日本卫星导航能力发展

刘春保（北京空间科技信息研究所）

2017年10月9日，日本第4颗“准天顶卫星系统”（QZSS）成功发射，至此，日本完成了QZSS系统空间星座第1阶段的部署，计划于2018年11月1日投入初始运行，是日本谋求独立的卫星导航能力建设征程上的重要里程碑。日本的卫星导航能力已经完成了从增强到补充的发展过程，正在朝着建设、部署增强、补充与独立卫星导航能力相结合的方向发展。

1 日本卫星导航能力发展回顾

积极探索卫星导航技术

1972年，日本即启动了卫星导航技术的探索，开始了轨道倾角为45°的轨道控制技术的研究，1992年基本确认了这种方案的可行性。1997年3月，日本科技厅向日本宇宙开发事业部[现为日本宇宙航空开发机构（JAXA）]提出要求，用7年时间研究、开发导航定位卫星所需的关键技术，如星载原子钟技术、时间同步技术、卫星导航系统星座构形、系统控制等。

在上述研究的基础上，20世纪90年代初，在美国GPS系统即将完成初始运行能力部署的背景下，日本启动了“多用途运输卫星增强系统”（MSAS）的发展计划，但此时日本尚未形成系统的卫星导航系统发展计划。

借力美国，增强卫星研发能力

由于MSAS提出的通过改善民用航空通信、导航能力，提升空中交通管理与监测能力的设想，与国际民用航空组织于1991年批准并启动的通信、导航、监测/空中交通管制（CNS/ATM）计划具有较好的一致性，因而得到了国际民用航空组织的支持。但是，由于日本经济、技术的快速发展，美国对日本采取的限制与打压政策，日本卫星只能由美国企业牵头研制，日本航天技术与能力的发展受到了严重的制约。

虽然美国的打压制约了日本独立航天能力的发展，但也为日本创造了借鉴美国先进航天技术的机会。首颗MTSAT卫星的主承包商为美国劳拉空间系统公司（SS/L），日本工程技术人员全程参与，籍此积累了卫星研发经验。1999年11月，因H－2运载火箭第一级燃烧不正常，导致首颗“多用途运输卫星”（MTSAT）发射失败。此后，日本即启动了MTSAT卫星的独立研发工作。2005年、2010年，日本独立研发的2颗MTSAT卫星成功发射，提供了GPS系统C/A码民用信号的增强服务。

增强与自主相结合，发展独立的卫星导航能力

海湾战争中，GPS应用取得的巨大成功与卫星导航应用产业和市场的迅速发展，以及国土狭小、人口众多、城市密集的特点，使日本认识到独立卫星导航能力的重要性。因此，在自主研发GPS增强系统的同时，发展独立的卫星导航能力成为日本卫星导航领域发展的新目标。2002年，日本政府授权包括三菱电气公司、日立公司等组建了专门的团队，负责研究、制订日本区域卫星导航系统（JRANS）—QZSS系统的发展方案。

虽然发展独立的卫星导航能力非常明确，但QZSS系统的发展方案却是逐步演进、分步实施的，从最初以增强GPS系统服务、验证日本发展卫星导航系统的能力为主，逐步演进为GPS增强与提供独立的导航服务并举的系统方案。星座卫星数量由最初的3颗，最终演进为7颗；星座构形也从3颗倾斜地球同步卫星轨道（IGSO）卫星，最终演变为5颗IGSO卫星＋2颗地球静止轨道（GEO）卫星。至此，日本独立的区域卫星导航系统发展方案全面形成。

2 QZSS系统发展方案

日本是一个国土狭小、人口众多、城市密集、多山地形的国家，对高精度卫星导航服务的需求十分迫切，但其林立的高楼大厦与多山地形的遮挡和多路径效应，对卫星导航应用产生了不利的影响。改善卫星导航服务不但可以提升日本的卫星导航应用水平，也将十分有助于日本卫星导航应用产业的发展，增强其卫星导航应用产业与日本在亚太地区的影响力。

