俄罗斯GLONASS系统发展综述

李子富

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033）

0 引言

GLONASS是俄罗斯航天部队为俄罗斯政府运行的无线卫星导航系统,它与美国的全球定位系统(GPS)、中国的“北斗”导航系统，欧洲“伽利略”导航卫星作用相当。本文概括了GLONASS的发展、组成和军事运用，并重点以叙利亚战争为场景，介绍了GLONASS系统在高精度武器、导航和指挥控制3个主要领域的运用情况。在此基础上，进一步概述了GLONASS系统未来发展的方向和重点。

1 GLONASS发展概述

1976年，苏联正式启动GLONASS导航卫星系统项目的研发，虽然中途发展坎坷，但最终还是完成了GLONASS现代化建设，实现了全球导航功能。GLONASS空间段现代化主要包括三个阶段：第一阶段，维持GLONASS卫星“最低需求水平”的轨道星座；第二阶段，开发GLONASS-M卫星，基于GLONASS卫星和GLONASS-M卫星实现18颗卫星的星座部署；第三阶段，开发GLONASS-K卫星，基于GLONASS-M卫星和GLONASS-K卫星实现24颗卫星的星座部署。其信号从1个L频段开始向3个L频段扩展，调制样式从FDMA向CDMA扩展，信号功率也大幅提升，至此GLONASS卫星导航已可提供5个民用导航信号。其GLONASS卫星及信号现代化计划如表1所示。

表1 GLONASS卫星及信号现代化计划

2 GLONASS系统组成

GLONASS由航天器子系统（空间段）、运控子系统（控制段）和用户导航设备子系统（用户段）3个子系统组成。

2.1 空间段

GLONASS卫星组成了GLONASS空间段，其功能包括导航保障，时间保障，运行管理、控制和弹道保障，由星载目标设备、星载控制设备、星载保障系统和机构件来完成。GLONASS的卫星种类包含了GLONASS（第一代）、GLONASS-M（第二代）和GLONASS-K1（第三代），目前，第一代GLONASS卫星已不再使用。卫星分置在3个轨道平面内。每个轨道面内都有8颗卫星。轨道面序号1、2和3按地球旋转方向排列。第一轨道面内卫星编号为1—8，第二轨道面内卫星编号为9—16，第三轨道面内卫星位号为17—24。轨道面内卫星编号按卫星绕地球旋转的反方向排列。截至2021年5月，在轨GLONASS卫星有27颗（其中23颗处于运作状态，1颗维修状态，1颗备用状态，2颗处于飞行测试阶段）。

2.2 控制段

GLONASS地面控制部分最初由1个系统控制中心、5个遥测遥控站（含激光跟踪站）和9个监测站组成，系统控制中心位于莫斯科，遥测遥控站分别位于圣彼得堡、叶尼塞斯克、共青城、萨雷沙甘（哈萨克斯坦）和捷尔诺波尔（乌克兰）。苏联解体后，乌克兰和哈萨克斯坦境内的控制站不再参与GLONASS的保障工作，所有任务由俄罗斯境内的控制站承担。

随着GLONASS系统不断恢复，为了提高GLONASS的完好性、精度和可靠性，俄罗斯联邦航天局希望在其境外建立地面监测站。此外，还需要在其他国家建立更多的参考站，以提高GLONASS运行控制段的稳定性，使之与GPS的相关网络具有可比性。

2010年俄罗斯联邦航天局曾计划将境外监测站增加到14～15个，包括在境外部署监测站，还计划在澳大利亚、古巴和南美地区有关国家建设地面监控站。

为改善地面控制设施，还将扩展与GPS相类似的接收监测站网络以及在主控站中实现软件现代化，以对上述监测站产生的单向码和载波相位测量数据进行处理。

另外一项改进措施是对通信网络和软件进行升级换代。由于GLONASS系统原先的跟踪测控站主要基于与雷达相似的方法对卫星进行跟踪和测距，再辅之以激光跟踪站测距，以校准跟踪雷达。这种方法虽然有优点，然而设备庞大，造价昂贵，难以做到长期连续运行而无故障。改用GPS那样的无源跟踪法便可以避免这样的问题，但是对通信网络和软件的要求较高。所以通信网络和软件的现代化也势在必行。

经过多年的发展，截至目前，GLONASS地面段部分具体包含了2个系统控制中心、9个参考站、6个上行链路站、3个激光测距站。

2.3 用户段

GLONASS用户设备(即接收机)能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用2种服务。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。

