日本QZSS衛星導航系統

●　文|中國空間技術研究院　　　　 夏巖　　王慶華　　宋錚　　陳秋麗

日本QZSS衛星導航系統

●文|中國空間技術研究院 夏巖王慶華宋錚陳秋麗

摘要：日本國境內因地面多山和多城市峽谷地形的特點，使用GPS導航系統存在觀測衛星數量不足、幾何精度因子條件不好等缺陷，日本專家學者提出發展自己的區域衛星導航系統來增強GPS導航系統由于障礙物不能觀測有效數量衛星地區的用戶導航性能。本文介紹了日本研究建設的GPS增強系統——準天頂系統（QZSS），針對系統星座構成、信發播號體制、導航系統組成，以及發展進度和性能進行了分析。

關鍵詞：準天頂系統 現狀

一、 引言

衛星導航系統是以人造衛星作為導航臺的星基無線電定位系統，能為全球陸、海、空、天的各類軍用和民用載體提供全天時、全天候的三維位置、速度和時間信息。衛星導航定位系統與各個領域息息相關，擁有這種技術和能力，就會在軍事、外交和經濟上占據主動地位，獲取巨大的利益。

美國在這方面先行一步，隨著美國GPS全球衛星導航系統的構建和逐漸完善，以及其帶來的巨大的軍事、經濟效益，世界各國也相繼投資建立自己的衛星導航系統，如俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的Galileo系統、中國的北斗系統。

日本瞄準了導航系統的巨大市場，并根據本國多城市峽谷和多山地形，用戶機用戶在觀測衛星時需要具有高仰角的特點，通過政府與民間部門合作開發研制了準天頂系統( Quasi Zenith Satellite System，QZSS）。QZSS最初被定義為一個多任務的衛星系統，通過增強GPS以提高由于障礙物不能觀測有效數量衛星地區的GPS性能，在指定區域以高觀測角提供給手機用戶通信、廣播以及定位服務。同時，一旦美國的GPS系統信號發生中斷時，日本依然能夠依靠QZSS具備獨立的導航定位能力。

二、準天頂衛星導航系統發展

日本準天頂系統（QZSS）是兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛星系統，最初是日本通信研究實驗室關于聯合產業成果的一個提案。

QZSS系統是由幾顆不同高傾角軌道面的地球同步衛星構成的衛星導航系統，具有相同的星下點軌跡。通過選定合適的偏心率和傾角，可以使24 h服務區內用戶觀測衛星最小仰角大于70°。這對用戶來說，意味著他們可以在任何時間在天頂附近區域都可以高仰角接收到至少一顆QZSS系統的衛星信號，這就是準天頂衛星系統名稱的由來。

1.QZSS系統構成

QZSS系統由空間段和地面段構成。

（1）空間段

空間段由3顆IGSO衛星構成星座。衛星星座構型如圖1、圖2。2010年該系統完成首顆衛星QZS-1（圖3）的發射，并經在軌運行與應用獲得基本經驗數據。最終將實現三星組網運行與應用。根據未來應用情況，日本可能考慮再安排發射4顆GEO衛星，從而實現七星組網運行與應用。具體軌道參數見表1所示，衛星主要技術指標見表2。

