日本的準天頂系統

+ 劉天雄

日本的準天頂系統

+ 劉天雄

一、背景

2000年6月，日本開發委員會提交了一份題為《改進日本航天開發體制，擴展航天利用新領域》的報告，決定執行空間基礎設施(I—SPACE)計劃。“準天頂”衛星系統是該計劃要重點開發的三個系統之一。

日本位于北半球的中緯度地區，大部分城市位于峽谷地帶，GPS系統提供的定位服務不能滿足城市車載用戶的導航定位需求。為了提高空間衛星的幾何分布，確保信號遮擋地區的導航定位需求，2002年，日本政府和航天企業聯合開始研發準天頂衛星導航系統（QZSS）。QZSS系統由日本先進空間商業公司（ASBC）負責研發，股東包括三菱電子公司、日立公司以及GNSS技術有限公司。2007年ASBC公司破產，QZSS系統相關研發工作由2007年2月5日成立的日本衛星定位研究和應用中心（SPRAC）接管。

圖1 QZSS系統的logo

QZSS 是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛星系統，旨在為GPS衛星提供“輔助增強”功能，包括可用性增強和精度、可靠性改進。目前的計劃是將民用信號的精度從10m級別提升到1m以內，已經非常接近軍用GPS信號的精度了

QZSS系統的logo如圖1所示。

日本認為，美國的GPS已經滲透到日本國民生活的方方面面，這顯然是非常不安全的。為了防止不測事件的發生，日本認為必須建立與GPS兼容的并逐步過渡到獨立測位的衛星導航系統。

“準天頂”一詞來源于日本導航衛星所采用特殊的大橢圓軌道，衛星在一天的大部分時間均運行在日本上空。如果采用地球靜止軌道，衛星與地面的仰角不超過48度，其發出的信號由于受地面高層建筑物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的30%，如圖2所示。而QZSS衛星的仰角在60度以上，覆蓋率可達100%。這樣能夠大幅度地改善GPS系統的可用性，如圖3所示。

圖2 摩天大廈遮擋衛星信號

圖3 QZSS系統與GPS的無縫服務

眾所周知，GPS的民用信號一直不如軍用信號，雖然一般情況下能夠正常使用，但在某些極端條件下仍然會出現定位偏移的現象。QZSS就是想以“打補丁”的方式，通過增加日本上空的衛星密度，來解決民用GPS導航信號的精度問題。“準天頂”衛星系統將為日本帶來四大好處。

第一，更加精確的全球定位。QZSS定位功能可分為GPS的補充和加強兩種情況。所謂“補充”就是單純地增加GPS衛星數量，提供與GPS一樣的無償服務。而“加強”部分則是通過修正GPS信息提高精度，這樣可以提供精度高于普通GPS有償定位服務的功能。

第二，QZSS和地球靜止衛星在不同的軌道上運行，即使使用相同的頻率帶也不至于相互干擾，可以提高頻率帶的利用率。

第三，改善城市峽谷中可見的衛星數目。。

第四，QZSS衛星可以觀測到靜止軌道衛星觀測不到的南北極地區，為科學研究提供更多的資料。

二、系統組成

同GPS一樣，QZSS也由衛星、地面運行控制段及用戶接收機三部分組成，如圖4所示。

Q Z S S衛星導航系統空間段由三顆IGSO衛星組成，衛星采用大橢圓軌道，3個軌道平面半長軸a=42164km，偏心率e=0.099，傾角i=45度，升交點赤經Ω相差120度。如圖5所示。

這種衛星軌道對日本有獨特的意義，衛星的遠地點在日本上空，因此可以在日本上空運行較長的時間。衛星星下點軌跡像一個不對稱的“8”字，如圖6所示，三顆衛星的星下點軌跡相同。

由于衛星運行軌道是傾斜的，用戶觀察衛星的仰角會逐漸改變，因此僅僅一顆衛星并不能保證日本上空總有衛星在運行。實際上這種軌道的衛星每天有7～9小時運行在日本上空。通過增加衛星的數量，可以確保一天中的任何時刻始終有一顆衛星運行在日本上空。QZSS由此得名“準天頂”系統。

前文已經說過，至少需要四顆衛星才能實現定位。同時，衛星的幾何分布對定位精度也是非常重要的，這里有一個叫做幾何精度因子（GDOP）的數值用來描述衛星的幾何分布優劣。QZSS有助于改善GDOP。

QZSS的地面控制段由GPS主監測站、QZSS和GPS聯合主監測站、遙測遙控及導航電文上行注入站組成，如圖7所示，

三、系統功能

QZSS系統主要為移動用戶提供基于通信（視頻、音頻和數據）和定位服務，對于定位服務，可以認為是GPS系統的增強服務，類似于美國聯邦航空管理局的廣域增強系統WASS（Wide Area Augmentation System）。QZSS與GPS所廣播的導航信號能夠兼容互操作。

表1 QZSS衛星導航系統的預期定位精度

圖5 QZSS衛星導航系統空間段

QZSS通過兩種方式增強GPS系統的服務，首先是系統可用性增強，亦即改善GPS系統導航無線電信號；其次是系統性能增強，亦即通過提高定位解算精度來改善GPS的可靠性和定位精度。即QZSS播發GPS系統的L1C/A、L1C、L2C以及L5信號，能保證QZSS與GPS的兼容與互操作，這將使得QZSS對用戶系統技術要求和接收機設計較GPS接收機改動最小。同單獨使用GPS系統相比，QZSS—GPS聯合系統通過修正接收機測距數據而能夠提高用戶定位精度，另外，通過狀態監測和系統健康數據告警能夠提高聯合系統的可靠性。

