日本准天顶卫星导航系统应用分析与启示

国际,高为广,苏牡丹,石善斌,汪陶胜

(1.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;2.空军研究院通信与导航研究所,北京 100085)

0 引 言

随着世界多极化、经济全球化的深入发展,卫星导航系统的战略地位日益显著,其广泛应用对国民经济和国家安全产生了重要影响．当前,四大全球卫星导航系统(GNSS)正在进行更新换代或基本能力部署,北斗卫星导航系统(BDS)已于 2018年宣布提供全球服务[1],美国加紧 GPS III建设,欧洲伽利略系统扩大全球覆盖范围,俄罗斯格洛纳斯系统抓紧部署新卫星．两大区域卫星导航系统中,印度基本建成区域导航卫星系统——NAVIC[2];日本准天顶卫星导航系统(QZSS)完成了基本部署,其可与 GPS兼容使用,并提供基于 GPS的增强服务,突出了特色服务,大力拓展其卫星导航应用．

1 QZSS系统及信号服务

1.1 基本情况

QZSS计划未来具备七颗卫星,可提供覆盖日本本土及西太平洋地区的卫星导航服务．

目前,QZSS已发射四颗卫星,如表1所示;预计到2023年还将增加三颗卫星[3]．2018年11月1日,QZSS官方宣布开始正式运营[4],提供基于GPS的亚米级定位增强服务(精度1～2 m),以及厘米级定位增强服务(静止精度6～12 cm,移动精度12～24 cm)[5-6]．

表1 发射情况一览表

1.2 信号服务

QZSS可与GPS兼容使用并提供增强服务,特别是支持L6信号,可在日本及周边地区实现高稳定性的精确定位服务,信号及服务详见表2[7]．

表2 QZSS信号服务概览

注: QZO为准天顶卫星轨道

2 应用模式

2.1 定位及增强服务

日本自然地形以山地和丘陵为主,城市区域高楼林立、道路密度较高,有时GPS卫星信号会被山体、大型建筑物或其他物体阻挡,一些区域定位精度很差．随着QZSS卫星数量的增加,有效减少了电离层误差,改善了几何精度因子,可实现亚米级高精度定位．据日本官方宣传报道,QZSS定位服务可广泛应用于个人设备、汽车、铁路、智能建筑、精准农业等领域．

1)个人设备,主要是在个人便携设备上记录高精度位置信息．例如,结合手机应用程序,提供稳定可靠的道路信息(特别是公共设施入口等详细信息)．

2)汽车行业,主要有车载导航、自动驾驶、道路自动计费、公共交通与物流、交通安全等方面．例如,通过位置信息监控公交车或出租车的实时驾驶信息,精准实时报告位置,用于调度;用于建立自动道路计费系统,比如特定道路收费,或市区中心区域计时收费;也可对远距离行驶车辆(例如长途巴士和卡车)进行跟踪和运营管理．

3)铁路领域．日本大众出行高度依赖铁路运输,这就要求列车运营管理做到“绝对”安全,最大可能地避免铁路事故．借助于QZSS高精度定位服务,可以准确地确定列车位置,这样可以减少地面设施,在确保安全的同时降低维护和管理成本[8]．

4)建筑行业．厘米级增强服务(CLAS)可发送基于GNSS控制站产生的测量信息,在没有移动通信服务的情况下,施工现场采用支持QZSS CLAS服务的机械,可根据设计图纸进行精细施工[9]．

5) 精准农业领域．QZSS CLAS的应用有助于实现农业机械自动化,使少数人管理大型农场成为可能．

2.2 特色服务

结合日本地理特点和国情,QZSS设计了特色服务,主要有以下两方面:

1) 灾害/危机管理卫星报告服务(Disaster and Crisis Management Report,简称DC 报告)[10]．QZSS可在发生地震、海啸或火山爆发等灾难时发送灾害/危机报告,如图1所示．这类报告能被发送到公共建筑内(如学校、医院)和道路公共设施上(如路灯、交通信号灯及自动售货机);收到报告后,通过扬声器播放警报．不过DC报告需要使用者连续接收,这就要求接收设备电量充足;考虑到移动电话等个人便携设备电池容量有限,DC报告在卫星传输的同时也能通过社交媒体等网络手段传递警报．

图1 DC报告服务

2)QZSS安全确认服务Q-ANPI．在灾难发生后通信终端无法使用的情况下,用户通过QZSS安全确认服务可向亲友和其他人发送电子邮件求助,或发送含位置信息的救援请求[11],如图2所示．

图2 Q-ANPI服务

采用以上特色服务,QZSS可覆盖日本近海海域并提供灾害信息,例如海啸、台风信息,船只也可在海上遇险时发出救援请求．

2.3 典型应用试验

2017年10月23日,北海道大学组织洋马等三家农业机械制造商在北海道上富良野町,进行了一项针对支持厘米级增强服务的农用拖拉机自动驾驶试验[12]．

在强风、低温、降雪警告的情况下,农用拖拉机仍旧做到稳定接收QZSS信号,并实现了精准驾驶．在日本政府战略创新创造计划(SIP)支持下,北海道已经引入了3 000多台装有GNSS接收设备的农用机械,特别是采用了RTK转向辅助功能,对日本人口下降引起的农业就业人口不足很有帮助．不过,农机安装此类系统成本相对较高,与远处基站的无线连接尚不稳定[13].

