GLONASS（グロナス、ロシア語: ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система、ラテン文字転記: GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema、英語: Global Navigation Satellite System）は、かつてのソビエト連邦が開発し、現在はロシア航空宇宙軍の手によってロシア政府のために運用されている衛星測位システムである。アメリカ合衆国によって運用されているグローバル・ポジショニング・システム（GPS）や、欧州連合（EU）によって計画されているガリレオなどに対応した、ロシアの衛星測位システムである。
GLONASSの開発は1976年に始められ、全世界を1991年までにサービス範囲に収めることを目標としていた。人工衛星の打ち上げは1982年10月12日から始められ、1996年に24基全ての衛星が運用開始されるまで多数のロケットの打ち上げが行われた。完成後、ロシア経済の崩壊に伴いシステムは急速に能力を失った。
ロシアは2001年からシステムの修復を開始し、近年システムを多角化してインド政府を協力者に迎え、2009年までに全世界をカバーする計画を推進[1]し、2011年に全世界で実用可能となった。 GLONASSは、当初はソビエト連邦軍の航法、および弾道ミサイルの照準といった軍事目的での、即時の位置・速度測定のためのシステムとして開発が始められた。高い精度で位置を計算するために2時間の信号処理を必要としたTsikadaシステムを改良した、ソ連の第2世代衛星測位システムである。GLONASSの目的は『地球上およびその周辺で航空機や船舶等あらゆる分野のユーザーに対して全天候型の三次元測位や速度、時刻のサービスを提供すること』とされた。 第1世代のシステムと異なり、GLONASSでは受信機が一度衛星からの信号を受信し始めると、位置測定を瞬時に行うことができる。最大効率の時には、システム標準の位置・時刻精度は、水平位置で57 - 70m、垂直位置で70m、速度ベクトルで15cm/s、時刻伝送は1マイクロ秒とされている（99.7%の可能性で）[2]。 GLONASS衛星は、配置が完了した時点では、3つの軌道平面(Orbital plane 各衛星は所属する軌道平面と軌道平面内の位置を指定するスロット番号で識別されている。番号1から8が軌道平面1、9から16が軌道平面2、17から24が軌道平面3である。 このようなGLONASS衛星の軌道により、どの衛星も地球上の同一地点上空を8恒星日おきに通過することになる。しかしながら各軌道平面に8つの衛星が配置されているので、1恒星日おきに同一地点上空を衛星が通過する。GPSと比較すれば、GPS衛星は同一地点上空を1恒星日おきに通過している。 GLONASS衛星は主に2種類の信号を常時送信している。1つは標準精度（SP: Standard Precision）信号であり、もう1つは復号コードが秘匿された高精度（HP: High Precision）信号である。両者とも、すべてのGLONASS衛星が同一のPRN (Pseudo Random Noise) コードを送信している。また、これら2種類の信号に加えて航法メッセージも送信している。 GLONASS衛星は、上記の標準精度信号と高精度信号、それに航法メッセージといった情報にBPSK変調が加えられ、2010年現在はFDMA（周波数分割多重）方式によって、L1からL3までの3つの異なる周波数の搬送波で送信されている。それぞれの搬送波バンドは、12チャンネル（＋技術用途に2チャンネル）に分割使用され、最大24基の衛星が地上から見て常に異なる周波数を受信できるようになっている。[注釈 1]
目的
システム概要
軌道特性
信号ロシアの軍用GLONASS/GPS統合型受信機
標準精度信号（SPコード）
全ての衛星が同一の符号を標準精度で送信している。L1とL2の周波数帯では、コードチップ率は0.511Mcps、コード長は511chipsであり、コード周期は1ミリ秒である。M系列を使用した短いコードであり、信号捕捉は短時間で行える。L3の周波数帯では、コードチップ率は4.095Mcps、コード長は非公開であり、コード周期は不明である。
高精度信号（HPコード）
高精度でも同じような周波数分割多重で送信している。L1とL2の周波数帯では、コードチップ率は5.11Mcps、コード長は5,110,000chipsであり、コード周期は1秒である。L3の周波数帯では、コードチップ率は4.095Mcps、コード長は非公開であり、コード周期は不明である。高精度信号の詳細な情報は公開されておらず、ロシア軍のような認可された利用者のみが高精度信号の利用が可能である。なおGLONASSシステムのHPコードの周期は1秒なので、米国のGPSのC/AコードとPコードの間のようなHand Over Word(HOW) は不要である[3]。
航法メッセージ