GLONASS用户设备接收和处理导航卫星播发的无线信号后，确定用户空间坐标和速度矢量分量、当前时间和其他导航参数。

GLONASS用户导航设备是模拟数字系统，结合了模拟和数字信号处理。用户导航设备概略示意图如图1所示，其中包括天线、射频单元、频率合成器、模/数转换器和数字信号处理器。

图1 用户设备的概要示意图

3 GLONASS的军事应用

3.1 军事应用概述

GLONASS卫星主要用于3种关键军事应用：导航、高精度武器和自动化指挥控制系统。

最初，俄罗斯国防部优先战略部队（主要武器有洲际弹道导弹和海上、空中、地面巡航导弹）使用GLONASS系统，在未使用GPS信号时，GLONASS卫星单独制导可达到20～30 m的精度，已经足够载有核弹头的弹药使用。

首个使用GLONASS卫星的军事应用是改进的洲际弹道导弹系统。该导弹由667BDRM核潜艇发射。改进的导弹系统项目于1999年开始发起，增加了卫星制导能力，命名为R-29RMU 2 Sineva，2007年正式服役。增加卫星导航后，该系统极大地提高了精度，简化了潜艇发射数据预备操作。俄罗斯后来的核导弹，如Yars和Bulava导弹，都使用了GLONASS系统。

首个使用GLONASS系统的非核战略弹药是空中发射的Kh-101巡航导弹（核版导弹为Kh-102）。这种新的导弹射程超过4 500 km，由于射程距离较远，如果仅依靠传统的惯性导航，精度会逐渐下降，尤其是在开放海域。而使用了GLONASS系统的Kh-101目标偏差低于10 m，未使用GLONASS系统的Kh-555导弹的误差达到了25～30 m。

大约在2000年，由于紧凑型接收机的兴起，俄罗斯开始研制卫星制导战术武器。PSN-2001接收机是紧凑型接收机的一种，它可以集成到各种不同的机载弹药中，包括KAB-500S弹药。PSN-2001可以接收L 1频段的GLONASS信号，也可以接收未加密的美国GPS民用信号。它也可以接收来自地面差分纠正站的信号来减小定位误差。这种工作模式使得俄罗斯即使在GLONASS系统勉强可用GLONASS时，也可以开发和测试高精度弹药。

俄罗斯下一代卫星制导武器是KAB-500S精确制导弹药。它不同于美国的JDAM弹药制导装置，JDAM制导装置只能安装在普通自由坠落弹药中，而俄罗斯的应用范围更广，但性能类似。KAB-500没有使用推进器和复杂制导系统，相对较为便宜。其投放高度可达500 m～5 km，投放距离达到9 km。其出口版本缺乏差分纠错能力，精度只能达到7～12 m。

俄罗斯还开发了一种轻型弹药版本KAB-250，可安装在Su-57第五代战机内部隔舱或外部吊舱上。有消息称，在叙利亚战争中，该弹药与Su-34战机综合后实现作战应用。

俄罗斯针对受保护的目标，专门开发了多种卫星制导的空射导弹。这些导弹比制导弹药昂贵，但是可以不进入敌防空作战范围内而摧毁目标。此类导弹的典型包括Kh-25MS、Kh-38MK和Kh-59MK2。Kh-25MS和Kh-38MK发射距离达到40 km，Kh-59MK 2发射距离达到100 km。

俄罗斯目前所有的现代战舰和地面车辆都配有卫星导航技术。如最新的T-90坦克和正在研制的装甲车等。这样可使地面战车与战术及其更高层的自动化指挥控制系统兼容。甚至于单兵作战系统都配有此类系统。此外，卫星制导技术还应用在了航母直升机的辅助着陆方面，如20380和20385巡洋舰的辅助着陆。

俄罗斯的陆军部队，包括运输和侦察部队，也都在努力集成GLONASS技术。他们已经开始接收此类系统，如Strelets侦察、控制和通信组件，可以获得目标的坐标，并将其反馈给自动指挥控制系统或瞄准火炮和空中发射武器。

卫星坐标对于军事地理信息系统也是必不可少的。此类系统是自动指挥控制系统的核心。在动态和不断变化的环境中，如果具有战场控制设备和交战目标的精确坐标，作战效能将会大幅度提升。此外，GLONASS信号可以用于精确时钟同步，这对于高精度武器和指挥控制同样重要。

