+ 劉天雄

日本的準天頂系統(tǒng)

+ 劉天雄

一、背景

2000年6月，日本開發(fā)委員會提交了一份題為《改進日本航天開發(fā)體制，擴展航天利用新領域》的報告，決定執(zhí)行空間基礎設施(I—SPACE)計劃。“準天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)是該計劃要重點開發(fā)的三個系統(tǒng)之一。

日本位于北半球的中緯度地區(qū)，大部分城市位于峽谷地帶，GPS系統(tǒng)提供的定位服務不能滿足城市車載用戶的導航定位需求。為了提高空間衛(wèi)星的幾何分布，確保信號遮擋地區(qū)的導航定位需求，2002年，日本政府和航天企業(yè)聯(lián)合開始研發(fā)準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)（QZSS）。QZSS系統(tǒng)由日本先進空間商業(yè)公司（ASBC）負責研發(fā)，股東包括三菱電子公司、日立公司以及GNSS技術(shù)有限公司。2007年ASBC公司破產(chǎn)，QZSS系統(tǒng)相關研發(fā)工作由2007年2月5日成立的日本衛(wèi)星定位研究和應用中心（SPRAC）接管。

圖1 QZSS系統(tǒng)的logo

QZSS 是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛(wèi)星系統(tǒng)，旨在為GPS衛(wèi)星提供“輔助增強”功能，包括可用性增強和精度、可靠性改進。目前的計劃是將民用信號的精度從10m級別提升到1m以內(nèi)，已經(jīng)非常接近軍用GPS信號的精度了

QZSS系統(tǒng)的logo如圖1所示。

日本認為，美國的GPS已經(jīng)滲透到日本國民生活的方方面面，這顯然是非常不安全的。為了防止不測事件的發(fā)生，日本認為必須建立與GPS兼容的并逐步過渡到獨立測位的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

“準天頂”一詞來源于日本導航衛(wèi)星所采用特殊的大橢圓軌道，衛(wèi)星在一天的大部分時間均運行在日本上空。如果采用地球靜止軌道，衛(wèi)星與地面的仰角不超過48度，其發(fā)出的信號由于受地面高層建筑物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的30%，如圖2所示。而QZSS衛(wèi)星的仰角在60度以上，覆蓋率可達100%。這樣能夠大幅度地改善GPS系統(tǒng)的可用性，如圖3所示。

圖2 摩天大廈遮擋衛(wèi)星信號

圖3 QZSS系統(tǒng)與GPS的無縫服務

眾所周知，GPS的民用信號一直不如軍用信號，雖然一般情況下能夠正常使用，但在某些極端條件下仍然會出現(xiàn)定位偏移的現(xiàn)象。QZSS就是想以“打補丁”的方式，通過增加日本上空的衛(wèi)星密度，來解決民用GPS導航信號的精度問題?！皽侍祉敗毙l(wèi)星系統(tǒng)將為日本帶來四大好處。

第一，更加精確的全球定位。QZSS定位功能可分為GPS的補充和加強兩種情況。所謂“補充”就是單純地增加GPS衛(wèi)星數(shù)量，提供與GPS一樣的無償服務。而“加強”部分則是通過修正GPS信息提高精度，這樣可以提供精度高于普通GPS有償定位服務的功能。

第二，QZSS和地球靜止衛(wèi)星在不同的軌道上運行，即使使用相同的頻率帶也不至于相互干擾，可以提高頻率帶的利用率。

第三，改善城市峽谷中可見的衛(wèi)星數(shù)目。。

第四，QZSS衛(wèi)星可以觀測到靜止軌道衛(wèi)星觀測不到的南北極地區(qū)，為科學研究提供更多的資料。

二、系統(tǒng)組成

同GPS一樣，QZSS也由衛(wèi)星、地面運行控制段及用戶接收機三部分組成，如圖4所示。

Q Z S S衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段由三顆IGSO衛(wèi)星組成，衛(wèi)星采用大橢圓軌道，3個軌道平面半長軸a=42164km，偏心率e=0.099，傾角i=45度，升交點赤經(jīng)Ω相差120度。如圖5所示。

這種衛(wèi)星軌道對日本有獨特的意義，衛(wèi)星的遠地點在日本上空，因此可以在日本上空運行較長的時間。衛(wèi)星星下點軌跡像一個不對稱的“8”字，如圖6所示，三顆衛(wèi)星的星下點軌跡相同。

