗卫星。伊万诺夫认为,GLONASS的地面设备还存在问题,目前还难以满足国内市场的大量需求。
我们有理由相信,随着俄罗斯经济的不断好转、导航卫星寿命的延长和卫星导航市场的逐渐开放,GLONASS将在不久的未来崛起。
责任编辑:兆然