3.2 典型应用场景

叙利亚战争是俄罗斯GLONASS典型军事应用场景。俄罗斯在叙利亚的军事作战始于2015年9月，这是俄罗斯首次在战场上试验卫星导航系统的能力。

在叙利亚战场上，大多数时间，GLONASS卫星的可用率都在95%以上。叙利亚战场上首批装备最新定位和导航系统的各种作战飞机，包括Su-24M、Su-25SM、Su-27SM 3、Su-30、Su-34和Su-35飞机，以及“图”-22M 3远距离轰炸机。飞机和目标的精确实时3D坐标，综合大气环境数据，可让新系统改进精确打击能力，甚至能提高普通的未制导炸弹的精度。

广泛地使用卫星导航技术可以尽可能地发挥旧式炸弹的威力。这些炸弹可以自动根据预置过程，在飞行过程中投下未制导的弹药。偶尔，这些可能在夜晚或浓密云层覆盖情况下完成，即无需看到真实目标就可以完成投射。之前，旧式炸弹只能打击塔楼或机场大小的目标，借助卫星导航技术后，可以打击单个堡垒或建筑。

例如，Su-25SM战斗机可在目标高度200～300 m，水平范围10～15 m的地方投放炸弹。在叙利亚，这种新能力使得常规炸弹可作为轻型炸弹使用。经过实战表明，采用卫星制导的远距离炸弹可以投放大量自由落体炸弹以轰炸大型工业设施。

然而，这些灵巧的目标瞄准系统还无法完全替代高精度武器。叙利亚战争中使用的高精度武器类型信息鲜少披露。只有俄国防部提到过Kh-101和Kalibr巡航导弹，以及KAB-500S制导空中炸弹。这些炸弹都采用了GLONASS系统，也是叙利亚战争中使用的主要炸弹。2015年，俄罗斯从里海的战舰上发射了26颗Kalibr-NK巡航导弹，以打击1 600 km远的目标。此次巡航导弹的发射表明这些导弹能够穿越复杂的多山区域，证明了俄罗斯具备远距离高精度常规打击能力。

KAB-500S卫星制导炸弹通常由Su-34轰炸机投放，最初其针对的是高价值目标，如指挥中心、弹药库和武器工厂。后来，俄空军利用该炸弹与地面部队配合，轰炸前线。俄国防部称，KAB-500S炸弹在叙利亚战争中的精度可优于5 m。

俄罗斯在叙利亚演示了许多采用GLONASS制导的高精度武器。这也意味着，俄罗斯已经在该区域布置了许多地面差分纠正站，由于友方政府的支持，这并不困难。但超出俄罗斯本土和盟军国家范围，这些差分纠正站的建立就不太容易了。

俄罗斯在叙利亚部署超过70架无人机，这些无人机上都装有卫星导航设备。这也是这些无人机导航的主要手段。无人机不仅可以查找目标，还可以捕获目标精确坐标，然后将这些信息发送给高精确武器系统和指挥控制系统。

俄罗斯也在叙利亚地区部署了各级的自动指挥控制系统（从战术级至战略级）。其中Strelets侦察、目标指示和通信系统，是战术自动指挥控制层的重要组成部分，可用于捕获地面目标的坐标。

4 GLONASS的未来发展

4.1 中俄将加强导航卫星战略合作

俄罗斯为提高导航卫星的精度和鲁棒性，开始谋求与中国进行导航卫星战略合作。2015年1月，在中俄总理定期会晤委员会框架下，正式成立项委会，建立起政府间推动两系统深度合作的平台和机制。近几年，项委会先后召开6次正式会议，成立4个工作组，签署发布兼容与互操作、联合应用等多个联合声明，开通运行两系统监测评估服务平台，联合开展两系统“一带一路”服务性能测试等，两国卫星导航领域合作务实推进、成果显著。2019年8月，中俄卫星导航重大战略合作项目委员会第六次会议在俄罗斯喀山举行。会议期间，经双方确认，《中华人民共和国政府和俄罗斯联邦政府关于和平使用“北斗”和GLONASS全球卫星导航系统的合作协定》即将生效。该协定作为中俄卫星导航合作的重要政府间文件，将为两国卫星导航领域合作提供法律和组织保障。

4.2 俄罗斯将发展辅助导航手段来增强卫星导航能力

为了防止GLONASS在战争中失效而影响作战，俄罗斯一直在发展无线电辅助导航系统：一是积极推进水下导航系统建设；二是发展陆基超远程导航技术；三是研发和装备“章鱼”-N1（Sprut）无线电高精度导航系统。

