高边疆之谋㊾｜俄提升卫星导航能力，欲与美国GPS试比高

【编者按】
11月25日，俄罗斯成功发射下一代导弹预警卫星的第五颗卫星，进一步提升导弹预警能力。这是俄继反卫星试验后提升军事航天能力的一个最新动作。
上个月中旬，俄罗斯国防部长绍伊古确认俄罗斯已成功测试反卫星武器。绍伊古强调本次测试中产生的卫星碎片绝不会对人类太空活动构成威胁。美英等西方国家则对于此次俄罗斯反卫星试验反应强烈。美国国防部称，“俄罗斯正在开发的反卫星武器或对美国和其他太空大国构成威胁。”
进入新世纪后，俄罗斯经济开始恢复和加速发展，加上有“政治强人”普京的领导，一度陷入深度衰弱的俄罗斯军事航天开始重振旗鼓，组建空天军、持续发射新军用卫星、研制反卫星武器……从军队编制、装备、航天工业等层面，多管齐下提升军事航天能力。《高边疆之谋》专题本期走进俄罗斯军事航天，通过系列文章尝试解析重振旗鼓的俄罗斯军事航天。

“格洛纳斯”-K导航卫星。

俄罗斯正发射新一代“格洛纳斯”-K导航卫星，提升卫星导航能力，欲与美国GPS试比高。
导航卫星在军事领域扮演越来越重要的角色，在现在战争中，导弹、制导炸弹、武器平台甚至单兵都需要导航卫星的支持，有了导航卫星的加持，精确制导弹药命中精度更高，平台或人员可以更好地知道自己在哪里。
起起伏伏的“格洛纳斯”
1957年10月，苏联发射了人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”，正式拉开了进军太空的序幕，也开启了人类依靠卫星进行导航的时代。在观测这颗卫星过程中，美国霍普斯金应用物理实验室科学家发现卫星运动引起的多普勒频移效应，断言可以用来实现卫星导航。于是后来在60年代美国实施了“子午仪”卫星导航系统，并取得了成功。
冷战期间，苏联和美国之间的军备竞赛都是你有我也要有，最好是我有你无。美国发射导航卫星后，作为回应，苏联在1963年启动了“齐克隆”（Tsiklon）低轨道卫星导航系统，主要服务于海军水面舰艇和潜艇。1967年苏联成功发射了 “齐克隆”系统的第一颗卫星，至1978年苏联共发射了29颗试验导航卫星。从1974年起，苏联开始又发射“旋风”导航卫星系统。
“旋风”系统的卫星运行在1000千米的圆形轨道上，能提供大约100米的精度。“旋风”系统最初是军用系统，但后来广泛用于苏联/俄罗斯民用船只的导航。苏联解体后，在2003年之前，俄罗斯每年发射一颗这类卫星，以保证系统的正常运转。
无论是“齐克隆”还是“旋风”系统，都是依据多普勒原理，属于第一代导航系统（美国“子午仪”系统也是第一代导航系统），定位精度不高，加上卫星数量较少，用户接收信号耗时很长，满足不了用户实时定位的需求。在这种情况下，美苏都不约而同开始第二代导航系统，苏联研制了“格洛纳斯”（GLONASS），而美国组建了GPS系统。