以GPS增强为主的QZSS系统初始方案

最初，日本计划采取公私伙伴关系的方式发展QZSS系统，计划部署3颗位于IGSO轨道的卫星，3颗卫星具有相同的星下点轨迹，保证在其服务区域内，用户观测QZSS卫星的最小仰角大于70°。2007年5月，日本议会批准了日本政府投资研制QZSS系统3颗卫星中的第1颗卫星的法案。日本政府计划投资750亿日元（6.19亿美元）研制一颗质量不超过4t的“准天顶卫星”（QZS），卫星由JAXA研制。卫星既播发GPS增强信号，也播发自主导航信号，以保证GPS服务不能使用时日本卫星导航服务的可用性。2010年9月11日，首颗QZS卫星发射成功，并命名为“引路者”（Michibiki）。测试与运行情况表明，QZS卫星有效地提高了日本卫星导航服务的能力，如可用性从只有GPS时的90%，提高至99.8%；利用QZS卫星的L1-SAIF信号，可使水平定位误差从1.56m降低至0.46m，垂直定位误差从3.85m降低至0.57m，有效改善、提升了服务区域内的卫星导航服务水平。2012年9月21日，日本政府批准了由1颗GEO卫星、3颗IGSO卫星及其地面控制段组成的QZSS系统建设计划，投资总额约34亿美元，计划于2018年完成部署，并投入运行。

测试中的引路者－1卫星

增强与自主并重的QZSS系统最终方案

2004年初，在原QZSS系统方案的基础上，日本科学与技术委员会（CSTP）首次提出了关于日本区域卫星导航系统的建议。该建议提出应将由3颗卫星组成的QZSS系统扩展至7颗卫星，构成日本自主的区域导航卫星系统，为日本提供天基定位、导航与授时（PNT）服务。2004年9月，日本科学与技术委员会发布了关于日本航天政策的报告，提出在卫星导航领域的长期目标—建立自主的、补充GPS系统的区域导航卫星系统（RNSS）。

2015年，日本发布新的《航天基本法》，明确了建立由7颗卫星组成的区域卫星导航系统的发展目标。此后，日本制定了分两个阶段完成QZSS系统建设的计划。第一阶段：至2018年完成由4颗卫星组成的QZSS系统的部署，并投入运行，使QZSS系统具备初始运行能力；第二阶段，至2022年完成由7颗卫星组成的QZSS系统部署，并投入运行，使QZSS系统具备全面运行能力。至此，具备增强与独立卫星导航服务能力的日本区域卫星导航系统发展计划全面形成。

3 QZSS系统

在欧洲完成“伽利略”（Galileo）系统初始运行能力部署并投入运行，印度完成“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）部署，中国“北斗”全球系统计划2018年为“一带一路”国家提供初始服务的背景下，2017年日本加快了QZSS系统的建设步伐，成功发射了3颗QZS卫星，其中IGSO轨道卫星2颗、GEO轨道卫星1颗，完成QZSS系统第一阶段的部署，计划于2018年11月投入初始运行。

QZSS星座示意图

QZSS系统方案

QZSS系统由7颗卫星组成的空间段、地面运行控制段和用户段组成，其空间星座由2颗部署在GEO轨道、5颗部署在IGSO轨道的卫星组成。空间星座的部署分为两个阶段进行，第一阶段部署3颗IGSO卫星＋1颗GEO卫星，其中IGSO轨道的半长轴42164km，偏心率0.075，倾角41°，GEO轨道卫星定位于127°（E）；第二阶段部署2颗IGSO卫星＋1颗GEO卫星，最终完成由2颗GEO、5颗IGSO卫星组成的空间星座的部署。

系统论证阶段日本提出了QZSS系统7星星座的两个部署方案；方案一：3颗GEO卫星+4颗IGSO卫星；方案二：2颗GEO卫星+5颗IGSO卫星。最初，方案一得到了广泛的关注与认可，因其可提供分布较为均匀的精度稀释因子。由于有3颗GEO轨道卫星，因而即使有1颗GEO轨道卫星处于维护状态，也不会对QZSS系统的服务产生明显影响，但最终却选择了方案二。虽然日本没有说明选择方案二的具体考虑，但普遍认为改善IGSO轨道卫星覆盖的连续性可能是重要原因。

QZS卫星

QZSS系统卫星包括两种型号，即GEO型号与IGSO型号。两种型号卫星的主要区别在于GEO型号卫星具有提供短信服务的能力，并增加用于S频段短信服务的抛物面天线。

两种型号的QZS卫星均采用经改进的DS－2000平台，该平台为三轴稳定平台，平台干质量1800kg，发射质量4100kg，设计寿命大于10年。按QZS卫星轨道和有效载荷的要求，平台进行了改进。平台电源系统可提供5.3kW的功率，其中分配给有效载荷系统功率约为2kW。

