日本衛(wèi)星導航能力發(fā)展

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2017年10月9日，日本第4顆“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）成功發(fā)射，至此，日本完成了QZSS系統(tǒng)空間星座第1階段的部署，計劃于2018年11月1日投入初始運行，是日本謀求獨立的衛(wèi)星導航能力建設征程上的重要里程碑。日本的衛(wèi)星導航能力已經(jīng)完成了從增強到補充的發(fā)展過程，正在朝著建設、部署增強、補充與獨立衛(wèi)星導航能力相結(jié)合的方向發(fā)展。

1 日本衛(wèi)星導航能力發(fā)展回顧

積極探索衛(wèi)星導航技術(shù)

1972年，日本即啟動了衛(wèi)星導航技術(shù)的探索，開始了軌道傾角為45°的軌道控制技術(shù)的研究，1992年基本確認了這種方案的可行性。1997年3月，日本科技廳向日本宇宙開發(fā)事業(yè)部[現(xiàn)為日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)（JAXA）]提出要求，用7年時間研究、開發(fā)導航定位衛(wèi)星所需的關鍵技術(shù)，如星載原子鐘技術(shù)、時間同步技術(shù)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座構(gòu)形、系統(tǒng)控制等。

在上述研究的基礎上，20世紀90年代初，在美國GPS系統(tǒng)即將完成初始運行能力部署的背景下，日本啟動了“多用途運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng)”（MSAS）的發(fā)展計劃，但此時日本尚未形成系統(tǒng)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展計劃。

借力美國，增強衛(wèi)星研發(fā)能力

由于MSAS提出的通過改善民用航空通信、導航能力，提升空中交通管理與監(jiān)測能力的設想，與國際民用航空組織于1991年批準并啟動的通信、導航、監(jiān)測/空中交通管制（CNS/ATM）計劃具有較好的一致性，因而得到了國際民用航空組織的支持。但是，由于日本經(jīng)濟、技術(shù)的快速發(fā)展，美國對日本采取的限制與打壓政策，日本衛(wèi)星只能由美國企業(yè)牽頭研制，日本航天技術(shù)與能力的發(fā)展受到了嚴重的制約。

雖然美國的打壓制約了日本獨立航天能力的發(fā)展，但也為日本創(chuàng)造了借鑒美國先進航天技術(shù)的機會。首顆MTSAT衛(wèi)星的主承包商為美國勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L），日本工程技術(shù)人員全程參與，籍此積累了衛(wèi)星研發(fā)經(jīng)驗。1999年11月，因H－2運載火箭第一級燃燒不正常，導致首顆“多用途運輸衛(wèi)星”（MTSAT）發(fā)射失敗。此后，日本即啟動了MTSAT衛(wèi)星的獨立研發(fā)工作。2005年、2010年，日本獨立研發(fā)的2顆MTSAT衛(wèi)星成功發(fā)射，提供了GPS系統(tǒng)C/A碼民用信號的增強服務。

增強與自主相結(jié)合，發(fā)展獨立的衛(wèi)星導航能力

海灣戰(zhàn)爭中，GPS應用取得的巨大成功與衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)和市場的迅速發(fā)展，以及國土狹小、人口眾多、城市密集的特點，使日本認識到獨立衛(wèi)星導航能力的重要性。因此，在自主研發(fā)GPS增強系統(tǒng)的同時，發(fā)展獨立的衛(wèi)星導航能力成為日本衛(wèi)星導航領域發(fā)展的新目標。2002年，日本政府授權(quán)包括三菱電氣公司、日立公司等組建了專門的團隊，負責研究、制訂日本區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)（JRANS）—QZSS系統(tǒng)的發(fā)展方案。

