●　文|中國空間技術(shù)研究院　　　　 夏巖　　王慶華　　宋錚　　陳秋麗

日本QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

●文|中國空間技術(shù)研究院 夏巖王慶華宋錚陳秋麗

摘要：日本國境內(nèi)因地面多山和多城市峽谷地形的特點(diǎn)，使用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)存在觀測衛(wèi)星數(shù)量不足、幾何精度因子條件不好等缺陷，日本專家學(xué)者提出發(fā)展自己的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來增強(qiáng)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由于障礙物不能觀測有效數(shù)量衛(wèi)星地區(qū)的用戶導(dǎo)航性能。本文介紹了日本研究建設(shè)的GPS增強(qiáng)系統(tǒng)——準(zhǔn)天頂系統(tǒng)（QZSS），針對(duì)系統(tǒng)星座構(gòu)成、信發(fā)播號(hào)體制、導(dǎo)航系統(tǒng)組成，以及發(fā)展進(jìn)度和性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)天頂系統(tǒng) 現(xiàn)狀

一、 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺(tái)的星基無線電定位系統(tǒng)，能為全球陸、海、空、天的各類軍用和民用載體提供全天時(shí)、全天候的三維位置、速度和時(shí)間信息。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)與各個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)，擁有這種技術(shù)和能力，就會(huì)在軍事、外交和經(jīng)濟(jì)上占據(jù)主動(dòng)地位，獲取巨大的利益。

美國在這方面先行一步，隨著美國GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建和逐漸完善，以及其帶來的巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)效益，世界各國也相繼投資建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐洲的Galileo系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)。

日本瞄準(zhǔn)了導(dǎo)航系統(tǒng)的巨大市場，并根據(jù)本國多城市峽谷和多山地形，用戶機(jī)用戶在觀測衛(wèi)星時(shí)需要具有高仰角的特點(diǎn)，通過政府與民間部門合作開發(fā)研制了準(zhǔn)天頂系統(tǒng)( Quasi Zenith Satellite System，QZSS）。QZSS最初被定義為一個(gè)多任務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，通過增強(qiáng)GPS以提高由于障礙物不能觀測有效數(shù)量衛(wèi)星地區(qū)的GPS性能，在指定區(qū)域以高觀測角提供給手機(jī)用戶通信、廣播以及定位服務(wù)。同時(shí)，一旦美國的GPS系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生中斷時(shí)，日本依然能夠依靠QZSS具備獨(dú)立的導(dǎo)航定位能力。

二、準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展

日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)（QZSS）是兼具導(dǎo)航定位、移動(dòng)通信和廣播功能的衛(wèi)星系統(tǒng)，最初是日本通信研究實(shí)驗(yàn)室關(guān)于聯(lián)合產(chǎn)業(yè)成果的一個(gè)提案。

QZSS系統(tǒng)是由幾顆不同高傾角軌道面的地球同步衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有相同的星下點(diǎn)軌跡。通過選定合適的偏心率和傾角，可以使24 h服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶觀測衛(wèi)星最小仰角大于70°。這對(duì)用戶來說，意味著他們可以在任何時(shí)間在天頂附近區(qū)域都可以高仰角接收到至少一顆QZSS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，這就是準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)名稱的由來。

1.QZSS系統(tǒng)構(gòu)成

QZSS系統(tǒng)由空間段和地面段構(gòu)成。

（1）空間段

空間段由3顆IGSO衛(wèi)星構(gòu)成星座。衛(wèi)星星座構(gòu)型如圖1、圖2。2010年該系統(tǒng)完成首顆衛(wèi)星QZS-1（圖3）的發(fā)射，并經(jīng)在軌運(yùn)行與應(yīng)用獲得基本經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最終將實(shí)現(xiàn)三星組網(wǎng)運(yùn)行與應(yīng)用。根據(jù)未來應(yīng)用情況，日本可能考慮再安排發(fā)射4顆GEO衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)七星組網(wǎng)運(yùn)行與應(yīng)用。具體軌道參數(shù)見表1所示，衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖1　準(zhǔn)天頂系統(tǒng)三維示意圖