DS－2000平台的改进主要包括几个方面：采用技术先进、微小型化，且满足抗辐射等空间环境要求的高可靠性器件；采用砷化镓太阳电池等，以达到降低平台质量，增加燃料携带量，提高有效载荷比，确保卫星15年的设计寿命要求。

IGSO型号卫星发射质量4000kg，干质量1600kg，有效载荷质量约320kg,设计寿命15年。轨道半长轴42164km±10km，偏心率不大于0.099，轨道倾角43°±4°，升交点赤经195°～210°，近地点角距270°±2°，周期23h56min。

与IGSO轨道卫星相比，GEO轨道卫星增加了用于播发S频段短信服务的抛物面天线和相关载荷，发射质量增加至4700kg，干质量增加至1800kg，设计寿命15年。

QZSS系统信号与服务

QZSS系统播发GPS增强和自主导航两类导航信号，并在L1S和S频段提供短信服务，其中GEO轨道卫星具有L1Sb的导航技术验证信号与S频段的短报文服务能力，而IGSO轨道卫星不具备上述能力。

从系统信号与功能设计的角度可以看出，日本QZSS系统是一个以GPS系统增强服务为主，自主导航为辅的区域民航卫星系统，其自主导航信号与功能大多存在试验、验证的成分，希望获得更高定位、导航性能，特别是如何提高定位精度，以满足高精度用户的需求。

QZSS系统卫星在轨情况

短报文服务是一种与“北斗”系统类似的功能，主要为政府或相关部门、用户提供灾难管理和应急救援方面的短信息通信服务，以应对因灾害造成通信系统损失或失效情况下的应急通信服务。

QZSS系统星座状态

截至2017年底，QZSS系统星座在轨卫星4颗，其中3颗IGSO轨道卫星、1颗GEO轨道卫星。

3颗IGSO轨道卫星部署在半长轴42164km、偏心率0.075、倾角41°的IGSO轨道，1颗GEO轨道卫星定位于127°（E）。

4 广泛开展国际合作，推动QZSS系统应用与日本卫星导航产业发展

日本是全球卫星导航应用产业最为发达的国家或地区之一，其水平仅次于美国，与欧洲相当，形成了完整的卫星导航应用产业链，特别是在行业应用领域，如精细农业、基础设施建设、道路交通等。欧洲全球导航卫星系统管理局（欧洲GNSS局）2017年5月发布的《GNSS市场报告》显示，在代表卫星导航应用产业技术水平与能力的核心部件制造商、系统集成商与增值服务提供商等三大领域的10大提供商中，日本企业在每个领域均有2～3家上榜。同时，亚太地区是全球增长最快、市场容量最大的卫星导航市场，对日本卫星导航应用产业的发展非常重要。

凭借在卫星导航应用领域与QZSS系统GPS增强服务的优势，日本积极开展亚太地区卫星导航应用领域的合作，开拓QZSS系统的应用市场。日本经济产业省已经在向韩国、泰国、澳大利亚、菲律宾、马来西亚、印度尼西亚等国家推荐QZSS系统及其增强服务，以借助QZSS系统提供的GPS增强服务，扩展日本卫星导航应用产业的市场，增强日本在亚洲太平洋地区的影响力。

日本政府对卫星导航与卫星导航服务的重视对推动日本卫星导航应用产业的发展起到了重要作用。MSAS、QZSS系统提供的导航增强服务有效地改善了多山且城市化程度很高的日本卫星导航服务的性能，促进了诸如精细农业、道路交通、测绘等对卫星导航服务的高精度、高可用性的要求。同时，卫星导航应用与日本优势产业的结合、融合也有效地促进的日本传统优势产业的发展，如汽车制造业、高性能相机制造业[日本的尼康（NIKON）和佳能（CANON）是全球最大的相机制造企业]等。

5 结束语

日本卫星导航技术与系统的发展经历了从GPS增强到GPS增强与独立卫星导航能力并举的发展过程，将使日本拥有独立的卫星导航能力。在改善与提升日本卫星导航服务能力的同时，逐步摆脱对GPS系统的依赖。同时，借助卫星导航应用领域的技术与产业优势，日本积极开展亚太地区的卫星导航应用合作，一方面，拓展日本卫星导航应用产业的市场，实现QZSS系统的市场价值，进一步做大做强日本的卫星导航应用产业；另一方面，借助QZSS系统应用的推广，扩展、增强日本在亚太地区政治、经济与外交等领域的影响力。