雖然發(fā)展獨立的衛(wèi)星導航能力非常明確，但QZSS系統(tǒng)的發(fā)展方案卻是逐步演進、分步實施的，從最初以增強GPS系統(tǒng)服務、驗證日本發(fā)展衛(wèi)星導航系統(tǒng)的能力為主，逐步演進為GPS增強與提供獨立的導航服務并舉的系統(tǒng)方案。星座衛(wèi)星數(shù)量由最初的3顆，最終演進為7顆；星座構(gòu)形也從3顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道（IGSO）衛(wèi)星，最終演變?yōu)?顆IGSO衛(wèi)星＋2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。至此，日本獨立的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展方案全面形成。

2 QZSS系統(tǒng)發(fā)展方案

日本是一個國土狹小、人口眾多、城市密集、多山地形的國家，對高精度衛(wèi)星導航服務的需求十分迫切，但其林立的高樓大廈與多山地形的遮擋和多路徑效應，對衛(wèi)星導航應用產(chǎn)生了不利的影響。改善衛(wèi)星導航服務不但可以提升日本的衛(wèi)星導航應用水平，也將十分有助于日本衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強其衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)與日本在亞太地區(qū)的影響力。

以GPS增強為主的QZSS系統(tǒng)初始方案

最初，日本計劃采取公私伙伴關系的方式發(fā)展QZSS系統(tǒng)，計劃部署3顆位于IGSO軌道的衛(wèi)星，3顆衛(wèi)星具有相同的星下點軌跡，保證在其服務區(qū)域內(nèi)，用戶觀測QZSS衛(wèi)星的最小仰角大于70°。2007年5月，日本議會批準了日本政府投資研制QZSS系統(tǒng)3顆衛(wèi)星中的第1顆衛(wèi)星的法案。日本政府計劃投資750億日元（6.19億美元）研制一顆質(zhì)量不超過4t的“準天頂衛(wèi)星”（QZS），衛(wèi)星由JAXA研制。衛(wèi)星既播發(fā)GPS增強信號，也播發(fā)自主導航信號，以保證GPS服務不能使用時日本衛(wèi)星導航服務的可用性。2010年9月11日，首顆QZS衛(wèi)星發(fā)射成功，并命名為“引路者”（Michibiki）。測試與運行情況表明，QZS衛(wèi)星有效地提高了日本衛(wèi)星導航服務的能力，如可用性從只有GPS時的90%，提高至99.8%；利用QZS衛(wèi)星的L1-SAIF信號，可使水平定位誤差從1.56m降低至0.46m，垂直定位誤差從3.85m降低至0.57m，有效改善、提升了服務區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星導航服務水平。2012年9月21日，日本政府批準了由1顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星及其地面控制段組成的QZSS系統(tǒng)建設計劃，投資總額約34億美元，計劃于2018年完成部署，并投入運行。

測試中的引路者－1衛(wèi)星

增強與自主并重的QZSS系統(tǒng)最終方案

2004年初，在原QZSS系統(tǒng)方案的基礎上，日本科學與技術(shù)委員會（CSTP）首次提出了關于日本區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建議。該建議提出應將由3顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)擴展至7顆衛(wèi)星，構(gòu)成日本自主的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，為日本提供天基定位、導航與授時（PNT）服務。2004年9月，日本科學與技術(shù)委員會發(fā)布了關于日本航天政策的報告，提出在衛(wèi)星導航領域的長期目標—建立自主的、補充GPS系統(tǒng)的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（RNSS）。

2015年，日本發(fā)布新的《航天基本法》，明確了建立由7顆衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展目標。此后，日本制定了分兩個階段完成QZSS系統(tǒng)建設的計劃。第一階段：至2018年完成由4顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)的部署，并投入運行，使QZSS系統(tǒng)具備初始運行能力；第二階段，至2022年完成由7顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)部署，并投入運行，使QZSS系統(tǒng)具備全面運行能力。至此，具備增強與獨立衛(wèi)星導航服務能力的日本區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展計劃全面形成。

