QZSS導航系統在亞太地區的初步性能評估

張 琳

（重慶工業職業技術學院，重慶 401120）

QZSS導航系統在亞太地區的初步性能評估

張 琳

（重慶工業職業技術學院，重慶 401120）

QZSS系統是由日本宇宙航空研究開發機構研發和實施的區域性衛星導航及增強系統。利用實測數據分別從系統可見性、定位服務和增強服務三個方面就QZSS系統在亞太地區的服務性能展開評估分析。結果顯示：QZSS系統對日本測區的可用性提升最為顯著；有QZSS系統協同配合的GPS系統的定位精度、可用性和可靠性較單一GPS系統均有提升，尤其在高截止高度角情況下這種改善更為顯著；QZSS系統提供的L1-SAIF增強信號能顯著提升GPS系統實時導航的精度。

QZSS系統；GPS系統；亞太地區；可用性增強

準天頂系統（Quasi-Zenith Satellite System，簡稱QZSS）是由日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，簡稱JAXA）研發和實施的區域性衛星導航及增強系統[1-2]。QZSS項目規劃設計之初便明確其為服務日本（主要服務區）及亞太周邊地區的區域性衛星導航及增強系統，協同GPS系統的民用服務并提高區域 GPS系統的服務精度[3]。QZSS系統通過以下兩種方式增強GPS系統的服務性能：其一，通過提升GPS信號的可用性提供可用性增強；其二，通過提升GPS信號的準確性和可靠性提供性能增強[4]。因此，QZSS系統在導航信號、時間系統、坐標基準等方面與GPS系統高度兼容，同時為了適應未來多GNSS（Global Navigation Satellite System）系統的組合應用，也適當考慮了與歐盟伽利略系統間的兼容性和互操作性。QZSS作為新一代多任務GNSS系統，一方面與GPS、GLONASS等傳統導航系統相似，通過衛星播發導航信號為用戶提供位置服務，另一方面，QZSS衛星還通過天線播發 GPS、GLONASS等系統的增強信息，提供類似當前星基增強系統（SBAS）的服務[5-6]。近年來，隨著QZSS系統的不斷發展與應用，越來越多的國內外學者對其展開探索研究。廖寧華等人介紹了QZSS系統的軌道特征與導航信號設計，并分析了系統的服務區、可用性和服務性能[7]。Xin Nie等人基于IGS提供的實測數據對QZSS系統的信號載噪比、多路徑與噪聲和其他系統間的頻間偏差進行了評估分析[8]。Hauschild A等人利用CONGO監測網的跟蹤數據對QZSS系統信號、軌道以及衛星姿態等方面進行了分析評估[9]。周佩元等人用SLR和多項式擬合兩種不同方法對MGEX提供的QZSS精密產品開展精度評定[10]。樓益棟等人從系統信號精度、系統可用性、Kinematic-PPP這三個方向對QZSS系統L1-SAIF和 LEX兩種增強信號在我國測區內的性能展開分析[11]。本文利用實測數據分別從系統可見性、定位服務和增強服務三個方面就QZSS系統在亞太地區的服務性能展開評估分析。

1 QZSS系統簡介

日本區域內大城市高樓林立、建筑物密集，野外峽谷、山地較多，在進行衛星導航系統定位、測量應用時信號較容易受到遮擋，目前單一GPS系統已經無法滿足城市導航定位服務的需求。在此背景下日本決定設計并建造服務其國土范圍與其他亞太周邊地區的區域性衛星導航及增強系統——QZSS系統。

1.1 QZSS系統星座結構

截止目前日本只發射了1顆準天頂衛星（QZS），衛星PRN193，代號Michibiki（指路號），圖1中左圖所示為QZS-1衛星的外觀。QZSS系統針對區域性用戶的使用需求采取了獨特的星座軌道設計方案。按照項目規劃，待QZSS系統完成部署后，導航星座將由分布在3個高傾斜橢圓軌道（HEO）上的3顆衛星組成，導航衛星的軌道參數見表1所示[12]。

圖1 QZSS系統J01號衛星（左）與STK軟件模擬的滿星座狀態下的軌道和星下點軌跡圖（右）Fig.1 Satellite J01 of QZSS (left) and orbit/ground trajectories simulated by STK software (right)

