日本的准天顶系统

+ 刘天雄

日本的准天顶系统

+ 刘天雄

一、背景

2000年6月，日本开发委员会提交了一份题为《改进日本航天开发体制，扩展航天利用新领域》的报告，决定执行空间基础设施(I—SPACE)计划。“准天顶”卫星系统是该计划要重点开发的三个系统之一。

日本位于北半球的中纬度地区，大部分城市位于峡谷地带，GPS系统提供的定位服务不能满足城市车载用户的导航定位需求。为了提高空间卫星的几何分布，确保信号遮挡地区的导航定位需求，2002年，日本政府和航天企业联合开始研发准天顶卫星导航系统（QZSS）。QZSS系统由日本先进空间商业公司（ASBC）负责研发，股东包括三菱电子公司、日立公司以及GNSS技术有限公司。2007年ASBC公司破产，QZSS系统相关研发工作由2007年2月5日成立的日本卫星定位研究和应用中心（SPRAC）接管。

图1 QZSS系统的logo

QZSS 是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，旨在为GPS卫星提供“辅助增强”功能，包括可用性增强和精度、可靠性改进。目前的计划是将民用信号的精度从10m级别提升到1m以内，已经非常接近军用GPS信号的精度了

QZSS系统的logo如图1所示。

日本认为，美国的GPS已经渗透到日本国民生活的方方面面，这显然是非常不安全的。为了防止不测事件的发生，日本认为必须建立与GPS兼容的并逐步过渡到独立测位的卫星导航系统。

“准天顶”一词来源于日本导航卫星所采用特殊的大椭圆轨道，卫星在一天的大部分时间均运行在日本上空。如果采用地球静止轨道，卫星与地面的仰角不超过48度，其发出的信号由于受地面高层建筑物的遮挡，实际只能覆盖城市面积的30%，如图2所示。而QZSS卫星的仰角在60度以上，覆盖率可达100%。这样能够大幅度地改善GPS系统的可用性，如图3所示。

图2 摩天大厦遮挡卫星信号

图3 QZSS系统与GPS的无缝服务

众所周知，GPS的民用信号一直不如军用信号，虽然一般情况下能够正常使用，但在某些极端条件下仍然会出现定位偏移的现象。QZSS就是想以“打补丁”的方式，通过增加日本上空的卫星密度，来解决民用GPS导航信号的精度问题。“准天顶”卫星系统将为日本带来四大好处。

第一，更加精确的全球定位。QZSS定位功能可分为GPS的补充和加强两种情况。所谓“补充”就是单纯地增加GPS卫星数量，提供与GPS一样的无偿服务。而“加强”部分则是通过修正GPS信息提高精度，这样可以提供精度高于普通GPS有偿定位服务的功能。

第二，QZSS和地球静止卫星在不同的轨道上运行，即使使用相同的频率带也不至于相互干扰，可以提高频率带的利用率。

第三，改善城市峡谷中可见的卫星数目。。

第四，QZSS卫星可以观测到静止轨道卫星观测不到的南北极地区，为科学研究提供更多的资料。

二、系统组成

同GPS一样，QZSS也由卫星、地面运行控制段及用户接收机三部分组成，如图4所示。

Q Z S S卫星导航系统空间段由三颗IGSO卫星组成，卫星采用大椭圆轨道，3个轨道平面半长轴a=42164km，偏心率e=0.099，倾角i=45度，升交点赤经Ω相差120度。如图5所示。

这种卫星轨道对日本有独特的意义，卫星的远地点在日本上空，因此可以在日本上空运行较长的时间。卫星星下点轨迹像一个不对称的“8”字，如图6所示，三颗卫星的星下点轨迹相同。

由于卫星运行轨道是倾斜的，用户观察卫星的仰角会逐渐改变，因此仅仅一颗卫星并不能保证日本上空总有卫星在运行。实际上这种轨道的卫星每天有7～9小时运行在日本上空。通过增加卫星的数量，可以确保一天中的任何时刻始终有一颗卫星运行在日本上空。QZSS由此得名“准天顶”系统。

前文已经说过，至少需要四颗卫星才能实现定位。同时，卫星的几何分布对定位精度也是非常重要的，这里有一个叫做几何精度因子（GDOP）的数值用来描述卫星的几何分布优劣。QZSS有助于改善GDOP。

QZSS的地面控制段由GPS主监测站、QZSS和GPS联合主监测站、遥测遥控及导航电文上行注入站组成，如图7所示，

三、系统功能

QZSS系统主要为移动用户提供基于通信（视频、音频和数据）和定位服务，对于定位服务，可以认为是GPS系统的增强服务，类似于美国联邦航空管理局的广域增强系统WASS（Wide Area Augmentation System）。QZSS与GPS所广播的导航信号能够兼容互操作。

表1 QZSS卫星导航系统的预期定位精度

图5 QZSS卫星导航系统空间段

QZSS通过两种方式增强GPS系统的服务，首先是系统可用性增强，亦即改善GPS系统导航无线电信号；其次是系统性能增强，亦即通过提高定位解算精度来改善GPS的可靠性和定位精度。即QZSS播发GPS系统的L1C/A、L1C、L2C以及L5信号，能保证QZSS与GPS的兼容与互操作，这将使得QZSS对用户系统技术要求和接收机设计较GPS接收机改动最小。同单独使用GPS系统相比，QZSS—GPS联合系统通过修正接收机测距数据而能够提高用户定位精度，另外，通过状态监测和系统健康数据告警能够提高联合系统的可靠性。