3 QZSS系統(tǒng)

在歐洲完成“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)初始運行能力部署并投入運行，印度完成“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）部署，中國“北斗”全球系統(tǒng)計劃2018年為“一帶一路”國家提供初始服務的背景下，2017年日本加快了QZSS系統(tǒng)的建設步伐，成功發(fā)射了3顆QZS衛(wèi)星，其中IGSO軌道衛(wèi)星2顆、GEO軌道衛(wèi)星1顆，完成QZSS系統(tǒng)第一階段的部署，計劃于2018年11月投入初始運行。

QZSS星座示意圖

QZSS系統(tǒng)方案

QZSS系統(tǒng)由7顆衛(wèi)星組成的空間段、地面運行控制段和用戶段組成，其空間星座由2顆部署在GEO軌道、5顆部署在IGSO軌道的衛(wèi)星組成。空間星座的部署分為兩個階段進行，第一階段部署3顆IGSO衛(wèi)星＋1顆GEO衛(wèi)星，其中IGSO軌道的半長軸42164km，偏心率0.075，傾角41°，GEO軌道衛(wèi)星定位于127°（E）；第二階段部署2顆IGSO衛(wèi)星＋1顆GEO衛(wèi)星，最終完成由2顆GEO、5顆IGSO衛(wèi)星組成的空間星座的部署。

系統(tǒng)論證階段日本提出了QZSS系統(tǒng)7星星座的兩個部署方案；方案一：3顆GEO衛(wèi)星+4顆IGSO衛(wèi)星；方案二：2顆GEO衛(wèi)星+5顆IGSO衛(wèi)星。最初，方案一得到了廣泛的關注與認可，因其可提供分布較為均勻的精度稀釋因子。由于有3顆GEO軌道衛(wèi)星，因而即使有1顆GEO軌道衛(wèi)星處于維護狀態(tài)，也不會對QZSS系統(tǒng)的服務產(chǎn)生明顯影響，但最終卻選擇了方案二。雖然日本沒有說明選擇方案二的具體考慮，但普遍認為改善IGSO軌道衛(wèi)星覆蓋的連續(xù)性可能是重要原因。

QZS衛(wèi)星

QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星包括兩種型號，即GEO型號與IGSO型號。兩種型號衛(wèi)星的主要區(qū)別在于GEO型號衛(wèi)星具有提供短信服務的能力，并增加用于S頻段短信服務的拋物面天線。

兩種型號的QZS衛(wèi)星均采用經(jīng)改進的DS－2000平臺，該平臺為三軸穩(wěn)定平臺，平臺干質(zhì)量1800kg，發(fā)射質(zhì)量4100kg，設計壽命大于10年。按QZS衛(wèi)星軌道和有效載荷的要求，平臺進行了改進。平臺電源系統(tǒng)可提供5.3kW的功率，其中分配給有效載荷系統(tǒng)功率約為2kW。

DS－2000平臺的改進主要包括幾個方面：采用技術(shù)先進、微小型化，且滿足抗輻射等空間環(huán)境要求的高可靠性器件；采用砷化鎵太陽電池等，以達到降低平臺質(zhì)量，增加燃料攜帶量，提高有效載荷比，確保衛(wèi)星15年的設計壽命要求。

IGSO型號衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量4000kg，干質(zhì)量1600kg，有效載荷質(zhì)量約320kg,設計壽命15年。軌道半長軸42164km±10km，偏心率不大于0.099，軌道傾角43°±4°，升交點赤經(jīng)195°～210°，近地點角距270°±2°，周期23h56min。

與IGSO軌道衛(wèi)星相比，GEO軌道衛(wèi)星增加了用于播發(fā)S頻段短信服務的拋物面天線和相關載荷，發(fā)射質(zhì)量增加至4700kg，干質(zhì)量增加至1800kg，設計壽命15年。

QZSS系統(tǒng)信號與服務

QZSS系統(tǒng)播發(fā)GPS增強和自主導航兩類導航信號，并在L1S和S頻段提供短信服務，其中GEO軌道衛(wèi)星具有L1Sb的導航技術(shù)驗證信號與S頻段的短報文服務能力，而IGSO軌道衛(wèi)星不具備上述能力。

