日本引路者-2“准天顶卫星”升空

王存恩 （北京空间科技信息研究所）

日本引路者-2“准天顶卫星”升空

Successful Launch of Japan Michibiki-2

王存恩 （北京空间科技信息研究所）

北京时间2017年6月1日08∶17，H-2A-202火箭从日本种子岛空间中心大型发射场将引路者-2（Michibiki-2）“准天顶卫星”（QZS）送入预定轨道。原计划8月11日发射的引路者-3，由于天气原因推迟至8月12日发射，又因火箭主发动机内驱动阀门用的氦气泄漏，故决定推迟至8月17日之后择机发射。这里主要介绍引路者-2，引路者-3另期介绍。

1 “准天顶卫星系统”概况

2001年7月，日本提出“准天顶卫星系统”（QZSS）基本构想；2003年8月确定了以官为主，官民结合开展“准天顶卫星系统”设计的基本框架；2006年初提出了“准天顶卫星系统”的技术验证方案；2006年3月28日决定将“准天顶卫星系统”正式列为国家航天开发重点项目，同时确定了开发准则：用4年半时间，即2010年9月把“准天顶卫星系统”[3颗“准天顶卫星”组网]的首发星引路者-1送入预定轨道；后经反复论证，于2011年9月又做出将第一阶段的3星组网调整为4星组网，并提出第二阶段实现7星组网的方案。

日本推进“准天顶卫星系统”事业的体制：内阁府是制定和监督这项计划落实的战略执行机构；为推进“准天顶卫星系统”计划的顺利落实，还专门成立了准天顶卫星系统服务公司（QSS）。三菱电机公司（MEC）作为这项计划中唯一由政府直接管辖的企业，提供“准天顶卫星系统”开发用的DS-2000改进型公用平台，同时还自愿参加融资的民营企业，在准天顶卫星系统服务公司的领导下，与日本电气公司（NEC）一道完善地面基础设备等；日本电气公司负责综合系统设计和验证，负责“准天顶卫星系统”的运行，并与三菱电机公司一道致力于完善地面设备及其维修与管理等任务。

“准天顶卫星系统”研发重点是：抓好DS-2000平台改进，使之满足“准天顶卫星系统”需求；开发出定位精度可达几厘米的定位接收机系统，为此做出以下决定。

改进DS-2000平台

由DS-2000平台的设计者日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和产权拥有者三菱电机公司共同负责DS-2000平台的改进，主要研究并确定通过采用领先技术、微小型化、满足抗辐射等要求的高可靠性器件，以及改用砷化镓太阳电池等，达到降低平台质量，增加燃料携带量和提高有效载荷比等，确保卫星15年的寿命期间既能提供足够的电能，又能在轨稳定运行，完成既定的飞行任务。

高精度定位系统

共有6个国家级研发机构参加了高精度定位系统的研发，在总结引路者-1在轨运行经验、分析存在问题的基础上，对引路者-2及后续卫星的定位系统进行了必要的改进：

1）宇宙航空研究开发机构抓总并负责完善GPS技术改进以及用于4星组网（引路者-1～5，其中引路者-5为引路者-1的后继星）和7星组网（引路者-6～8）的高精度定位实验系统及其性能完善工作；

2）日本国家信息通信技术研究所（NICT）重点抓时间管理系统的开发和验证，并提供完善4星和7星组网用的时间管理系统；

3）电子导航研究所（ENRI）负责GPS增强技术（亚米级）的开发和技术改进，提供进一步完善4星和7星组网的GPS增强技术；

4）国土技术政策综合研究所（NILIM）负责中低速移动物体定位用的、采用载波相位差分技术-GPS（RTK-GPS）实用化技术的开发，以及在“准天顶卫星”上的最佳匹配应用；