圖1　準天頂系統三維示意圖

圖2　準天頂系統星下點軌跡示意圖

圖3　QZS-1衛星

表1　準天頂衛星軌道參數

表2　QZS衛星主要技術指標

續　表2

這種軌道構型可以保證服務區內的用戶可以在任何時間在天頂附近區域以高仰角接收到至少一顆QZSS系統的衛星信號。這種設計可以在城市和多山的地區增加PNT的可獲得性。

（2）地面段

QZSS系統地面段主要由1個主控站（MCS）、1個時間管理站（TMS）、1個跟蹤控制站（TCS）、9個監測站（MS）構成。此外，QZSS系統還包括用于實現廣域增強服務的1個L1-SAIF主站（L1SMS）、超過1200個GPS地球觀測網站。監測站分布于可接收QZS信號的整個區域，主控站、跟蹤控制站和時間管理站位于日本，L1-SAIF主站位于日本東京，監測站負責監測QZS衛星發射的導航信號。主控站收集監測站的監測結果，估計和預測QZS衛星的時間和軌道，連同收集到的其他類型數據生成導航電文。跟蹤控制站負責向QZS衛星上行注入導航電文，對QZS衛星實施跟蹤、遙測、遙控管理，對QZS衛星實施軌道位置保持操作。時間管理站負責星地時間傳遞。GPS地球觀測網站監測GPS衛星，將觀測數據送至L1-SAIF主站，L1-SAIF主站生成廣域增強信息流并發送至主控站，最終注入給QZS衛星。

2.QZSS系統性能

（1）QZSS的使用性能

對于GNSS用戶，不管是使用高端接收機，還是使用手持設備進行導航服務，“接收更多衛星”都是一個必需的條件。QZSS星座的設計引領了如何有效利用最少衛星的發展。尤其是對于峽谷城市地形和山區的地面移動用戶來說，高仰角衛星是非常重要的。使用QZSS和其他GNSS系統的效果如表3所示。

表3　準天頂衛星系統任務要求

在QZSS的服務區，經過驗證，QZSS可以補充和提高GNSS的有效性能。由于QZSS和GPS相比其他GNSS系統有幾乎完美的協作性，可以對低耗和低功率的消耗接收機有很好的效果。日本已經考慮逐年增加能轉發現代化民用信號的可見衛星數目。如果QZSS項目能夠加緊進度，整個部署能夠提前完成的話，對于區域經濟和GPS相關的市場將會是一個巨大的貢獻。與GPS設備普及相比，能夠滿足消費者需求的QZSS用戶設備開發幾乎沒有。但是，基于日本消費電子工業研發實力，用戶設備的制造和開發應該不是這項計劃實施的攔路虎。

準天頂衛星分為2個運行模式，即全功能運行模式(operational loop)和有限功能運行模式（operational loop and limited operational loop）。全功能運行模式意為系統每天有8個小時處于這種模式下。在這種模式下，系統能夠提供全部的廣播、通信服務和定位服務。有限功能運行模式意為剩余的16小時，準天頂系統處于有限功能運行模式。在此期間，廣播與通信服務處于關閉狀態，系統僅提供定位服務，此時控制衛星盡可能多的充電。

（2） QZSS系統與其他導航系統的信號兼容性

1）QZSS與GPS：2006年2月27日，成立了美日聯合機構——GPS-QZSS技術工作組。技術工作組決定GPS 和QZSS設計為可以協調互用。QZSS采用了與GPS和SBAS信號相同的信號結構、頻率、數據信息格式。

2）QZSS與 Galileo：QZSS與 Galileo在 L5-E5a和LEX-E6上有相同的型譜，在L1C-E1OS上具有相近的型譜。

3）QZSS與北斗：QZSS與北斗之間的射頻兼容性協調已經在2007年7月30日開始。

4）QZSS與GLONASS：與目前的GLONASS沒有交疊的頻率。

5）QZSS與其他導航系統：如果目前的頻率發生變化或是L5信號被采用，需要與相關國進行雙邊橫向的協調交流。

三、結束語

衛星導航系統已成為人類活動中普遍采用的導航定位技術。隨著需求的不斷增長和航天技術的不斷發展，以及導航衛星系統在未來政治、軍事斗爭和經濟發展中作用的不斷增強，世界主要大國和商業集團都不惜巨資發展衛星導航系統，衛星導航已受到了前所未有的關注。日本瞄準了巨大的空間市場，并根據本國的特點，發展了準天頂系統。

準天頂系統利用3顆傾斜地球同步軌道衛星為日本提供高仰角的導航、廣播信號。同時，使日本具有了在GPS系統信號發生中斷時的獨立導航定位能力。

雖然日本沒有建立全球導航系統，但是其建立的區域導航系統有效地提高了日本的導航定位能力。無論是其先進的設計理念還是先進的技術，都值得我國學習借鑒。

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