從表1中的各項QZS軌道參數可以推導出，QZS衛星的軌道周期約為23小時56分鐘，與傳統地球同步衛星的軌道周期相同，然而QZS衛星的軌道傾角很大，所以位置相對地球不固定。利用STK軟件并按照表1提供的軌道參數模擬得到QZSS系統滿星座狀態下的軌道和星下點軌跡，如圖1中右圖所示。所有3顆QZS衛星具有相同的呈不對稱 “8”字形狀的星下點軌跡。衛星在地球上北半球運行時間較南半球更長，這樣可以確保在任何時間，日本境內至少能接收到 1顆QZS衛星，同時QZS衛星在日本上空能以高衛星高度角姿態運行較長時間，最大限度地削減了障礙物對導航信號的遮擋[12]。

表1 QZS衛星的軌道參數Tab.1 Orbital parameters of QZS

1.2 QZSS系統的時空基準

為了保證與 GPS系統間較高的兼容性與互操作性，在時空基準選取方面，QZSS系統采用JGS（Japan satellite navigation Geodetic System，即日本衛星導航地理系統）作為其坐標系統，該系統與GPS系統所采用的WGS-84坐標系之間的差異小于2 cm，在普通導航、定位應用時，這種差異可以忽略不計。QZSS系統采用QZSST作為其時間基準，該時間系統1 s的長度與國際原子時（International Atomic Time，TAI）相同，與GPS時一樣，相對國際原子時偏置滯后19 s。在與GPS時的接口方面，QZSS星載原子鐘與GPS衛星星載原子鐘一樣，均受控于GPS時[10]。

1.3 QZSS系統的信號特性

QZSS播發 L1C/A、L1C、L1-SAIF、L2C、L5和LEX六種信號，信號規格見表2所示。表2中，L1C/A、L1C、L2C和L5信號與GPS系統完全兼容，同時L1C和L5信號與伽利略系統播發的E1和E5a兼容。與GPS、GLONASS等傳統導航系統不同，QZS衛星通過LS-ANT天線播發L1-SAIF信號向用戶提供廣域差分GPS（未來可能將GLONASS及伽利略系統納入）改正參數和完好性信息，類似目前SBAS的服務。另外，QZS衛星還通過L-ANT天線播發LEX信號用于提供高精度導航服務[9-12]。

表2 QZS信號規格Tab.2 QZS signal specifications

2 實驗評估數據來源

目前，多個MGEX網測站可提供QZSS系統觀測數據，為了評估QZSS系統在亞太地區的性能及表現，從中選取了6個極具代表性的測站展開評估分析[13]，其中：MIZU和CHOF測站位于日本，用于評估日本境內（主要服務區）的服務性能；NCKU測站位于中國臺灣，用于評估中國東南沿海區域的服務性能；PNGM測站位于巴布亞新幾內亞，用于評估赤道附近區域的服務性能；CUT0和TOW2測站位于澳大利亞，用于評估澳洲境內的服務性能。各測站在亞太地區的分布情況如圖2所示，其中帶文字標注的小圓圈代表各個測站，不對稱 “8”字形狀的線條表示QZS-1衛星在亞太地區的星下點軌跡。

圖2 各實驗測站在亞太地區的分布圖Fig.2 Distribution of experiment stations in Asia-Pacific region

3 QZSS在亞太地區的性能評估

3.1 可見性評估

利用2016年7月18日各測站的QZSS觀測數據及廣播星歷，分別計算并繪制了各個測站全天 24 h內QZS-1衛星高度角變化時間序列（如圖3所示）及相對應的Skyplot圖（如圖4所示），用以評估QZSS系統QZS-1衛星在亞太地區的可見性。從圖3～4可見，除圖3(a)和圖4(a)中MIZU測站一天內約有3 h無法觀測到QZS-1衛星外，其余5個測站對QZS-1衛星均為全天可見。以MIZU和CHOF測站所代表的日本區域為例，QZS-1衛星每天可提供至少連續6 h 70°及以上高度角的優質導航信號，有效克服了日本區域內高樓、山地等障礙物對信號的遮擋，這是其他采用 MEO軌道衛星的 GNSS系統所無法企及的；QZS-1衛星可為NCKU測站連續提供約12 h 60°及以上高度角的導航信號；QZS-1衛星可為赤道附近的PNGM 測站提供全天40°及以上高度角的導航信號；澳洲境內的兩個測站對QZS-1衛星的可見性明顯劣于其他4個測站，并且CUT0測站的可見性相比TOW2測站更差。