目前，具備導航功能的移動通訊終端（例如手機）已日趨普遍，及時獲取定位信息已成為人們日常生活中絕對必要的需求。QZSS系統可以擴大城市或山區定位服務的范圍同時延長服務時間，并將GPS的精度改善到亞米級。

四、參考坐標

QZSS衛星導航系統的時間系統QZSST，即QZSS衛星系統時間定義如下：

一秒鐘的長度與國際原子時（Inetrnational Atomic Time —TAI）相同；

同GPS時一樣，相對國際原子時偏置滯后19秒；

與GPS時的接口：QZSS衛星星載原子鐘與GPS衛星星載原子鐘一樣，均受控于GPS時（GPS time scale—GPST）；

導航信號規劃表

QZSS衛星導航系統的坐標系統JGS，即日本衛星導航地理系統，與GPS所采用的WGS84地理坐標參考系統之間的誤差小于0.02米。

五、定位精度

QZSS衛星導航系統的預期定位精度如下：

空間用戶測距誤差——空間用戶測距誤差小于1.6m（95%），包含時間和地理坐標誤差；

用戶定位誤差——是指同時利用GPS系統 L1_C/A 碼和 QZSS系統 L1_C/A碼進行定位的單頻接收機的用戶定位誤差，以及同時利用L1_C/A碼和L2_C/A碼進行定位的雙頻接收機的用戶定位誤差，如下表1所示，

六、服務范圍

圖8 日本發射“引路”號準天頂衛星

目前 “準天頂”系統是一個區域定位系統，即使在2015年完成一期計劃全部3顆衛星的發射任務。主要是滿足提高日本及其周邊的GPS定位的功能。在這一階段，它只是作為GPS的一個輔助和增強系統，在2015年之前并不具備真正的、獨立的全球競爭力。但這只是日本構筑整個衛星導航系統計劃中的第一步。從長遠看，隨著體系內衛星數量和密度的不斷增加，QZSS從技術上完全有可能升級為獨立的衛星導航系統，從而提供完整的衛星導航輔助功能，而這個時間可能在2020年～2025年之間。

七、研制進展

QZSS系統實施分為兩個階段，首先是發射一顆試驗衛星，用于演示驗證系統的關鍵技術，然后根據演示驗證評估結果發射另兩顆QZSS衛星。2010年9月11日20∶17(JST)，日本在其鹿兒島縣種子島空間中心，用一枚H-IIA火箭成功發射將其首顆衛星MICHIBIKI（編號QZS-1），如圖8所示，MICHIBIKI的日語含義是“導航”或者“帶路”，《參考消息》等中文主流媒體將其譯為“引路”號衛星。2010年9月27日，“引路”號衛星成功到達“準天頂”預定設計軌道。

“引路”衛星由日本三菱重工負責研制，衛星本體為六面體的箱形結構，尺寸為2.9 × 3.1× 6.2m；兩個太陽翼展開后，兩翼跨度25.3m；衛星重量約為4000kg（干重1800kg），其中有效載荷320kg；壽命末期功率5.3kW，其中導航載荷功率1.9kW；衛星設計壽命10年，衛星遠地點32000 km, 近地點40000 km，軌道傾角39°～40°，初始相位41°，軌道周期23 h 56 m。衛星在軌展開示意圖如圖9所示，

圖10 衛星制造、裝配、集成及試驗

星上TWSTFT收發復用天線用于利用星載原子鐘開展星地雙向時間比對標校試驗；L頻段螺旋陣列天線用于播發五路下行無線電定位信號，包括L1-C/A、 L2C、L5、 L1C頻段信號和LEX頻段實驗導航信號；L1-SAIF天線播發GPS-SBAS天基系統增強信號以實現1m級定位精度；C頻段測控天線用于接收Okinawa跟蹤和通信站的修正數據，同時用于播發和接收來自運控系統的信號；激光發射器用于開展激光測距以驗證衛星軌道和星載時鐘的估計值的準確性，同時利用L頻段測距信號修正激光測距模型。

“引路”號衛星研制過程為：2005～2007，初樣設計，2007年8月完成初樣設計評審；

2007～2008，正樣設計，2008年8月完成正樣設計評審；

2008～2010，衛星制造、裝配、集成及試驗，如圖10所示；其中2009年3月，導航有效載荷交付衛星總體；

2010～2011，在軌測試。

2010年10月19日，“引路”衛星開通有效載荷，L1-SAIF頻段天線播發L1-SAIF信號，L1頻段螺旋天線播發L1-C/A、 L2C、 L5、 L1C、及 LEX實驗導航信號，在軌測試表明播發的信號并沒有干擾包括GPS系統在內的其他傳統的定位系統的信號，隨后開展為期3個月的在軌測試（技術和應用驗證）。

值得關注的是“準天頂”系統“引路”號衛星上還安裝有相機，2010年10月26日中午成功地傳回了地球的圖像。

八、 未來計劃

日本未來區域導航系統（RSNS）空間段將由4顆 IGSO衛星和4顆 GEO衛星組成，與GPS系統之間具有較高的兼容與互操作性。

L1-SAIF信號能夠提供廣域差分GPS系統（WDGPS）修正數據，在沒有較大的多徑誤差和電離層干擾情況下，定位精度優于1m（1 sigma）。

+ SATNET

L頻段天線工程模型振動試驗（2007.1）

L頻段天線EMC試驗（2008.7）