由于衛(wèi)星運行軌道是傾斜的，用戶觀察衛(wèi)星的仰角會逐漸改變，因此僅僅一顆衛(wèi)星并不能保證日本上空總有衛(wèi)星在運行。實際上這種軌道的衛(wèi)星每天有7～9小時運行在日本上空。通過增加衛(wèi)星的數(shù)量，可以確保一天中的任何時刻始終有一顆衛(wèi)星運行在日本上空。QZSS由此得名“準天頂”系統(tǒng)。

前文已經(jīng)說過，至少需要四顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)定位。同時，衛(wèi)星的幾何分布對定位精度也是非常重要的，這里有一個叫做幾何精度因子（GDOP）的數(shù)值用來描述衛(wèi)星的幾何分布優(yōu)劣。QZSS有助于改善GDOP。

QZSS的地面控制段由GPS主監(jiān)測站、QZSS和GPS聯(lián)合主監(jiān)測站、遙測遙控及導航電文上行注入站組成，如圖7所示，

三、系統(tǒng)功能

QZSS系統(tǒng)主要為移動用戶提供基于通信（視頻、音頻和數(shù)據(jù)）和定位服務，對于定位服務，可以認為是GPS系統(tǒng)的增強服務，類似于美國聯(lián)邦航空管理局的廣域增強系統(tǒng)WASS（Wide Area Augmentation System）。QZSS與GPS所廣播的導航信號能夠兼容互操作。

表1 QZSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的預期定位精度

圖5 QZSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段

QZSS通過兩種方式增強GPS系統(tǒng)的服務，首先是系統(tǒng)可用性增強，亦即改善GPS系統(tǒng)導航無線電信號；其次是系統(tǒng)性能增強，亦即通過提高定位解算精度來改善GPS的可靠性和定位精度。即QZSS播發(fā)GPS系統(tǒng)的L1C/A、L1C、L2C以及L5信號，能保證QZSS與GPS的兼容與互操作，這將使得QZSS對用戶系統(tǒng)技術(shù)要求和接收機設計較GPS接收機改動最小。同單獨使用GPS系統(tǒng)相比，QZSS—GPS聯(lián)合系統(tǒng)通過修正接收機測距數(shù)據(jù)而能夠提高用戶定位精度，另外，通過狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)告警能夠提高聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性。

目前，具備導航功能的移動通訊終端（例如手機）已日趨普遍，及時獲取定位信息已成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪^對必要的需求。QZSS系統(tǒng)可以擴大城市或山區(qū)定位服務的范圍同時延長服務時間，并將GPS的精度改善到亞米級。

四、參考坐標

QZSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)QZSST，即QZSS衛(wèi)星系統(tǒng)時間定義如下：

一秒鐘的長度與國際原子時（Inetrnational Atomic Time —TAI）相同；

同GPS時一樣，相對國際原子時偏置滯后19秒；

與GPS時的接口：QZSS衛(wèi)星星載原子鐘與GPS衛(wèi)星星載原子鐘一樣，均受控于GPS時（GPS time scale—GPST）；

導航信號規(guī)劃表

QZSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)JGS，即日本衛(wèi)星導航地理系統(tǒng)，與GPS所采用的WGS84地理坐標參考系統(tǒng)之間的誤差小于0.02米。

五、定位精度

QZSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的預期定位精度如下：

空間用戶測距誤差——空間用戶測距誤差小于1.6m（95%），包含時間和地理坐標誤差；

用戶定位誤差——是指同時利用GPS系統(tǒng) L1_C/A 碼和 QZSS系統(tǒng) L1_C/A碼進行定位的單頻接收機的用戶定位誤差，以及同時利用L1_C/A碼和L2_C/A碼進行定位的雙頻接收機的用戶定位誤差，如下表1所示，

