近日，俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)公司總裁羅戈津表示，今年計(jì)劃發(fā)射數(shù)顆新一代格洛納斯（GLONASS）導(dǎo)航衛(wèi)星，并在2030年后將定位精度提高到10厘米。

那么，為什么俄羅斯要花這么大力氣升級(jí)格洛納斯？

GLONASS的俄語(yǔ)標(biāo)志，其實(shí)是GPS的俄文版（圖源：開(kāi)放版權(quán)）

作為蘇聯(lián)時(shí)代先進(jìn)航天科技的典型代表，格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從1976年開(kāi)始研發(fā)，從1982年開(kāi)始發(fā)射組網(wǎng)。蘇聯(lián)解體后，由于巨大的財(cái)政壓力，繼任者俄羅斯沒(méi)有辦法維持龐大的星座，導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸失去了全球覆蓋能力。但俄羅斯依然在有能力后繼續(xù)建設(shè)星座，并于2011年重建成功，這也是俄羅斯時(shí)代投資最大的航天項(xiàng)目。這意味著俄羅斯能徹底擺脫對(duì)GPS系統(tǒng)的依賴，戰(zhàn)略意義可見(jiàn)一斑。

目前全世界有四大能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，按照初次發(fā)射時(shí)間前后分別是美國(guó)GPS（1978）、俄羅斯格洛納斯（1982）、中國(guó)北斗（2000）和歐洲伽利略（2011）。其中，GPS一直有著連續(xù)的研發(fā)過(guò)程，衛(wèi)星經(jīng)歷了Block I、II、IIA、IIR、IIRM、IIF、IIIA等多個(gè)版本迭代過(guò)程，目前研發(fā)中的新一代IIIF衛(wèi)星將進(jìn)一步升級(jí)；中國(guó)北斗在短短20年內(nèi)，經(jīng)歷了一代、二代和三代的系統(tǒng)建設(shè)，涉及十余個(gè)不同型號(hào)衛(wèi)星，也在研發(fā)新一代衛(wèi)星；伽利略系統(tǒng)，也有相應(yīng)的新一代系統(tǒng)研發(fā)計(jì)劃。從這個(gè)角度看，格洛納斯必須要跟上各大系統(tǒng)升級(jí)的步伐。

不同于其他三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的碼分多址（CDMA，不同衛(wèi)星使用相同頻率和不同隨機(jī)碼）信號(hào)分發(fā)策略，格洛納斯從建成伊始就主要使用頻分多址（FDMA，不同衛(wèi)星使用不同頻率和相同隨機(jī)碼）策略，已有的三個(gè)版本衛(wèi)星GLONASS、GLONASS-M和GLONASS-K1均是如此。頻分多址的好處在于整個(gè)星座的抗干擾能力大為增強(qiáng)，但對(duì)于接收機(jī)頻率跟蹤帶寬的要求很高，相應(yīng)的制造成本將會(huì)大幅提升。加上蘇聯(lián)和俄羅斯時(shí)代均不重視商業(yè)化的推廣，以至于建成初期格洛納斯并未推廣到更大規(guī)模民用市場(chǎng)，錯(cuò)過(guò)了規(guī)模化效應(yīng)帶來(lái)的成本降低和市場(chǎng)效益。相比較GPS系統(tǒng)的順利發(fā)展歷程，民用市場(chǎng)上盈利空間的壓縮也是格洛納斯曾經(jīng)因財(cái)政問(wèn)題陷入困境的重要原因。

新一代GLONASS-K2衛(wèi)星（圖源：USSR BOY， CC BY-SA 4.0）

羅戈津所提到的新一代格洛納斯衛(wèi)星，應(yīng)該指最新型號(hào)GLONASS-K2，預(yù)計(jì)將在2022年實(shí)現(xiàn)首次發(fā)射。相比較此前的三個(gè)版本衛(wèi)星，它將會(huì)進(jìn)行全方位升級(jí)。一方面，它的衛(wèi)星平臺(tái)硬件條件大幅提升，質(zhì)量1.6噸、功率4.4千瓦，分別比此前的K1版本提升了70%和170%，衛(wèi)星壽命為10年，能盡可能降低組網(wǎng)更新頻率和相應(yīng)的火箭發(fā)射等成本；另一方面，它將新增更適合民用推廣和更高精度的CDMA信號(hào)分發(fā)策略，攜帶更先進(jìn)的星上原子鐘，整體定位精度將會(huì)大幅提升。預(yù)計(jì)K2衛(wèi)星的訂單為33顆，這足以重建一個(gè)新的格洛納斯系統(tǒng)。隨著未來(lái)幾年內(nèi)新一代K1和K2衛(wèi)星逐漸取代在軌的GLONASS-M型號(hào)，格洛納斯的整體定位精度將會(huì)逐漸提升。