圖2　準(zhǔn)天頂系統(tǒng)星下點(diǎn)軌跡示意圖

圖3　QZS-1衛(wèi)星

表1　準(zhǔn)天頂衛(wèi)星軌道參數(shù)

表2　QZS衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

續(xù)　表2

這種軌道構(gòu)型可以保證服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶可以在任何時(shí)間在天頂附近區(qū)域以高仰角接收到至少一顆QZSS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以在城市和多山的地區(qū)增加PNT的可獲得性。

（2）地面段

QZSS系統(tǒng)地面段主要由1個(gè)主控站（MCS）、1個(gè)時(shí)間管理站（TMS）、1個(gè)跟蹤控制站（TCS）、9個(gè)監(jiān)測站（MS）構(gòu)成。此外，QZSS系統(tǒng)還包括用于實(shí)現(xiàn)廣域增強(qiáng)服務(wù)的1個(gè)L1-SAIF主站（L1SMS）、超過1200個(gè)GPS地球觀測網(wǎng)站。監(jiān)測站分布于可接收QZS信號(hào)的整個(gè)區(qū)域，主控站、跟蹤控制站和時(shí)間管理站位于日本，L1-SAIF主站位于日本東京，監(jiān)測站負(fù)責(zé)監(jiān)測QZS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)。主控站收集監(jiān)測站的監(jiān)測結(jié)果，估計(jì)和預(yù)測QZS衛(wèi)星的時(shí)間和軌道，連同收集到的其他類型數(shù)據(jù)生成導(dǎo)航電文。跟蹤控制站負(fù)責(zé)向QZS衛(wèi)星上行注入導(dǎo)航電文，對(duì)QZS衛(wèi)星實(shí)施跟蹤、遙測、遙控管理，對(duì)QZS衛(wèi)星實(shí)施軌道位置保持操作。時(shí)間管理站負(fù)責(zé)星地時(shí)間傳遞。GPS地球觀測網(wǎng)站監(jiān)測GPS衛(wèi)星，將觀測數(shù)據(jù)送至L1-SAIF主站，L1-SAIF主站生成廣域增強(qiáng)信息流并發(fā)送至主控站，最終注入給QZS衛(wèi)星。

2.QZSS系統(tǒng)性能

（1）QZSS的使用性能

對(duì)于GNSS用戶，不管是使用高端接收機(jī)，還是使用手持設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)，“接收更多衛(wèi)星”都是一個(gè)必需的條件。QZSS星座的設(shè)計(jì)引領(lǐng)了如何有效利用最少衛(wèi)星的發(fā)展。尤其是對(duì)于峽谷城市地形和山區(qū)的地面移動(dòng)用戶來說，高仰角衛(wèi)星是非常重要的。使用QZSS和其他GNSS系統(tǒng)的效果如表3所示。

表3　準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)要求

在QZSS的服務(wù)區(qū)，經(jīng)過驗(yàn)證，QZSS可以補(bǔ)充和提高GNSS的有效性能。由于QZSS和GPS相比其他GNSS系統(tǒng)有幾乎完美的協(xié)作性，可以對(duì)低耗和低功率的消耗接收機(jī)有很好的效果。日本已經(jīng)考慮逐年增加能轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)代化民用信號(hào)的可見衛(wèi)星數(shù)目。如果QZSS項(xiàng)目能夠加緊進(jìn)度，整個(gè)部署能夠提前完成的話，對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)和GPS相關(guān)的市場將會(huì)是一個(gè)巨大的貢獻(xiàn)。與GPS設(shè)備普及相比，能夠滿足消費(fèi)者需求的QZSS用戶設(shè)備開發(fā)幾乎沒有。但是，基于日本消費(fèi)電子工業(yè)研發(fā)實(shí)力，用戶設(shè)備的制造和開發(fā)應(yīng)該不是這項(xiàng)計(jì)劃實(shí)施的攔路虎。

