4.2　空间段

4.2.1　星座

GLONASS标称星座由24颗活动卫星和6颗在轨备用卫星组成（截至2017年，这部分在轨备用卫星尚未实现）。它们定位在19100km的轨道上，倾角为64.8°，旋转周期为11小时15分。这24颗卫星均匀地分布在3个轨道面上，赤经间隔为120°。每个平面内包含8颗卫星，它们在纬度上的等距间隔为45°，在两个不同平面内的同一轨位的卫星之间的纬度差为15°。GLONASS的地面轨道重复周期为8天（见图4.1）[5]。目前的轨道配置和整体系统设计（包括35°～40°的卫星标称L波段天线波束宽度）为高度不超过地面以上2000km的用户提供导航服务[1]。

相对于卫星在星座内的位置，每颗Glonass卫星都被分配了一个从1到24的轨位号（见图4.2）。对于24颗卫星的星座，从地面上看到4颗卫星的概率达到99%以上。根据24颗卫星的概念，所有在轨卫星（标称为30颗）的性能将由GLONASS控制者决定，最好的24颗卫星将被激活，其余卫星（标称为6颗）作为备用卫星。定期对这种混合方式进行评估，必要时将定义24颗卫星的新的最优组合[1, 3, 10, 11]。

该星座还包括两颗Etalon无源大地测量卫星，它们位于略呈椭圆形的中地球轨道上。它们于1989年1月10日和1989年5月31日发射，每颗卫星都与一对GLONASS卫星配合工作。每颗Etalon卫星都是直径为1.294m、质量为1415kg且覆盖有后向反射器阵列的球体。卫星的任务是建立一个高度精确的地球参考坐标系。2016年8月的GLONASS星座如表4.1所示。

今天，俄罗斯和国际空间界正在使用这些Etalon卫星来校准地面激光测距设备。

4.2.2　卫星

2017年初，GLONASS星座中有两类卫星：1982年至2005年发射的原有传统卫星的现代化版——Glonass-M，以及2011年首次推出的新型Glonass-K卫星。俄罗斯计划从2018年开始引入下一代卫星Glonass-K2。

4.2.2.1　Glonass卫星

从1982年到2005年，俄罗斯发射了Glonass系列卫星（见图4.3）。这些卫星是一种传统的俄罗斯设计，它由加压的密封气缸组成，其中气缸是三轴稳定的（在三条运动轴线上定向，从卫星的角度来看，通常为轨道内测量、交叉轨道测量和径向测量）。在加压容器内，通过气体循环来实现卫星电子装置的冷却。载荷组件放在卫星底部，由水平传感器、激光后向反射器、12元素构成的导航信号天线以及各种指令和控制天线组成。放在加压气缸两侧的是太阳能电池板、轨道修正引擎、姿态控制系统的一部分以及热控百叶窗[1]。最初的Glonass I卫星系列携带了稳定性为5×10-12（1天）的两个铷钟，Glonass II卫星则携带了三个铯AFS，AFS的稳定性提高到了5×10-13（1天）[12]。这些Glonass卫星发射L1 FDMA信号（信号说明见4.7节）。

4.2.2.2　Glonass-M卫星

从2003年开始，俄罗斯开始发射Glonass-M卫星（见图4.4），其中M代表“改进”。Glonass-M是Glonass卫星的升级版，它采用了升级后的电子设备并且支持许多新功能。卫星携带了三个精确的铯AFS（1天的稳定度为1×10-13）、一个更好的姿态控制系统和星间链路（在第二颗Glonass-M卫星之后加入）。这些功能降低了时间测量和星历计算的误差。Glonass-M还增加了推进剂，改进了机载电池和现代化航天器的电子设备，卫星设计寿命延长至7年。改进的导航电文传输GPS和GLONASS时间之间的校正值，以便每隔4s就联合使用导航数据认证电文和导航数据电文。Glonass-M在L2信号上增加了第二个民用调制。自2014年以来，新推出的Glonass-M卫星在L3频点上增加了一个开放CDMA的服务信号（信号说明见4.7节）。

类似于最初的Glonass卫星，Glonass-M卫星由一个三轴稳定的加压密封气缸组成。相比之下，新型卫星的太阳能电池板连接到气缸和（卫星底部的）载荷结构的顶部，且在一个方向上要大得多。卫星质量约为1415kg。这一结构由水平传感器、激光反向反射器、12元素导航信号天线、星间链路天线及各种指令和控制天线组成。较长的结构允许导航载荷和激光后向反射器阵列分开安装。接在加压气缸两侧的是一部分姿态控制系统、轨道修正引擎和热控百叶窗[1, 13-19]。

截至2017年初，在该系列完全退役之前，俄罗斯共有7颗Glonass-M卫星正在等待发射[9]。

4.2.2.3　Glonass-K1卫星

从2011年开始，俄罗斯开始测试与传统苏联系统不同的新一代卫星。Glonass-K1卫星（见图4.5）使用Express-1000K无压总线。新总线提供了几个新功能：轻型蜂窝板结构、控热管、抗辐射电子设备和17m2的砷化镓太阳能电池板。Glonass-K1卫星的质量仅为935kg，目前在普列谢茨克使用“联盟-2”号空间运载火箭发射。

类似于其“前任”，Glonass-K1携带一个12元素的导航信号天线、激光反向反射器和一个卫星间的射频交叉链路。前两颗Glonass-K1卫星发射传统FDMA信号，实现向后兼容，并且已在最新的Glonass-M卫星上引入了CDMA L3开放服务信号（信号说明见4.7节）。

Glonass-K1卫星携带了两个铯AFS和两个铷AFS，卫星AFS的稳定性达到(0.5～5)×10-13（1天），预计从该系列的第三颗卫星开始，稳定性将提高到1×10-14（1天）[13-20]。

Glonass-K卫星携带了搜索和救援（SAR）载荷。载荷中继传输406MHz SAR信标，旨在与当前部署的COSPAS-SARSAT系统配合使用。这种载荷在设计和概念上与欧洲Galileo系统的载荷类似[13-19]。Glonass-K还带有核爆（NUDET）确认和条约验证的载荷[21]。

俄罗斯计划在转用下一代卫星之前发射9颗Glonass-K1卫星[22]。

4.2.2.4　Glonass-K2卫星

从2018年开始，俄罗斯将发射Glonass-K2卫星（见图4.6）。新卫星基于改进的Express-1000A总线，因此采用三结砷化镓太阳能电池板和锂离子电池。卫星的设计寿命为10年，质量约为1645kg。虽然这颗卫星的运载火箭尚未确定，但单颗Glonass-K2的发射可能使用Soyuz-2 SLV，而配备了Briz-M上面级的Proton-M SLV可将两颗卫星发射到轨道上。预计Glonass-K2将携带额外的载荷，例如已在Glonass-K1卫星上引入的COSPAS-SARSAT和NUDET支持。Glonass-K2卫星预计携带两台铯钟和两台铷钟，它们的AFS稳定性为(0.5～1)×10-14（1天）。

为实现向后兼容，Glonass-K2将继续传输传统的FDMA信号。除在最新Glonass M和Glonass-K1卫星上引入的L3 CDMA信号外，Glonass-K2还将在L1和L2上发射CDMA信号[23]（见4.7.7.9节）。

4.2.2.5　Glonass-KM卫星

虽然卫星设计目前尚不清楚，但这颗卫星可能会将L5频率作为其载荷的标准部分。除L1、L2和L3上的CDMA信号外，它仍将传输传统的FDMA信号。