不過(guò)，即便格洛納斯實(shí)現(xiàn)了K1和K2的“大換血”，恐怕依然距離羅戈津所說(shuō)的10厘米依然有一定距離。因?yàn)楦衤寮{斯的常規(guī)組網(wǎng)為24顆星在軌，考慮到俄羅斯的高緯度地區(qū)等因素，衛(wèi)星的軌道傾角更高，整體定位時(shí)的幾何精度因子并不理想。因而，即便世界上所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用同樣的衛(wèi)星和信號(hào)，格洛納斯s也很難實(shí)現(xiàn)擁有更多星和更多軌道面的GPS和北斗的定位精度。

GLONASS現(xiàn)有星座將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)充以提高精度（圖源：ESA）

而如果把俄羅斯人的目光放到2030年，這個(gè)進(jìn)一步提升的定位精度還是很有希望的。一方面，格洛納斯系統(tǒng)的組網(wǎng)衛(wèi)星大幅更新后，總組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量預(yù)計(jì)將在2025年前后逐漸提升到30顆以上，更新一代的GLONASS-KM型號(hào)衛(wèi)星也將逐漸投入使用；另一方面，格洛納斯還將引入6顆GLONASS-V型號(hào)衛(wèi)星參與組網(wǎng)，這些衛(wèi)星將不會(huì)放置到常規(guī)的中遠(yuǎn)地球軌道（MEO，距離地表約19000千米），而是放到獨(dú)特的苔原軌道（Tundra），這是一種高傾角的大橢圓地球同步軌道，最大特點(diǎn)是能在遠(yuǎn)地點(diǎn)長(zhǎng)期滯留，為俄羅斯的廣大高緯度地區(qū)提供更好的服務(wù)。在城市峽谷等容易造成信號(hào)遮擋的場(chǎng)景下，也能實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。

苔原軌道的特點(diǎn)明顯，適合高緯度地區(qū)（圖源：phoenix7777）

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略意義毋庸置疑，但需要大規(guī)模衛(wèi)星組網(wǎng)和持續(xù)升級(jí)換代的特點(diǎn)也導(dǎo)致了它注定是個(gè)極其昂貴的航天項(xiàng)目。因此，格洛納斯要想避免曾經(jīng)的“宕機(jī)中斷”并成功實(shí)現(xiàn)愿景中的定位精度，就必須要考慮自身的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，即大規(guī)模拓展民用定位市場(chǎng)，用商業(yè)的力量支撐自身的價(jià)值，這正是GPS系統(tǒng)長(zhǎng)盛不衰的根本原因。不過(guò)由于先入為主效應(yīng)，后發(fā)的幾大系統(tǒng)都很難挑戰(zhàn)GPS在民用市場(chǎng)的統(tǒng)治定位，只能在多模（多系統(tǒng)）衛(wèi)星導(dǎo)航方面爭(zhēng)取份額。且各后發(fā)系統(tǒng)彼此也構(gòu)成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，格洛納斯還不像北斗和伽利略一樣本來(lái)就擁有巨大的內(nèi)部市場(chǎng)（中國(guó)/亞洲人口稠密區(qū)域，歐盟區(qū)域），面臨的挑戰(zhàn)更大。

因此，格洛納斯也將推廣民用化作為戰(zhàn)略級(jí)目標(biāo)，研發(fā)中的GLONASS-KM型號(hào)衛(wèi)星重要使命就在于更加開(kāi)放的信號(hào)，將使用GPS、北斗和伽利略已有的頻率調(diào)制信號(hào)，大幅降低多模接收機(jī)融入格洛納斯的難度。整體上來(lái)看，格洛納斯的發(fā)展將逐漸從自家獨(dú)門的FDMA策略走向各大系統(tǒng)常用的CDMA策略，增加市場(chǎng)占有率。與此同時(shí)，俄羅斯航天局也在積極推動(dòng)各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和科研投入，增加格洛納斯的廣泛影響力。