美国、澳大利亚等国已实现大规模耕种,广泛利用GNSS设备管理农场;而当前,日本的农业常态还是小规模农场居多,这就要求农民很大程度上要依靠个人经验来管理农田．日本还面临着农业人口减少的问题,为此,QZSS将会大力推动卫星定位服务应用于现代农业发展．由于日本和东南亚国家一样都有着复杂的农业生态和地理特征,日本力推精细化、系统化耕作,也会大力推广其相关经验到东南亚国家．

3 应用产品及分析

QZSS列出了官方推荐产品一览表,主要分为智能便携设备、汽车设备、户外运动与数码相机、接收器、芯片模块等多类产品,详细情况如表3所示[14]．

表3 支持QZSS产品制造商概览

表3(续)

其中,智能手机的主流厂商以日、美品牌为主,这与QZSS、GPS实现兼容互操作有一定关系;同时,日本在推广应用方面突出了数码相机、运动手表等本国优势产品;接收机方面,类型齐全、数量较多,生产厂家也以欧美或日美合资居多．

但在支持L6信号的产品开发方面,目前芯片、模拟源等产品研发有所欠缺,日本也正大力培植本国厂商支持QZSS新信号,比如日本广播、三菱、软银、洋马等知名企业．

其中,可支持特色服务的设备也在不断开发中,现阶段的主要终端厂商为日本本国企业以及美国知名厂商,详见表4[14]．

表4 支持特色服务的产品概览

类别生产商名称产品名称 厘米级增强服务(CLAS)接收机CORE公司Chronosphere-L6麦哲伦日本多频多GNSS系统接收机MJ-2005-GL4 /EVKMJ-3008-GM4-QZS三菱电机AQLOC灾害与危机管理卫星报告服务(DC报告)雷达探测器蜂星电讯AR-W55GA/AR-W65GM/AR-45GA

日本立足其自然地形及城市特点建设其区域卫星导航系统,并突出了灾害/危机管理卫星报告、安全确认等特色服务．在加速建设系统的同时,日本针对卫星导航的推广应用工作也有了明显进步,充分利用了数码相机、运动手表等产品制造优势,大力布局个人智能终端研制生产,如奥林巴斯、佳能、尼康、日本精工、卡西欧、索尼、东芝、松下等多家企业均有典型产品纳入日本官方推荐名录．在铁路、精准农业、精细建筑等领域,积极拓展亚米级增强、厘米级增强、灾害与危机管理卫星报告等特色服务应用,但支持L6新信号的芯片、终端厂家数量尚不充足,产品类型不够丰富,多以扶持日本国内厂商为主．

4 结束语

日本立足其自然地形及城市特点,基本建成了区域卫星导航系统QZSS,并基于GPS提供增强服务;针对地震、海啸等灾害易发的现实情况,设计了灾害/危机管理卫星报告、安全确认等特色服务．应用推广方面,日本充分利用了智能终端产品制造优势,不少知名企业都推出了支持QZSS的各类产品,支持其增强服务的接收机、芯片等也正在不断研发．

这对BDS应用推广工作有一定的参考意义,主要的启示有: 1)重点抓好导航产品自主研发,特别是芯片、接收机等基础类产品作为用户用好的基石地位凸显,产品研发要跟上BDS全球服务进程；2)加强推进智能融合应用,应立足我国国情突出BDS特色服务(如全球短报文通信、国际搜救、精密单点定位等服务),结合我强势、优势行业(如高铁、大型基建等)融合推进北斗服务；3)充分调动行业主管部门在推动BDS应用的意愿,卫星导航服务涉及国计民生众多行业领域,BDS要实现全过程切入、全方位服务各行各业是一个长期过程,离不开各部门的通力合作,如此才能取得经济、社会效益；4)综合研判并加大海外推广力度．例如,农业领域,我国在新疆、黑龙江等地区已有大规模播种、收割的BDS应用经验[15],但也应看到在华南等地区有着不同地形特点,在精细化操作方面还大有可为,针对不同地形，应用BDS的精准农业成功经验可推广到“一带一路”国家和地区； 5)持续更新BDS产品推荐名录,助推本土企业发展．