準(zhǔn)天頂衛(wèi)星分為2個(gè)運(yùn)行模式，即全功能運(yùn)行模式(operational loop)和有限功能運(yùn)行模式（operational loop and limited operational loop）。全功能運(yùn)行模式意為系統(tǒng)每天有8個(gè)小時(shí)處于這種模式下。在這種模式下，系統(tǒng)能夠提供全部的廣播、通信服務(wù)和定位服務(wù)。有限功能運(yùn)行模式意為剩余的16小時(shí)，準(zhǔn)天頂系統(tǒng)處于有限功能運(yùn)行模式。在此期間，廣播與通信服務(wù)處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)僅提供定位服務(wù)，此時(shí)控制衛(wèi)星盡可能多的充電。

（2） QZSS系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)兼容性

1）QZSS與GPS：2006年2月27日，成立了美日聯(lián)合機(jī)構(gòu)——GPS-QZSS技術(shù)工作組。技術(shù)工作組決定GPS 和QZSS設(shè)計(jì)為可以協(xié)調(diào)互用。QZSS采用了與GPS和SBAS信號(hào)相同的信號(hào)結(jié)構(gòu)、頻率、數(shù)據(jù)信息格式。

2）QZSS與 Galileo：QZSS與 Galileo在 L5-E5a和LEX-E6上有相同的型譜，在L1C-E1OS上具有相近的型譜。

3）QZSS與北斗：QZSS與北斗之間的射頻兼容性協(xié)調(diào)已經(jīng)在2007年7月30日開始。

4）QZSS與GLONASS：與目前的GLONASS沒有交疊的頻率。

5）QZSS與其他導(dǎo)航系統(tǒng)：如果目前的頻率發(fā)生變化或是L5信號(hào)被采用，需要與相關(guān)國進(jìn)行雙邊橫向的協(xié)調(diào)交流。

三、結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為人類活動(dòng)中普遍采用的導(dǎo)航定位技術(shù)。隨著需求的不斷增長和航天技術(shù)的不斷發(fā)展，以及導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在未來政治、軍事斗爭和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中作用的不斷增強(qiáng)，世界主要大國和商業(yè)集團(tuán)都不惜巨資發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航已受到了前所未有的關(guān)注。日本瞄準(zhǔn)了巨大的空間市場，并根據(jù)本國的特點(diǎn)，發(fā)展了準(zhǔn)天頂系統(tǒng)。

準(zhǔn)天頂系統(tǒng)利用3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星為日本提供高仰角的導(dǎo)航、廣播信號(hào)。同時(shí)，使日本具有了在GPS系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生中斷時(shí)的獨(dú)立導(dǎo)航定位能力。

雖然日本沒有建立全球?qū)Ш较到y(tǒng)，但是其建立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)有效地提高了日本的導(dǎo)航定位能力。無論是其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念還是先進(jìn)的技術(shù)，都值得我國學(xué)習(xí)借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]胡彩波.日本QZSS導(dǎo)航系統(tǒng)-GPS增強(qiáng)系統(tǒng)性能分析.[J]無線電工程，2009(6):37-39.

[2]曹沖.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)競爭格局和發(fā)展趨勢研究[J].全球定位系統(tǒng)，2006,31(3):1-3.

[3]趙靜.GNSS系統(tǒng)及其技術(shù)的發(fā)展研究[J]. 全球定位系統(tǒng)，2008,40(3):27-30.

[4]劉文濤.MSAS基帶信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2009,32(2):129-133.

[5]李建文.GNSS的兼容與互操作初步研究.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2009,26(3):177-180.

[6]Iwata, T.Matsuzawa and Y.Hashibe: “Experimental Apparatuses and Tests of Remote Synchronization System of Quasi-Zenith Satellites,” ION 2008 National Technical Meeting,pp.477-486,2008．

[7]M．Kishimoto，H．Hage，A．Matsumoto，T．Tsuruta，S．Kogure，N．Inaba，M．Sawabe，T．Kawanishi，S．Yoshitomj and K．Terada：“QZSS System Design and Its Performance．”Proceedings of ION National Technical Meeting 2007,2007．PP．405-4l0．

[8]J.J.Suter，L．J．Crawford，B．G．Montgomery and W．E．Swarm，2000，“Syntonics LLC APL-Developed Technology Makes Its Commercial Debut”Johns Hopkins APL Technical Digest，V01．22，No．2，PP．168-175．