5）国土地理院（GSI）负责开发GPS增强技术（厘米级）的开发和自引路者-2起每颗卫星的定位精度与应用水平的提高工作；

6）产业技术综合研究所（AIST）负责模拟定位用时钟的技术开发与验证，并实现“准天顶卫星系统”第二阶段，即自引路者-6起采用高准确度国产定位用时钟的目标。

自执行“准天顶卫星系统”开发和应用战略近20年来，政府为“准天顶卫星系统”提供了航天开发预算和以融资等方式筹措的资金已超过1188亿日元，发射引路者-2～4还需支付899亿日元，因此，不包括二期工程，“准天顶卫星系统”的资金投入已接近2100亿日元。

政府之所以投入这么大的力量开发“准天顶卫星系统”，目的是通过有效地利用计划于2018年（第一期工程）和2025年（第二期工程）正式投入使用的“准天顶卫星系统”开辟新的商业契机，利用其提供的高精度导航定位服务，搭建起“准天顶卫星系统”应用服务平台，并不断扩大应用，拓展应用契机，创造出新的商机，最终达到带动国家产业振兴的目的。

航天开发战略本部多次明确：“准天顶卫星系统”开发采取分“两步走”的方针。

（1）第一阶段计划

“准天顶卫星系统”分别由卫星系统、地面系统和用户三部分组成。第一阶段计划的任务是实现4星组网。

卫星系统包括2010年9月11日发射并已在轨运行的引路者-1和刚刚发射的引路者-2，以及计划2017年内发射的引路者-3和4，2020年发射代替引路者-1的后继星引路者-5。

第一阶段计划之所以采用4星组网运行，目的是确保从日本到澳大利亚这一浩瀚的空域都有3颗卫星在大8字形轨道上运行，而且确保这一系统的3颗卫星中有16h以上是以迎角大于20°运行在日本到澳大利亚的上空，有8h是运行在日本正上空。这样，至少可实现全天时都有3颗卫星在轨（8h×3=24h），即全天时执行定位服务。而另1颗卫星—运行在赤道上空的“地球静止轨道卫星”（GEO），不仅要执行各种通信任务，同时还作为这3颗“准天顶卫星”的轨道备份星，按指令要求随时接替无法很好完成预定飞行任务的任何1颗“准天顶卫星”，来完成应完成的各项任务。

这里主要介绍“准天顶卫星系统”的地面系统和用户系统。

地面系统由主管控站、跟踪管控站和监控站组成，可进行卫星跟踪管控、一体化的轨道动力学管控、卫星在轨运行状况监视，以及对各项技术进行评估、信息管控和风险汇报等。

用户系统包括国内和国外两部分用户。国内用户包括文部科学省、总务省、国土交通省、经济产业省、防卫省等国家各省厅，以及推进“准天顶卫星系统”开发应用的协会、定位卫星应用中心等民间机构和个人用户等；国外用户拟包括印度尼西亚、韩国、澳大利亚、新西兰、泰国、菲律宾、马来西亚、越南、缅甸、新加坡和中国台湾等亚太国家和地区的用户。

广大用户利用“准天顶卫星”所提供的已完善和增强的GPS定位信号、公共专用信号、验证定位技术等，不仅可绘制精准的地图，提供高精度的卫星定位服务，同时用于IT农业、IT施工、土木工程/矿山设计与开发、海洋利用、船舶定位和航空通信导航服务，目的是为民众提供确保安心与安全的生活、防止犯罪，以及汽车、船舶、飞机等移动物体高精度导航定位与管理，高密度城市建设与管理、物流管理、航空通信等服务。