從系統(tǒng)信號與功能設計的角度可以看出，日本QZSS系統(tǒng)是一個以GPS系統(tǒng)增強服務為主，自主導航為輔的區(qū)域民航衛(wèi)星系統(tǒng)，其自主導航信號與功能大多存在試驗、驗證的成分，希望獲得更高定位、導航性能，特別是如何提高定位精度，以滿足高精度用戶的需求。

QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星在軌情況

短報文服務是一種與“北斗”系統(tǒng)類似的功能，主要為政府或相關部門、用戶提供災難管理和應急救援方面的短信息通信服務，以應對因災害造成通信系統(tǒng)損失或失效情況下的應急通信服務。

QZSS系統(tǒng)星座狀態(tài)

截至2017年底，QZSS系統(tǒng)星座在軌衛(wèi)星4顆，其中3顆IGSO軌道衛(wèi)星、1顆GEO軌道衛(wèi)星。

3顆IGSO軌道衛(wèi)星部署在半長軸42164km、偏心率0.075、傾角41°的IGSO軌道，1顆GEO軌道衛(wèi)星定位于127°（E）。

4 廣泛開展國際合作，推動QZSS系統(tǒng)應用與日本衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)發(fā)展

日本是全球衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達的國家或地區(qū)之一，其水平僅次于美國，與歐洲相當，形成了完整的衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)鏈，特別是在行業(yè)應用領域，如精細農(nóng)業(yè)、基礎設施建設、道路交通等。歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（歐洲GNSS局）2017年5月發(fā)布的《GNSS市場報告》顯示，在代表衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平與能力的核心部件制造商、系統(tǒng)集成商與增值服務提供商等三大領域的10大提供商中，日本企業(yè)在每個領域均有2～3家上榜。同時，亞太地區(qū)是全球增長最快、市場容量最大的衛(wèi)星導航市場，對日本衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常重要。

憑借在衛(wèi)星導航應用領域與QZSS系統(tǒng)GPS增強服務的優(yōu)勢，日本積極開展亞太地區(qū)衛(wèi)星導航應用領域的合作，開拓QZSS系統(tǒng)的應用市場。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省已經(jīng)在向韓國、泰國、澳大利亞、菲律賓、馬來西亞、印度尼西亞等國家推薦QZSS系統(tǒng)及其增強服務，以借助QZSS系統(tǒng)提供的GPS增強服務，擴展日本衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的市場，增強日本在亞洲太平洋地區(qū)的影響力。

日本政府對衛(wèi)星導航與衛(wèi)星導航服務的重視對推動日本衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。MSAS、QZSS系統(tǒng)提供的導航增強服務有效地改善了多山且城市化程度很高的日本衛(wèi)星導航服務的性能，促進了諸如精細農(nóng)業(yè)、道路交通、測繪等對衛(wèi)星導航服務的高精度、高可用性的要求。同時，衛(wèi)星導航應用與日本優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的結(jié)合、融合也有效地促進的日本傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如汽車制造業(yè)、高性能相機制造業(yè)[日本的尼康（NIKON）和佳能（CANON）是全球最大的相機制造企業(yè)]等。

5 結(jié)束語

日本衛(wèi)星導航技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從GPS增強到GPS增強與獨立衛(wèi)星導航能力并舉的發(fā)展過程，將使日本擁有獨立的衛(wèi)星導航能力。在改善與提升日本衛(wèi)星導航服務能力的同時，逐步擺脫對GPS系統(tǒng)的依賴。同時，借助衛(wèi)星導航應用領域的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，日本積極開展亞太地區(qū)的衛(wèi)星導航應用合作，一方面，拓展日本衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的市場，實現(xiàn)QZSS系統(tǒng)的市場價值，進一步做大做強日本的衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)；另一方面，借助QZSS系統(tǒng)應用的推廣，擴展、增強日本在亞太地區(qū)政治、經(jīng)濟與外交等領域的影響力。