圖3 各個測站觀測時段內QZS-1衛星高度角變化時間序列Fig.3 Time series of elevation angle of QZS-1 for different stations

圖4 各個測站觀測時段內QZS-1衛星的Skyplot圖Fig.4 Skyplot of QZS-1 for different stations

綜上，QZS-1衛星特殊的軌道設計使得其能為大多數亞太地區用戶提供全天不間斷的導航信號，同時北半球的可見性要優于南半球，其中以日本境內為最佳。

3.2 定位服務性能評估

QZSS系統播發的L1C/A、L1C、L2C和L5信號與GPS系統完全兼容，因此在現有用戶接收機的硬件及軟件上稍做升級改造便可兼容進行雙系統組合導航定位。雙系統聯合測量將提供更多冗余觀測數據，有利于提升定位結果的精確性和可靠性。利用實測數據分別以單一GPS模式和GPS/QZSS組合模式對亞太地區6個測站全天24 h的觀測數據開展了單點定位解算，進行QZSS系統對GPS系統定位性能改善的評估。數據采樣間隔30 s，在解算過程中分別設置截止衛星高度角5°、15°、25°、35°和45°，通過不同截止高度角的設置來模擬不同障礙物對測量信號遮擋的嚴重程度。CHOF測站的解算結果見表3所示，6個測站的全部統計結果見圖5所示。

以CHOF測站解算結果為例：高度角為5°時，GPS/QZSS組合模式較單一GPS模式在N、E、U三個方向上的定位精度和可定位歷元比例分別提升了6.40%、0.98%、7.86%和0.00%；高度角為15°時，GPS/QZSS組合模式較單一GPS模式在N、E、U三個方向上的定位精度和可定位歷元比例分別提升了5.88%、0.87%、6.21%和0.00%；高度角為25°時，GPS/QZSS組合模式較單一GPS模式在N、E、U三個方向上的定位精度和可定位歷元比例分別提升了13.84%、13.64%、22.76%和1.02%；高度角為35°時，GPS/QZSS組合模式較單一GPS模式在N、E、U三個方向上的定位精度和可定位歷元比例分別提升了8.40%、2.97%、17.23%和4.14%；高度角為45°時，GPS/QZSS組合模式較單一GPS模式在N、E、U三個方向上的定位精度和可定位歷元比例分別提升了22.72%、22.08%、24.51%和42.61%。

其他測站解算結果與CHOF測站相似，即在亞太地區，有QZSS系統協同配合的GPS系統的定位精度、可用性和可靠性較單一GPS系統均有提升，尤其在高截止高度角情況下這種改善更為顯著。同時，在45°截止高度角GPS/QZSS組合模式下，MIZU、CHOF、NCKU、PNGM、CUT0和TOW2 測站的可定位歷元比例分別為43.99%、45.38%、38.58%、21.74%、34.93%和34.76%，其中MIZU和CHOF測站的可定位歷元比例遠高于其他測站，即QZSS系統對日本測區的可用性提升最為顯著。

綜上所述，雖然目前GPS/QZSS組合模式相比單一 GPS模式僅僅多出了 1顆 QZS衛星，但是由于QZSS系統特殊的軌道設計，這多出的1顆QZS衛星對整個亞太地區系統性能改善的貢獻極大。可以預見，未來當QZSS系統全部3顆QZS衛星完成部署后，在諸如日本這種城市高樓密集、野外多山測量環境下，QZSS系統將對改善GNSS系統的定位精度、可用性和可靠性等方面發揮重要作用。

表3 CHOF測站單點定位解算結果統計表Tab.3 Statistics of SPP solutions for CHOF station

圖5 各個測站GPS與GPS/QZSS模式SPP解算結果對比圖Fig.5 Comparison on SPP results between GPS and GPS/QZSS modes for different stations