“准天顶卫星系统”第一阶段的4颗卫星中的引路者-1、2和4运行在倾斜地球同步卫星轨道（IGSO），引路者-3运行在GEO。

（2）第二阶段计划

“准天顶卫星系统”第二阶段任务将于2025财年完成。第二阶段任务在完成7星组网后开始：在第一阶段4星组网的基础上再发射2颗IGSO卫星（引路者-6和8）和1颗GEO卫星（引路者-7），在轨实现7星组网运行。届时可确保无论任何时间在日本上空都有3颗IGSO卫星和1颗GEO卫星在轨运行，满足设计者确定的用户至少可同时接收到4颗卫星发送来的电波信号这一“准天顶卫星系统”所必备的最基本条件，观测范围会较第一阶段扩大，观测时间延迟，可确保即便美国关闭其GPS，也不会使日本跌入无定位卫星系统可用的窘迫境地，达到基本摆脱完全依赖于美国GPS的困境。确切地说，完成第二阶段任务就等于基本建立起日本自己的“准天顶卫星系统”（实现7星组网后），即便美国不允许日本用户使用其GPS，日本用户依然可用自己的“准天顶卫星系统”进行卫星定位服务，做到无论是高楼林立的城市，还是连绵起伏的山峰之间，或远离本土的岛屿，都能接收到完善和增强的导航定位卫星信号，获取三维位置和时间数据，进行全天时的三维定位，提供测速和授时服务。

实现7星组网后，国外，即亚太地区的用户也会大幅度增加。

2 引路者-2

引路者-2是一颗以发送完善GPS和增强GPS信号，具备高精度姿态确定和姿态稳定功能，提供卫星定位服务的“准天顶卫星”。其轨道长半轴为4200km，离心率为0.75，轨道倾角约为44°，轨道运行周期为23h56mim。

首颗“准天顶卫星”引路者-1于2010年9月11日发射入轨并投入应用，之所以在6年8个月之后才发射引路者-2，有许多原因。

1）致力于卫星公用平台高可靠性，器件小型化，增加有效载荷比。因此，投入较大精力研发微小型化的高可靠性器件和设备，以搭载更多的有效载荷仪器，完善和增强（亚米级、厘米级）GPS定位信号，提高导航定位精度。

2）开发轻型、柔性好、强度大、转换效率超群的砷化镓太阳电池单元（引路者-1用的是硅太阳电池）。可展开的太阳电池翼也由引路者-1的3片变为2片，不仅降低太阳电池翼本身的质量，还提高了供电能力（由5.3kW提高到6.3kW）。这样就可增加可携带的燃料，确保卫星在轨运行寿命期间（15年）有足够的姿态和轨道保持用的燃料。

3）电源系统不是沿用了引路者-1的二次电源总线方式，而是采用新开发的结构相对简单、可靠性相当高的一次电源总线，但依然具备引路者-1所具备的即便出现太阳电池翼片损坏、供电能力下降等情况，仍可立即进行整合，确保提供所能提供的最大电能。

4）引路者-1所采用的是由星跟踪器（STT）、惯性基准单元（IRU）、地球敏感器（ESA）和精太阳敏感器（FSSA）组成的姿态确定系统，目的是提高系统的冗余度。经大量的研究和论证，确定引路者-2～5改用结构更加简洁且易于提高姿态确定精度的星跟踪器和粗太阳敏感器（CSS）相组合的姿态确定模式，既能减轻姿态确定分系统质量（用来增加有效载荷），又能确保达到要求的姿态确定精度，完成高精度定位。

5）开发并采用国际领先水平的地面接收机系统。这种接收机系统采用了领先国际水平的高可靠性高频电路等，同时配备可满足“全球导航卫星系统”（GNSS）用的PC软件，可确保其定位精度达到厘米级的设计要求。

引路者-2由卫星公用舱和有效载荷仪器系统组成。

卫星公用舱

卫星公用舱由遥测、指令和测距系统（TC&R），卫星控制系统（SCS），电源系统（EPS），太阳电池翼系统（SPS），姿态与轨道控制系统（AOCS），双组元液体推进系统（BPS），结构系统（STR），热控系统（TCS），以及仪表系统（INT）组成。