目前，具备导航功能的移动通讯终端（例如手机）已日趋普遍，及时获取定位信息已成为人们日常生活中绝对必要的需求。QZSS系统可以扩大城市或山区定位服务的范围同时延长服务时间，并将GPS的精度改善到亚米级。

四、参考坐标

QZSS卫星导航系统的时间系统QZSST，即QZSS卫星系统时间定义如下：

一秒钟的长度与国际原子时（Inetrnational Atomic Time —TAI）相同；

同GPS时一样，相对国际原子时偏置滞后19秒；

与GPS时的接口：QZSS卫星星载原子钟与GPS卫星星载原子钟一样，均受控于GPS时（GPS time scale—GPST）；

导航信号规划表

QZSS卫星导航系统的坐标系统JGS，即日本卫星导航地理系统，与GPS所采用的WGS84地理坐标参考系统之间的误差小于0.02米。

五、定位精度

QZSS卫星导航系统的预期定位精度如下：

空间用户测距误差——空间用户测距误差小于1.6m（95%），包含时间和地理坐标误差；

用户定位误差——是指同时利用GPS系统 L1_C/A 码和 QZSS系统 L1_C/A码进行定位的单频接收机的用户定位误差，以及同时利用L1_C/A码和L2_C/A码进行定位的双频接收机的用户定位误差，如下表1所示，

六、服务范围

图8 日本发射“引路”号准天顶卫星

目前 “准天顶”系统是一个区域定位系统，即使在2015年完成一期计划全部3颗卫星的发射任务。主要是满足提高日本及其周边的GPS定位的功能。在这一阶段，它只是作为GPS的一个辅助和增强系统，在2015年之前并不具备真正的、独立的全球竞争力。但这只是日本构筑整个卫星导航系统计划中的第一步。从长远看，随着体系内卫星数量和密度的不断增加，QZSS从技术上完全有可能升级为独立的卫星导航系统，从而提供完整的卫星导航辅助功能，而这个时间可能在2020年～2025年之间。

七、研制进展

QZSS系统实施分为两个阶段，首先是发射一颗试验卫星，用于演示验证系统的关键技术，然后根据演示验证评估结果发射另两颗QZSS卫星。2010年9月11日20∶17(JST)，日本在其鹿儿岛县种子岛空间中心，用一枚H-IIA火箭成功发射将其首颗卫星MICHIBIKI（编号QZS-1），如图8所示，MICHIBIKI的日语含义是“导航”或者“带路”，《参考消息》等中文主流媒体将其译为“引路”号卫星。2010年9月27日，“引路”号卫星成功到达“准天顶”预定设计轨道。

“引路”卫星由日本三菱重工负责研制，卫星本体为六面体的箱形结构，尺寸为2.9 × 3.1× 6.2m；两个太阳翼展开后，两翼跨度25.3m；卫星重量约为4000kg（干重1800kg），其中有效载荷320kg；寿命末期功率5.3kW，其中导航载荷功率1.9kW；卫星设计寿命10年，卫星远地点32000 km, 近地点40000 km，轨道倾角39°～40°，初始相位41°，轨道周期23 h 56 m。卫星在轨展开示意图如图9所示，

图10 卫星制造、装配、集成及试验

星上TWSTFT收发复用天线用于利用星载原子钟开展星地双向时间比对标校试验；L频段螺旋阵列天线用于播发五路下行无线电定位信号，包括L1-C/A、 L2C、L5、 L1C频段信号和LEX频段实验导航信号；L1-SAIF天线播发GPS-SBAS天基系统增强信号以实现1m级定位精度；C频段测控天线用于接收Okinawa跟踪和通信站的修正数据，同时用于播发和接收来自运控系统的信号；激光发射器用于开展激光测距以验证卫星轨道和星载时钟的估计值的准确性，同时利用L频段测距信号修正激光测距模型。

“引路”号卫星研制过程为：2005～2007，初样设计，2007年8月完成初样设计评审；

2007～2008，正样设计，2008年8月完成正样设计评审；

2008～2010，卫星制造、装配、集成及试验，如图10所示；其中2009年3月，导航有效载荷交付卫星总体；

2010～2011，在轨测试。

2010年10月19日，“引路”卫星开通有效载荷，L1-SAIF频段天线播发L1-SAIF信号，L1频段螺旋天线播发L1-C/A、 L2C、 L5、 L1C、及 LEX实验导航信号，在轨测试表明播发的信号并没有干扰包括GPS系统在内的其他传统的定位系统的信号，随后开展为期3个月的在轨测试（技术和应用验证）。

值得关注的是“准天顶”系统“引路”号卫星上还安装有相机，2010年10月26日中午成功地传回了地球的图像。

八、 未来计划

日本未来区域导航系统（RSNS）空间段将由4颗 IGSO卫星和4颗 GEO卫星组成，与GPS系统之间具有较高的兼容与互操作性。

L1-SAIF信号能够提供广域差分GPS系统（WDGPS）修正数据，在没有较大的多径误差和电离层干扰情况下，定位精度优于1m（1 sigma）。

+ SATNET

L频段天线工程模型振动试验（2007.1）

L频段天线EMC试验（2008.7）