“格洛纳斯”-M卫星整体水平与国际先进水平还有一些差距。

1982年，苏联发射了第一颗“格洛纳斯”导航卫星，开始组建第二代卫星导航系统，与美国类似，该系统包括部署在19000千米的半同步轨道，由空间段、控制段和用户段组成。与GPS系统不同的是“格洛纳斯”系统包括24颗部署在3个轨道面上，而美国的GPS是4个轨道面。此外，“格洛纳斯”系统采用频分多址调制方式（即把相同的伪随机码调制到不同频率的载波上），而美国GPS系统采用伪随机码来区分卫星码分多址的调制方式。
“格洛纳斯”系统的卫星从1982年开始部署，到1989年，苏联发射了35颗试验星和定型卫星，具备初始作战能力。苏联解体后，俄罗斯经济一蹶不振，“格洛纳斯”系统遭遇了管理不善以及资金缺乏的问题，加上卫星寿命短，普遍只有3年，俄罗斯政府几次商业化尝试“格洛纳斯”系统也没有获得成功。因此，很长一段时间，“格洛纳斯”系统处于半瘫痪状态，虽然系统处于运转中，但工作卫星的数目很少高于10颗，系统提供导航信息精度的能力非常有限。
此外，“格洛纳斯”终端装备的发展也严重滞后，不仅技术落后而且数量也少，这使得俄罗斯军方以及民用客户难以有效利用“格洛纳斯”提供的数据。在第一次车臣战争中，俄罗斯国防部只能购买美国GPS设备，满足军方需求，甚至出现空军飞行员自费购买GPS设备的现象。
加紧构建新“格洛纳斯”系统
进入21世纪，政治强人普京上台，加上原材料国际价格的上涨，俄罗斯经济发展迅速，腰包渐鼓的俄罗斯也有了更多资金发展航天，重振“格洛纳斯”系统计划在2002年启动。
2004年起，俄罗斯开始发射改进型导航卫星“格洛纳斯”-M卫星，该卫星设计寿命从3年延长到7~8年，具有更好的信号特性，并且具备星间链路功能。第一颗“格洛纳斯”-M卫星于2004年12月发射。至2007年底，卫星星座中有14颗卫星是“格洛纳斯”-M卫星，到2011年10月，“格洛纳斯”系统已经拥有满足工作需求的24颗卫星。
但即使是2003年开始投入使用的“格洛纳斯”-M卫星，总体性能上还存在短板。 比如卫星采用密封式设计，卫星主体是个密封的舱体，这也是俄罗斯面对自己电子工业等诸多精密工业基础薄弱的应对之策，而新型导航国家卫星是非密封式的，所有载荷设备都在真空中工作，简化了卫星的总体设计，而且寿命等指标也都更为出色。 而且频分多址的设计导致导航终端兼容格洛纳斯信号代价更大,而新出现的“伽利略”和北斗系统都采用码分多址设计,这导致“格洛纳斯”在国际民用市场竞争中处于劣势。
为了迎头赶上国际先进水平，“格洛纳斯”-M卫星研制成功后，俄罗斯又马不停蹄地研制“格洛纳斯”-K卫星，该卫星采用新的卫星平台——“快车”-1000，采用了新型原子钟，定位精度更高，并且增加了码分多址设计。此外，卫星的寿命更长（在轨寿命延长至10年），可靠性也更高。
2011年，“格洛纳斯”-K卫星首颗试验星发射升空，但很长一段时间没有批量发射，主要是因为西方制裁，部分此前从西方进口的零部件只能靠国内解决。2020年10月25日，俄罗斯成功发射第三颗“格洛纳斯”-K卫星，计划2021至2023年继续发射8颗该系列卫星。同步研制“格洛纳斯”-K2卫星原计划2021年开始发射，2030完成新一代卫星部署。但受疫情和技术等原因的影响，发射也推迟。

未来，随着”格洛纳”-K卫星数量的增加，俄罗斯卫星导航能力将进一步提升。

去年11月，在成都举行的第十一届中国卫星导航年会上，来自俄罗斯国家航天集团公司“格洛纳斯”系统部的巴依吉尔金娜女士通过视频电话的形式在大会表示，俄罗斯新一代“格洛纳斯”-K卫星和“格洛纳斯”-K2卫星具有可发射的导航信道数量多（分别为5个、7个和9个）、使用寿命长（分别为7年、10年）的特点。同时“格洛纳斯”-K卫星在抗干扰和PNT（定位，导航，授时）技术上都得到了长足的进步，新一代的“格洛纳斯”-K卫星星还会在5G技术上做一些探索。巴依吉尔金娜还表示，他们更新一代的“格洛纳斯” -K2卫星预计在2023年择机发射。
为了提升“格洛纳斯”的导航能力，其开始构建混合星座，强化区域能力。计划增加IGSO和GEO卫星，实现双频多星座区域增强。据称，2025年前，俄罗斯计划发射6颗IGSO轨道的“格洛纳斯”-B卫星，播发3个频点民用CDMA信号，东半球服务性能提高25%，“格洛纳斯”-B卫星和“格洛纳斯”-K2卫星卫星还将增加精密单点定位（PPP）服务能力。在地面段，俄罗斯将大幅增加地面站的数量，进一步提高定位精度。
在抗干扰能力方面，俄罗斯规划了未来10年接收机抗干扰/抗欺骗能力提升路线图，更加注重接收机的抗干扰/抗欺骗能力，以专用接收机为例，从2020年到2030年，抗干扰能力从40dB提升到90dB，抗欺骗成功率从0提升至100%。
目前，“格洛纳斯”卫星导航系统包含27颗卫星，其中包括“格洛纳斯 - M”24 颗，3“格洛纳斯”- K，可确保覆盖全球，特殊用户定位精度在1米左右，民用用户在5米左右。虽然与最新GPS卫星还有差距，但基本满足俄罗斯国内国防和民用的需求。由于定位精度提升，可靠性提高，这几年我们也看到俄罗斯推出了多种卫星制导的炸弹，复合制导的导弹也开始增加卫星制导作为中继制导。
根据俄罗斯规划，为确保2030年后“格洛纳斯”系统导航精度、可用性和完整性水平的要求，“格洛纳斯”系统精度将在2030年后提高到0.1米的水平，与GPS相当。

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