六、服務范圍

圖8 日本發(fā)射“引路”號準天頂衛(wèi)星

目前 “準天頂”系統(tǒng)是一個區(qū)域定位系統(tǒng)，即使在2015年完成一期計劃全部3顆衛(wèi)星的發(fā)射任務。主要是滿足提高日本及其周邊的GPS定位的功能。在這一階段，它只是作為GPS的一個輔助和增強系統(tǒng)，在2015年之前并不具備真正的、獨立的全球競爭力。但這只是日本構(gòu)筑整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃中的第一步。從長遠看，隨著體系內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量和密度的不斷增加，QZSS從技術(shù)上完全有可能升級為獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，從而提供完整的衛(wèi)星導航輔助功能，而這個時間可能在2020年～2025年之間。

七、研制進展

QZSS系統(tǒng)實施分為兩個階段，首先是發(fā)射一顆試驗衛(wèi)星，用于演示驗證系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，然后根據(jù)演示驗證評估結(jié)果發(fā)射另兩顆QZSS衛(wèi)星。2010年9月11日20∶17(JST)，日本在其鹿兒島縣種子島空間中心，用一枚H-IIA火箭成功發(fā)射將其首顆衛(wèi)星MICHIBIKI（編號QZS-1），如圖8所示，MICHIBIKI的日語含義是“導航”或者“帶路”，《參考消息》等中文主流媒體將其譯為“引路”號衛(wèi)星。2010年9月27日，“引路”號衛(wèi)星成功到達“準天頂”預定設計軌道。

“引路”衛(wèi)星由日本三菱重工負責研制，衛(wèi)星本體為六面體的箱形結(jié)構(gòu)，尺寸為2.9 × 3.1× 6.2m；兩個太陽翼展開后，兩翼跨度25.3m；衛(wèi)星重量約為4000kg（干重1800kg），其中有效載荷320kg；壽命末期功率5.3kW，其中導航載荷功率1.9kW；衛(wèi)星設計壽命10年，衛(wèi)星遠地點32000 km, 近地點40000 km，軌道傾角39°～40°，初始相位41°，軌道周期23 h 56 m。衛(wèi)星在軌展開示意圖如圖9所示，

圖10 衛(wèi)星制造、裝配、集成及試驗

星上TWSTFT收發(fā)復用天線用于利用星載原子鐘開展星地雙向時間比對標校試驗；L頻段螺旋陣列天線用于播發(fā)五路下行無線電定位信號，包括L1-C/A、 L2C、L5、 L1C頻段信號和LEX頻段實驗導航信號；L1-SAIF天線播發(fā)GPS-SBAS天基系統(tǒng)增強信號以實現(xiàn)1m級定位精度；C頻段測控天線用于接收Okinawa跟蹤和通信站的修正數(shù)據(jù)，同時用于播發(fā)和接收來自運控系統(tǒng)的信號；激光發(fā)射器用于開展激光測距以驗證衛(wèi)星軌道和星載時鐘的估計值的準確性，同時利用L頻段測距信號修正激光測距模型。

“引路”號衛(wèi)星研制過程為：2005～2007，初樣設計，2007年8月完成初樣設計評審；

2007～2008，正樣設計，2008年8月完成正樣設計評審；

2008～2010，衛(wèi)星制造、裝配、集成及試驗，如圖10所示；其中2009年3月，導航有效載荷交付衛(wèi)星總體；

2010～2011，在軌測試。

2010年10月19日，“引路”衛(wèi)星開通有效載荷，L1-SAIF頻段天線播發(fā)L1-SAIF信號，L1頻段螺旋天線播發(fā)L1-C/A、 L2C、 L5、 L1C、及 LEX實驗導航信號，在軌測試表明播發(fā)的信號并沒有干擾包括GPS系統(tǒng)在內(nèi)的其他傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)的信號，隨后開展為期3個月的在軌測試（技術(shù)和應用驗證）。

值得關注的是“準天頂”系統(tǒng)“引路”號衛(wèi)星上還安裝有相機，2010年10月26日中午成功地傳回了地球的圖像。

八、 未來計劃

日本未來區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（RSNS）空間段將由4顆 IGSO衛(wèi)星和4顆 GEO衛(wèi)星組成，與GPS系統(tǒng)之間具有較高的兼容與互操作性。

L1-SAIF信號能夠提供廣域差分GPS系統(tǒng)（WDGPS）修正數(shù)據(jù)，在沒有較大的多徑誤差和電離層干擾情況下，定位精度優(yōu)于1m（1 sigma）。

+ SATNET

L頻段天線工程模型振動試驗（2007.1）

L頻段天線EMC試驗（2008.7）