为了在水下作战中赢得先机，俄罗斯也在积极推进水下导航系统建设。2016年12月，俄罗斯发布招标计划,“俄联邦航天局”国家集团公司计划投入约18.4亿卢布，全面拓展GLONASS导航系统应用领域，将GLONASS卫星导航系统用于地下、水下和月球。水下导航计划通过GLONASS系统与地面无线电导航设备、水声数据传导设备以及激光数据传导设备的协同工作来实现。俄罗斯水下导航定位系统研发已取得重要进展。俄罗斯新型水下导航系统未来一旦服役，可在确保水下平台生存能力的同时，提升水下精确作战能力。这种系统虽然不是一种全新的系统，但它综合集成和改进了现有通信导航技术，在其运用上进行了创新，仍然具有革命性意义。

俄罗斯“阿尔法”陆基超远程导航系统是现今国际上唯一仍在正常运行的甚低频段无线电导航系统。该系统设计的工作范围覆盖全球70%的区域，到2017年己实现地球表面60%区域的覆盖。该系统信号传输稳定、衰减小，能穿透一定深度的海水或冰层，是实现水下/冰下无线电导航定位的重要手段。“阿尔法”导航系统可以采用测距差、测距与准测距3种方式进行导航定位，通常定位精度在3.7～7.4 km,为解决电波预测修正问题，俄罗斯在系统工作区内先后建起了31个“阿尔法”信号传播监测站。差分“阿尔法”的精度比普通的“欧米伽”的定位精度提高了3～5倍，白天的定位精度可达200～1 000 m。

俄罗斯最近研发并装备了全新的“章鱼”-N1（Sprut）无线电高精度导航系统，其确定物体所在位置的精度、高度和速度也要远高于GLONASS系统。“章鱼”-N1的地面基站可以给舰船传输加密信号，以此确定具体坐标。同GLONASS等传统的卫星定位导航系统不同的是，“章鱼”-N1的信号无法被抑制，体现出信号安全性高、对各种干扰“免疫”等特点。俄罗斯国防部透漏消息称，“章鱼”-N1系统设备已于2019年装备到某舰队舰只上开展试运行活动，同时将在俄罗斯境内建立2个地面基站。

4.3 俄将加强GLONASS卫星系统网络安全

2019年6月，GLONASS卫星系统首席设计师Korablev宣布了未来10年GLONASS卫星导航系统发展的主要任务，即加强其网络安全。他表示，欺骗攻击日益频繁，黑客可以通过复制导航信号来控制交通运输系统，因此俄将加强对GLONASS卫星的信号保护，使其免遭黑客远程攻击。最常见的黑客攻击发生在船舶导航系统中，船舶可能因此丢失位置、失去联系。俄导航计划的任务之一就是提高读数的准确性、加强网络防御。首席设计师没有披露加强卫星信号保护的具体措施，但GLONASS卫星系统将在2025年全部更换为新一代导航卫星GLONASS-K 2，卫星设备组件全部由俄罗斯本国生产。

4.4 俄将扩大GLONASS系统的武器出口

俄罗斯一直在关注先进武器系统的出口问题，这些武器系统也依靠俄罗斯的卫星导航服务，除了武器，这些系统还包含卫星导航装备、依赖于卫星信号的高精度武器平台、自动指挥控制系统。这些都是俄罗斯国防工业的竞争优势所在。其中典型项目就是俄罗斯与印度合作的BrahMos导弹项目，该导弹依靠GLONASS信号制导。印度也购买了俄罗斯许多其他使用GLONASS能力的先进武器。2010年，俄罗斯和印度签订了政府间的协约，同意印度获得加密的高精度GLONASS信号。

2017年有消息称，俄罗斯共同安全公约组织(CSTO)的盟军都允许接入加密军用GLONASS信号。截至目前，这些盟军只有少量的平台或弹药能够使用GLONASS卫星信号，但随着后续的交流发展，在不远的未来，这些国家都可借助GLONASS系统增强其军事能力。

5 结束语

GLONASS的发展历史，可谓是一部苏联到俄罗斯衰亡复兴史，经过多年的发展，GLONASS的现代化进程已经取得了阶段性的成果，其在轨卫星数已恢复满星座运行，系统的可用性较过去有了较大提升，已经成为仅次于GPS的卫星导航系统。GLONASS的用户数量稍逊于GPS，但随着与“北斗”系统战略合作的推进，其用户数量也开始不断提升，可以预见，GLONASS对于全球导航定位系统的贡献将越来越突出。■