航法メッセージには衛星の軌道情報や健全性情報、補正データなどが含まれる。SPコードとHPコードでは異なるフォーマットが採用され、HPコードの方が長いフォーマットにより情報精度も高くなっている。SPコードは、1スーパーフレーム（2.5分） ＝ 5フレーム（30秒×5） ＝ 75ストリング（2秒×15×5） であり、1ストリング（2秒） ＝ 100ビット ＝ 200シンボル である。1ストリングは15ビットの時刻マークと（8ビットのパリティを含む）85ビットのデータが含まれる。1シンボルは10ミリ秒であるため、1ストリングは2秒の長さとなる。軌道情報のように重要な情報はHPコードでの10秒やSPコードでの30秒ごとのように高頻度で繰り返されるが、重要度の低い情報は複数フレームに分散されて送られるため、例えば概略暦を得るにはHPコードでは72フレームから成るスーパーフレームすべてを受信するのに12分かかり、5フレームのSPコードでも2.5分かかる[3]。
搬送波周波数
L1バンド
L1バンドと呼ばれる1602.5625MHzを中心とする周波数帯を使っており、中心周波数を計算する式は、kを-7から+6までの各衛星の周波数チャンネル番号とした時、1602 MHz + k × 0.5625 MHzとなっている。信号は38度の円錐状に右旋偏波（right-hand circular polarization
L2バンド
L2バンドでは1246.000MHzを中心とする周波数帯を使っており、それぞれの中心周波数は1246 MHz + k × 0.4375 MHzで与えられる。
L3バンド
L3バンドでは1204.7040MHzを中心とする周波数帯も 1204.7040 MHz + k × 0.4230 MHzで与えられる周波数が使用されている。2009年のグロナスK衛星から導入されたこのL3バンドには、今後、完全性 (Integrity) 情報、ディファレンシャル補正情報、時刻補正情報を含めるように計画されており、将来はL3バンドの内容が大きく変更される可能性があると公表されている。
L1とL2のバンドでは、SPコードに0.511McpsのBPSK変調が加えられるためにチャンネルごとのメインローブによるバンド幅は1.022MHzとなり、HPコードには5.11McpsのBPSK変調が加えられるためにチャンネルごとのバンド幅は10.22MHzとなる。L3バンドはSPコードとHPコードの両方とも4.095McpsのBPSK変調が加えられるためにバンド幅は8.190MHzである。SPコードのキャリア周波数の間隔が0.4230MHzや0.5625MHzであるため互いに重なり合い、干渉を受けやすい。隣接するSPコードの相互相関は-48dB以下である。L1とL2の両バンドのデータビット率は50sps/bpsである。L3のデータビット率は不明である[3]。 GLONASSでは座標系としてPZ-90 GLONASS中央局の水素メーザー時計によって基準となる時系が保持されている。UTCとの間には、モスクワとグリニッジとの時差に起因する3時間の差があり、この3時間を別にすれば1ミリ秒以内の差が容認される[注釈 3][3] Tsikadaシステムと同様に、GLONASS衛星はNPO PMが主導し、Institute for Space Device Engineeringとthe Russian Institute of Radio navigation and Timeの支援で開発された。これもまたTsikadaシステムと同様に、GLONASS衛星の製造はPolet POを主として行われた。 30年を超える開発の過程で、衛星には多くの改良を加えられてきており、いくつかの世代に分けられている。各衛星はウラガン（Uragan、ロシア語で嵐）という言葉に数字を組み合わせた名前が与えられており、また試験衛星にはウラガンにGVM（ロシア語: габаритно-весовой макет、英語: size weight dummy）という略字が組み合わせられた名前が与えられていた。全てのウラガン衛星はGRAU 最初に打ち上げられたGLONASS衛星はブロックIと呼ばれ、原型機とダミーのGVMであった。3機のダミーと18機の原型機が1982年から1985年にかけて打ち上げられている。寿命はわずか1年程と設計されており、実際には平均で14ヶ月ほどの活動期間であった。 ウラガン衛星群の実用上最初の世代は、3軸安定化された重量1,250kgのもので、衛星コンステレーション内での再配置が可能なように簡単な推進システムが備えられていた。さらにブロックIIa、IIb、IIvに分けられ、それぞれのブロック内でも漸進的に改良が行われている。 6つのブロックIIaの衛星は、原型機より改良された時刻・周波数精度と周波数安定性を持っており、1985年から1986年に掛けて打ち上げられた。これらの衛星は平均16ヶ月の活動期間であった。ブロックIIbの衛星は2年の寿命で設計されており、1987年に登場して全部で12機が打ち上げられたが、その半分は打ち上げの失敗で失われた。軌道投入に成功した6機の衛星は平均でほぼ22ヶ月間活動した。 ブロックIIvは、第2世代の中でもっとも多数が製造された衛星である。主に1988年から2000年まで使用されたが、2005年までの打ち上げにも一部含まれており、合計で25機が打ち上げられた。設計寿命は3年であるが、多くの衛星がこれを超えて、後期の衛星の中には68ヶ月稼動したものもあった[4][注釈 4][3]。 ブロックIIの衛星は典型的には、バイコヌール宇宙基地からプロトンK Blok-DM-2ロケットまたはプロトンK Briz-Mロケットを使って、3機一度に打ち上げられた。例外は、2回の打ち上げでGLONASS衛星1機の代わりにEtalon
