日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)

+ 劉天雄

日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)

+ 劉天雄

一、背景

2000年6月，日本開發(fā)委員會(huì)提交了一份題為《改進(jìn)日本航天開發(fā)體制，擴(kuò)展航天利用新領(lǐng)域》的報(bào)告，決定執(zhí)行空間基礎(chǔ)設(shè)施(I—SPACE)計(jì)劃?！皽?zhǔn)天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)是該計(jì)劃要重點(diǎn)開發(fā)的三個(gè)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(wù)不能滿足城市車載用戶的導(dǎo)航定位需求。為了提高空間衛(wèi)星的幾何分布，確保信號(hào)遮擋地區(qū)的導(dǎo)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(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（QZSS）。QZSS系統(tǒng)由日本先進(jìn)空間商業(yè)公司（ASBC）負(fù)責(zé)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(guān)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(yīng)用中心（SPRAC）接管。

圖1 QZSS系統(tǒng)的logo

QZSS 是一個(gè)兼具導(dǎo)航定位、移動(dòng)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(qiáng)”功能，包括可用性增強(qiáng)和精度、可靠性改進(jìn)。目前的計(jì)劃是將民用信號(hào)的精度從10m級(jí)別提升到1m以內(nèi)，已經(jīng)非常接近軍用GPS信號(hào)的精度了

QZSS系統(tǒng)的logo如圖1所示。

日本認(rèn)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(cè)事件的發(fā)生，日本認(rèn)為必須建立與GPS兼容的并逐步過渡到獨(dú)立測(cè)位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

“準(zhǔn)天頂”一詞來源于日本導(dǎo)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(shí)間均運(yùn)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(hào)由于受地面高層建筑物的遮擋，實(shí)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(dá)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(hào)

圖3 QZSS系統(tǒng)與GPS的無縫服務(wù)

眾所周知，GPS的民用信號(hào)一直不如軍用信號(hào)，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(huì)出現(xiàn)定位偏移的現(xiàn)象。QZSS就是想以“打補(bǔ)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(dǎo)航信號(hào)的精度問題?！皽?zhǔn)天頂”衛(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(bǔ)充和加強(qiáng)兩種情況。所謂“補(bǔ)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(wù)。而“加強(qiáng)”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(wù)的功能。

第二，QZSS和地球靜止衛(wèi)星在不同的軌道上運(yùn)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(cè)到靜止軌道衛(wèi)星觀測(cè)不到的南北極地區(qū)，為科學(xué)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(yùn)行控制段及用戶接收機(jī)三部分組成，如圖4所示。

Q Z S S衛(wèi)星導(dǎo)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(gè)軌道平面半長軸a=42164km，偏心率e=0.099，傾角i=45度，升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω相差120度。如圖5所示。

這種衛(wèi)星軌道對(duì)日本有獨(dú)特的意義，衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)在日本上空，因此可以在日本上空運(yùn)行較長的時(shí)間。衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡像一個(gè)不對(duì)稱的“8”字，如圖6所示，三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡相同。

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道是傾斜的，用戶觀察衛(wèi)星的仰角會(huì)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(yùn)行。實(shí)際上這種軌道的衛(wèi)星每天有7～9小時(shí)運(yùn)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(shí)刻始終有一顆衛(wèi)星運(yùn)行在日本上空。QZSS由此得名“準(zhǔn)天頂”系統(tǒng)。

前文已經(jīng)說過，至少需要四顆衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)定位。同時(shí)，衛(wèi)星的幾何分布對(duì)定位精度也是非常重要的，這里有一個(gè)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(cè)站、QZSS和GPS聯(lián)合主監(jiān)測(cè)站、遙測(cè)遙控及導(dǎo)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(dòng)用戶提供基于通信（視頻、音頻和數(shù)據(jù)）和定位服務(wù)，對(duì)于定位服務(wù)，可以認(rèn)為是GPS系統(tǒng)的增強(qiáng)服務(wù)，類似于美國聯(lián)邦航空管理局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WASS（Wide Area Augmentation System）。QZSS與GPS所廣播的導(dǎo)航信號(hào)能夠兼容互操作。