3.3 增強服務性能評估

QZSS系統除了提供區域性導航服務外，還向用戶提供區域性增強服務。目前QZS衛星向用戶播發兩種形式的增強信號，分別為：L1頻段的L1-SAIF（Submeterclass Augmentation with Integrity Function）信號，提供GPS系統的增強信息，用于提升實時導航的精度，類似當前的星基增強服務；E6頻段的 LEX（L-band Experimental Signal）信號，用于提供高精度實時 PPP服務[14-15]。由于當前大多數GNSS接收機不兼容QZSS系統E6頻段，且LEX信號主要用于增強PPP服務，本文主要評估QZSS系統在SPP方面的性能提升，因此本節的增強服務性能基于L1-SAIF信號展開。

L1-SAIF增強信號給出了 GPS系統的差分改正數，用戶需要自行計算以獲得改正后的衛星坐標和鐘差。假設t時刻根據 GPS廣播星歷計算得到的衛星j的坐標為QZSS系統L1-SAIF增強信號給出的衛星坐標改正參數分別為慢變改正和慢變改正數變率則改正后的衛星坐標可表示為[11]：

式中，toe表示信息播發時刻。

假設在t時刻利用GPS廣播星歷計算衛星j的鐘差為QZSS系統 L1-SAIF增強信號給出的改正信息為衛星鐘偏差改正δaf0和衛星鐘速改正δaf1，則改正后的衛星鐘差可表示如下[11]：

利用式(1)和式(2)計算獲得各相應 GPS衛星的坐標和鐘差結果后便可按照常規單點定位算法進行SPP解算。同時L1-SAIF增強信號還播發相應的電離層改正參數，具體使用方法參見參考文獻[1]。

利用實測數據分別以傳統L1頻段GPS導航信號和QZSS系統L1-SAIF增強信號對亞太地區6個測站全天24 h的GPS觀測數據開展了單點定位解算，進行了QZSS系統對GPS系統增強服務性能的評估。數據采樣間隔30 s，衛星截止高度角設置為5°，基于不同導航信號的各測站GPS單點定位解算結果見表4所示。可以看到：各個測站利用傳統GPS信號廣播星歷進行單點定位可達到平面方向2 m以內、高程方向3.5 m以內的定位精度；而各測站利用QZSS系統提供的GPS增強信號軌道參數進行單點定位后可達到平面方向1 m以內、高程方向1.7 m以內的定位精度。增強服務可使SPP各個方向上的定位精度相比非增強模式時提高10%～60%不等。QZSS系統L1頻段播發的L1-SAIF增強信號能顯著提升GPS系統實時導航的精度。

表4 基于不同導航信號的各測站GPS單點定位解算結果統計表Tab.4 Statistics of GPS SPP solutions based on different type of navigation signals

4 結 論

QZSS系統是由日本打造的新一代多任務區域性衛星導航與增強系統，本文利用實測數據分別從系統可見性、定位服務和增強服務三個方面就QZSS系統在亞太地區的服務性能展開評估分析，現初步得到以下結論：

1）QZS衛星特殊的軌道設計使得其能為大多數亞太地區用戶提供全天不間斷的導航信號，同時 QZS衛星以很高的衛星高度角姿態在日本上空運行較長時間；

2）在亞太地區，有QZSS系統協同配合的GPS系統的定位精度、可用性和可靠性較單一GPS系統均有提升，尤其在高截止高度角情況下這種改善更為顯著；

3）QZSS系統對日本測區的可用性提升最為顯著；

4）QZSS系統提供的L1-SAIF增強信號能顯著提升GPS系統實時導航的精度。

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Preliminary performance evaluation of quasi-zenith satellite system in Asia-Pacific region

ZHANG Lin
(Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) is developed by JAXA of Japan.It is a regional satellite navigation and augmentation system.The service performance of QZSS in Asia-Pacific region was evaluated and analysed from the aspects of visibility, location service and augmentation service based on measured data.The results show that: QZSS improves Japan's usability of GNSS most significantly among Asia-Pacific region.The performance of positioning accuracy, availability and reliability of GPS aided with QZSS is better than that of GPS-only mode, and this advantage is more obvious under a high cut-off elevation angle condition.The augmentation service provided by L1-SAIF signal of QZSS can significantly improve the accuracy of real-time navigation of GPS system.

QZSS; GPS; Asia-Pacific region; availability enhancement

U666.1

A

1005-6734(2017)05-0618-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.05.011

2017-06-10；

2017-09-28

重慶市教委科學技術研究項目（KJ1730418）資助

張琳（1988—），女，講師，從事工程測量與3S教學工作。E-mail: zhanglin1988sju@163.com