座標系
時系
衛星
原型機（第0世代）
第1世代詳細は「GLONASS（英語版
第2世代詳細は「GLONASS-M（英語版）」を参照
第2世代の衛星は、ウラガンM（あるいはGLONASS-M）と呼ばれ、1990年に開発が開始されて2001年に初めて打ち上げられた。
これらの衛星はかなり長い7年の寿命を持っており、またわずかに重くなって1,480kgとなった。直径およそ2.4m、高さ3.7mあり、太陽電池パネルは広げると7.2mで、打ち上げ時点では1,600ワットの発電能力がある。後部の搭載物構造に12の主アンテナをLバンド送信用に備えている。レーザー用コーナーキューブリフレクタを正確な軌道決定と測地研究のために搭載している。セシウム時計が搭載されていて時刻を刻んでいる[注釈 5][3]。
精度の向上のためソフトウェアのアップデート計画がある[5]。またCDMA信号に対応したものもある[6]。
2015年7月に最終号機である61号機の製造を持って次世代のGLONASS-KおよびK2に生産が移行しGLONASS-Mの製造は終了した[7]。
第1世代と同様に、第2世代でも3機同時にプロトンK Blok-DM-2ロケットまたはプロトンK Briz-Mロケットで打ち上げられた。
第3世代詳細は「GLONASS-K（英語版）」を参照
第3世代の衛星は、ウラガンK（GLONASS-K）と呼ばれている。これらの衛星は10年から12年の寿命で設計されており、重量は削減されて750kg、またLバンドの追加の位置測定信号を提供することになっている。以前の衛星と同様に、3軸安定化されており天底追尾型（nadir pointing、常に地球の方向を向いている）で2つの太陽電池パネルを備えている。第3世代は2009年に運用を開始する予定である[3]。FDMA方式に加えCDMA方式の信号も送信することにより他のシステムに比べて大きな利点を有するとしている[8]。
「GLONASS-K」衛星に関する別の情報では、仕様書では保障寿命10年、重量850kg（航法機能部重量260kg）、電源1270W、航法機能部消費電力750W、時計の安定性1×10-13、姿勢制御精度0.5°、太陽光パネルの方向精度1°とされており、救助探索機能も加えられているとされる。グロナス-KからL3バンドの送信が開始されるとされ、セシウムとルビジウムの原子時計が搭載される。2012年以降のいずれかの時点で、グロナス-Kに続いて「GLONASS-KM」衛星が計画されているとされる。
重量が削減されたため、ウラガンKはプレセツク宇宙基地からかなりコストの安いソユーズ2.1aロケットで2機ずつ打ち上げるか、あるいはバイコヌール宇宙基地からプロトンK Briz-Mロケットで6機ずつ打ち上げることができる。
第4世代詳細は「GLONASS-K2（英語版）」を参照
GLONASS-Kの発展型。
寿命が10年となり9つのナビゲーション信号を送信し、重量は約1,800KgとGLONASS-K1の2倍の重さになる[9]。地球の電離層の影響を補正する信号が追加されて精度が3倍に向上する[10]。
打ち上げは2020-2021年に行われる予定で2030年代にGLONASS-K2によりGLONASSシステムが更新される予定[10]。 GLONASSの地上管制部門は旧ソ連領域内に配置されている。
地上管制
システム管制センター
システム管制センターはモスクワの南西約70kmにあるロシア宇宙軍管理下のクラスノズナメンスク（Краснозна?менск）宇宙センター内にあり、システム全体の管制と運用が行われている。
中央シンクロナイザー
グロナス時系の管理は、モスクワのシチョルコヴォ（Щёлково, Schelkovo）にある中央シンクロナイザーが行い、水素メーザー原子時計による標準時刻を保持している。中央シンクロナイザーからは少なくとも1日に1度以上の頻度で、電波によって上空に飛来した衛星との距離を数m程の精度で測ると同時に、1×10-13の精度で衛星からの航法信号と自身の原子時計との比較を行い、衛星時計の時刻と位相のオフセット量を決定・予測している。これによる衛星軌道位置の予測計算は24時間分が行われ、その更新送信は1日1回衛星に送られる。衛星時計の補正指示は1日に2回、衛星に送られる。
TT&C局
4つある遠隔測定・追跡・制御（Telemetry, Tracking and Command）局は、サンクトペテルブルク、モスクワのシチョルコヴォ、シベリアのエニセイスク（Yenisseysk）、コムソモリスク・ナ・アムーレ（Komsomolsk-na-Amure）、南アフリカのハルトエベーステック電波天文台[11]に置かれている。そのほか、ニカラグアに設置されることも発表されている[12]。10-15分の観測が毎日それぞれ3-5回行われ、衛星の追尾監視とシステム管制センターからの情報を送信すると同時に2-3mの精度での距離測定を行っている。距離測定値は毎時間ごとにシステム管制センターへと無線で報告される。
レーザー追跡局
TT&C局を補完する目的で5つのレーザー追跡局（量子光学局）が、ロシア国内のコムソモリスク・ナ・アムーレ、カザフスタンのバルハシ
