俄罗斯格洛纳斯定位精度达到10厘米，可行吗？

近日，俄罗斯国家航天集团公司总裁罗戈津表示，今年计划发射数颗新一代格洛纳斯（GLONASS）导航卫星，并在2030年后将定位精度提高到10厘米。

那么，为什么俄罗斯要花这么大力气升级格洛纳斯？

GLONASS的俄语标志，其实是GPS的俄文版（图源：开放版权）

作为苏联时代先进航天科技的典型代表，格洛纳斯卫星导航系统从1976年开始研发，从1982年开始发射组网。苏联解体后，由于巨大的财政压力，继任者俄罗斯没有办法维持庞大的星座，导致系统逐渐失去了全球覆盖能力。但俄罗斯依然在有能力后继续建设星座，并于2011年重建成功，这也是俄罗斯时代投资最大的航天项目。这意味着俄罗斯能彻底摆脱对GPS系统的依赖，战略意义可见一斑。

目前全世界有四大能实现全球覆盖的卫星导航系统，按照初次发射时间前后分别是美国GPS（1978）、俄罗斯格洛纳斯（1982）、中国北斗（2000）和欧洲伽利略（2011）。其中，GPS一直有着连续的研发过程，卫星经历了Block I、II、IIA、IIR、IIRM、IIF、IIIA等多个版本迭代过程，目前研发中的新一代IIIF卫星将进一步升级；中国北斗在短短20年内，经历了一代、二代和三代的系统建设，涉及十余个不同型号卫星，也在研发新一代卫星；伽利略系统，也有相应的新一代系统研发计划。从这个角度看，格洛纳斯必须要跟上各大系统升级的步伐。

不同于其他三大卫星导航系统的码分多址（CDMA，不同卫星使用相同频率和不同随机码）信号分发策略，格洛纳斯从建成伊始就主要使用频分多址（FDMA，不同卫星使用不同频率和相同随机码）策略，已有的三个版本卫星GLONASS、GLONASS-M和GLONASS-K1均是如此。频分多址的好处在于整个星座的抗干扰能力大为增强，但对于接收机频率跟踪带宽的要求很高，相应的制造成本将会大幅提升。加上苏联和俄罗斯时代均不重视商业化的推广，以至于建成初期格洛纳斯并未推广到更大规模民用市场，错过了规模化效应带来的成本降低和市场效益。相比较GPS系统的顺利发展历程，民用市场上盈利空间的压缩也是格洛纳斯曾经因财政问题陷入困境的重要原因。

新一代GLONASS-K2卫星（图源：USSR BOY， CC BY-SA 4.0）

罗戈津所提到的新一代格洛纳斯卫星，应该指最新型号GLONASS-K2，预计将在2022年实现首次发射。相比较此前的三个版本卫星，它将会进行全方位升级。一方面，它的卫星平台硬件条件大幅提升，质量1.6吨、功率4.4千瓦，分别比此前的K1版本提升了70%和170%，卫星寿命为10年，能尽可能降低组网更新频率和相应的火箭发射等成本；另一方面，它将新增更适合民用推广和更高精度的CDMA信号分发策略，携带更先进的星上原子钟，整体定位精度将会大幅提升。预计K2卫星的订单为33颗，这足以重建一个新的格洛纳斯系统。随着未来几年内新一代K1和K2卫星逐渐取代在轨的GLONASS-M型号，格洛纳斯的整体定位精度将会逐渐提升。

不过，即便格洛纳斯实现了K1和K2的“大换血”，恐怕依然距离罗戈津所说的10厘米依然有一定距离。因为格洛纳斯的常规组网为24颗星在轨，考虑到俄罗斯的高纬度地区等因素，卫星的轨道倾角更高，整体定位时的几何精度因子并不理想。因而，即便世界上所有的卫星导航系统都采用同样的卫星和信号，格洛纳斯s也很难实现拥有更多星和更多轨道面的GPS和北斗的定位精度。

GLONASS现有星座将会进一步扩充以提高精度（图源：ESA）

而如果把俄罗斯人的目光放到2030年，这个进一步提升的定位精度还是很有希望的。一方面，格洛纳斯系统的组网卫星大幅更新后，总组网卫星数量预计将在2025年前后逐渐提升到30颗以上，更新一代的GLONASS-KM型号卫星也将逐渐投入使用；另一方面，格洛纳斯还将引入6颗GLONASS-V型号卫星参与组网，这些卫星将不会放置到常规的中远地球轨道（MEO，距离地表约19000千米），而是放到独特的苔原轨道（Tundra），这是一种高倾角的大椭圆地球同步轨道，最大特点是能在远地点长期滞留，为俄罗斯的广大高纬度地区提供更好的服务。在城市峡谷等容易造成信号遮挡的场景下，也能实现更高的定位精度。

苔原轨道的特点明显，适合高纬度地区（图源：phoenix7777）

卫星导航系统的战略意义毋庸置疑，但需要大规模卫星组网和持续升级换代的特点也导致了它注定是个极其昂贵的航天项目。因此，格洛纳斯要想避免曾经的“宕机中断”并成功实现愿景中的定位精度，就必须要考虑自身的可持续发展问题，即大规模拓展民用定位市场，用商业的力量支撑自身的价值，这正是GPS系统长盛不衰的根本原因。不过由于先入为主效应，后发的几大系统都很难挑战GPS在民用市场的统治定位，只能在多模（多系统）卫星导航方面争取份额。且各后发系统彼此也构成了激烈的竞争，格洛纳斯还不像北斗和伽利略一样本来就拥有巨大的内部市场（中国/亚洲人口稠密区域，欧盟区域），面临的挑战更大。

因此，格洛纳斯也将推广民用化作为战略级目标，研发中的GLONASS-KM型号卫星重要使命就在于更加开放的信号，将使用GPS、北斗和伽利略已有的频率调制信号，大幅降低多模接收机融入格洛纳斯的难度。整体上来看，格洛纳斯的发展将逐渐从自家独门的FDMA策略走向各大系统常用的CDMA策略，增加市场占有率。与此同时，俄罗斯航天局也在积极推动各种卫星导航系统相关产业政策和科研投入，增加格洛纳斯的广泛影响力。