表1 QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的預(yù)期定位精度

圖5 QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段

QZSS通過兩種方式增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的服務(wù)，首先是系統(tǒng)可用性增強(qiáng)，亦即改善GPS系統(tǒng)導(dǎo)航無線電信號(hào)；其次是系統(tǒng)性能增強(qiáng)，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(hào)，能保證QZSS與GPS的兼容與互操作，這將使得QZSS對(duì)用戶系統(tǒng)技術(shù)要求和接收機(jī)設(shè)計(jì)較GPS接收機(jī)改動(dòng)最小。同單獨(dú)使用GPS系統(tǒng)相比，QZSS—GPS聯(lián)合系統(tǒng)通過修正接收機(jī)測(cè)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(cè)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(dǎo)航功能的移動(dòng)通訊終端（例如手機(jī)）已日趨普遍，及時(shí)獲取定位信息已成為人們?nèi)粘Ｉ钪薪^對(duì)必要的需求。QZSS系統(tǒng)可以擴(kuò)大城市或山區(qū)定位服務(wù)的范圍同時(shí)延長服務(wù)時(shí)間，并將GPS的精度改善到亞米級(jí)。

四、參考坐標(biāo)

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

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

同GPS時(shí)一樣，相對(duì)國際原子時(shí)偏置滯后19秒；

與GPS時(shí)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(shí)（GPS time scale—GPST）；

導(dǎo)航信號(hào)規(guī)劃表

QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)JGS，即日本衛(wèi)星導(dǎo)航地理系統(tǒng)，與GPS所采用的WGS84地理坐標(biāo)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(dǎo)航系統(tǒng)的預(yù)期定位精度如下：

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

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

六、服務(wù)范圍

圖8 日本發(fā)射“引路”號(hào)準(zhǔn)天頂衛(wèi)星

目前 “準(zhǔn)天頂”系統(tǒng)是一個(gè)區(qū)域定位系統(tǒng)，即使在2015年完成一期計(jì)劃全部3顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。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(gè)輔助和增強(qiáng)系統(tǒng)，在2015年之前并不具備真正的、獨(dú)立的全球競(jìng)爭力。但這只是日本構(gòu)筑整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃中的第一步。從長遠(yuǎn)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(jí)為獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從而提供完整的衛(wèi)星導(dǎo)航輔助功能，而這個(gè)時(shí)間可能在2020年～2025年之間。

七、研制進(jìn)展

QZSS系統(tǒng)實(shí)施分為兩個(gè)階段，首先是發(fā)射一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，用于演示驗(yàn)證系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，然后根據(jù)演示驗(yàn)證評(píng)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(hào)QZS-1），如圖8所示，MICHIBIKI的日語含義是“導(dǎo)航”或者“帶路”，《參考消息》等中文主流媒體將其譯為“引路”號(hào)衛(wèi)星。2010年9月27日，“引路”號(hào)衛(wèi)星成功到達(dá)“準(zhǔn)天頂”預(yù)定設(shè)計(jì)軌道。

“引路”衛(wèi)星由日本三菱重工負(fù)責(zé)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(gè)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(dǎo)航載荷功率1.9kW；衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命10年，衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)32000 km, 近地點(diǎn)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(yàn)

星上TWSTFT收發(fā)復(fù)用天線用于利用星載原子鐘開展星地雙向時(shí)間比對(duì)標(biāo)校試驗(yàn)；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(hào)，包括L1-C/A、 L2C、L5、 L1C頻段信號(hào)和LEX頻段實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航信號(hào)；L1-SAIF天線播發(fā)GPS-SBAS天基系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)1m級(jí)定位精度；C頻段測(cè)控天線用于接收Okinawa跟蹤和通信站的修正數(shù)據(jù)，同時(shí)用于播發(fā)和接收來自運(yùn)控系統(tǒng)的信號(hào)；激光發(fā)射器用于開展激光測(cè)距以驗(yàn)證衛(wèi)星軌道和星載時(shí)鐘的估計(jì)值的準(zhǔn)確性，同時(shí)利用L頻段測(cè)距信號(hào)修正激光測(cè)距模型。

“引路”號(hào)衛(wèi)星研制過程為：2005～2007，初樣設(shè)計(jì)，2007年8月完成初樣設(shè)計(jì)評(píng)審；

2007～2008，正樣設(shè)計(jì)，2008年8月完成正樣設(shè)計(jì)評(píng)審；

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

2010～2011，在軌測(cè)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(hào)，L1頻段螺旋天線播發(fā)L1-C/A、 L2C、 L5、 L1C、及 LEX實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航信號(hào)，在軌測(cè)試表明播發(fā)的信號(hào)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(hào)，隨后開展為期3個(gè)月的在軌測(cè)試（技術(shù)和應(yīng)用驗(yàn)證）。

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

八、 未來計(jì)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(hào)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(dòng)試驗(yàn)（2007.1）

L頻段天線EMC試驗(yàn)（2008.7）