引路者-2的有效载荷系统包括定位有效载荷系统（NP）和空间环境数据获取装置（SEDA）两部分。

（1）定位有效载荷系统

定位有效载荷系统包括定位有效载荷-1和2。

定位有效载荷系统-1，与引路者-1所搭载的定位有效载荷系统完全相同，用于完善GPS信号，进行卫星定位服务和增强定位服务的仪器，共提供6种信号，分别为L1-C/A、L1C、L2C、L5信号（用于完善卫星定位服务）、C1S信号（增强亚米级定位服务，通报灾害和危急管理服务）、C6信号（增强厘米级测位信号服务）；定位有效载荷系统-2为引路者-2上新增加的部分，分别用来提供公共专用信号的L6R、验证测位技术服务信号的L1Sb、5S（谋求进一步提高导航定位精度）、确认卫星运行是否安全用的信号（S频段和Ku频段），以及指令定位加载和测距用的信号（C频段）。

“准天顶卫星系统”第一阶段工程引路者-1～4的性能比较

续 表

（2）空间环境数据获取装置

包括2种装置，其一为观测轻粒子用的轻粒子观测遥感器（LPTS）；其二为观测磁场强度用的磁强计遥感器（MAMS）。用这2种遥感器可获取有助于评价星载装置的误动作和搞清楚出故障原因等的相关数据，并实时地将获取的这些数据反馈给卫星设计人员。

3 开发可达厘米级的接收机系统

航天开发战略本部在2015年公布的最新航天基本计划中就明确要求：必须设计和开发出高水平的“准天顶卫星系统”，2018年完成第一阶段4星组网，在尽量短的时间内（2023年）将另外2颗IGSO卫星和1颗GEO卫星送入预定轨道，完成第二阶段的7星组网运行任务。要达到这一目标，核心任务是确保发射入轨的每颗卫星都必须高精度地定姿且进行姿态保持。卫星在轨稳定运行是确保提供高精度定位服务的首要条件，而要确保IGSO卫星达到要求的定位精度（厘米级），还必须开发出能够稳定接收卫星发送出定位信号用的地面接收机系统。

“准天顶卫星”地面系统的主承包商日本电气公司在其一份报告中明确指出：航天开发战略本部之所以允许在发射引路者-1之后的6年8个月才发射引路者-2，主要是给其足够时间解决2个问题：一是不惜一切代价提高组网的“准天顶卫星系统”中的每颗卫星的姿态和轨道确定精度，确保卫星在设计寿命内稳定运行；二是花大力气设计、开发并为用户配备高灵敏度（可达厘米级）GPS信号接收机系统。宇宙航空研究开发机构和考尔公司（CORE）负责这种接收机系统的设计，考尔公司承担具体开发工作。

为确保“准天顶卫星系统”的定位精度，许多厂家争先开发可满足“准天顶卫星系统”用的接收机，其中最有代表性的应属宇宙航空研究开发机构和考尔公司负责设计。考尔公司开发的可满足“全球导航卫星系统”需求的接收机系统，其长、宽和高分别为175mm、140mm和45mm，并已顺利通过验收，为确保“准天顶卫星系统”达到设计的定位精度（厘米级）提供了保证。这种接收机系统的关键部件，如高频电路（RF）等，不是从市场上采购，而是由考尔公司专门组织的研发团队开发的，属于与“准天顶卫星系统”配套的专用设备，不仅性能好，功能强，而且可靠性高；考尔公司还为其开发了可满足“全球导航卫星系统”用的PC软件，在接收机的核心组成部件现场可编程门阵列（FPGA）和微计算机内还配备了通过验证的逻辑算法，使之具备双频段接收功能，这样就可有效地应对电离层放电等所导致的卫星信号传递延迟使定位信号出现误差等问题，做到可实时捕获“准天顶卫星系统”多颗卫星发送来的增强定位信号，从而确保“准天顶卫星系统”的定位精度达厘米量级。

贾瓦德公司（JAVAD）还开发了一种多频段、可满足“全球导航卫星系统”需求的接收机—ALPHA G3T，它可接收GPS的L1-C/A、L2、L5信号，以及俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）导航卫星系统的L1、L2信号，接收机内备有可工作若干小时的蓄电池，接收机本体质量为448g，长、宽和高分别为148mm、85mm和35mm；天线质量为515g，长、宽和高分别为140mm、140mm和62mm。