日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用分析與啟示

國際,高為廣,蘇牡丹,石善斌,汪陶勝

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094;2.空軍研究院通信與導(dǎo)航研究所,北京 100085)

0 引 言

隨著世界多極化、經(jīng)濟(jì)全球化的深入發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略地位日益顯著,其廣泛應(yīng)用對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全產(chǎn)生了重要影響．當(dāng)前,四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)正在進(jìn)行更新?lián)Q代或基本能力部署,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已于 2018年宣布提供全球服務(wù)[1],美國加緊 GPS III建設(shè),歐洲伽利略系統(tǒng)擴(kuò)大全球覆蓋范圍,俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)抓緊部署新衛(wèi)星．兩大區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,印度基本建成區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——NAVIC[2];日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(QZSS)完成了基本部署,其可與 GPS兼容使用,并提供基于 GPS的增強(qiáng)服務(wù),突出了特色服務(wù),大力拓展其衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用．

1 QZSS系統(tǒng)及信號服務(wù)

1.1 基本情況

QZSS計劃未來具備七顆衛(wèi)星,可提供覆蓋日本本土及西太平洋地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)．

目前,QZSS已發(fā)射四顆衛(wèi)星,如表1所示;預(yù)計到2023年還將增加三顆衛(wèi)星[3]．2018年11月1日,QZSS官方宣布開始正式運(yùn)營[4],提供基于GPS的亞米級定位增強(qiáng)服務(wù)(精度1～2 m),以及厘米級定位增強(qiáng)服務(wù)(靜止精度6～12 cm,移動精度12～24 cm)[5-6]．

表1 發(fā)射情況一覽表

1.2 信號服務(wù)

QZSS可與GPS兼容使用并提供增強(qiáng)服務(wù),特別是支持L6信號,可在日本及周邊地區(qū)實現(xiàn)高穩(wěn)定性的精確定位服務(wù),信號及服務(wù)詳見表2[7]．

表2 QZSS信號服務(wù)概覽

注: QZO為準(zhǔn)天頂衛(wèi)星軌道

2 應(yīng)用模式

2.1 定位及增強(qiáng)服務(wù)

日本自然地形以山地和丘陵為主,城市區(qū)域高樓林立、道路密度較高,有時GPS衛(wèi)星信號會被山體、大型建筑物或其他物體阻擋,一些區(qū)域定位精度很差．隨著QZSS衛(wèi)星數(shù)量的增加,有效減少了電離層誤差,改善了幾何精度因子,可實現(xiàn)亞米級高精度定位．據(jù)日本官方宣傳報道,QZSS定位服務(wù)可廣泛應(yīng)用于個人設(shè)備、汽車、鐵路、智能建筑、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域．

1)個人設(shè)備,主要是在個人便攜設(shè)備上記錄高精度位置信息．例如,結(jié)合手機(jī)應(yīng)用程序,提供穩(wěn)定可靠的道路信息(特別是公共設(shè)施入口等詳細(xì)信息)．

2)汽車行業(yè),主要有車載導(dǎo)航、自動駕駛、道路自動計費(fèi)、公共交通與物流、交通安全等方面．例如,通過位置信息監(jiān)控公交車或出租車的實時駕駛信息,精準(zhǔn)實時報告位置,用于調(diào)度;用于建立自動道路計費(fèi)系統(tǒng),比如特定道路收費(fèi),或市區(qū)中心區(qū)域計時收費(fèi);也可對遠(yuǎn)距離行駛車輛(例如長途巴士和卡車)進(jìn)行跟蹤和運(yùn)營管理．

3)鐵路領(lǐng)域．日本大眾出行高度依賴鐵路運(yùn)輸,這就要求列車運(yùn)營管理做到“絕對”安全,最大可能地避免鐵路事故．借助于QZSS高精度定位服務(wù),可以準(zhǔn)確地確定列車位置,這樣可以減少地面設(shè)施,在確保安全的同時降低維護(hù)和管理成本[8]．

4)建筑行業(yè)．厘米級增強(qiáng)服務(wù)(CLAS)可發(fā)送基于GNSS控制站產(chǎn)生的測量信息,在沒有移動通信服務(wù)的情況下,施工現(xiàn)場采用支持QZSS CLAS服務(wù)的機(jī)械,可根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行精細(xì)施工[9]．

5) 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域．QZSS CLAS的應(yīng)用有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化,使少數(shù)人管理大型農(nóng)場成為可能．

2.2 特色服務(wù)

結(jié)合日本地理特點(diǎn)和國情,QZSS設(shè)計了特色服務(wù),主要有以下兩方面:

1) 災(zāi)害/危機(jī)管理衛(wèi)星報告服務(wù)(Disaster and Crisis Management Report,簡稱DC 報告)[10]．QZSS可在發(fā)生地震、海嘯或火山爆發(fā)等災(zāi)難時發(fā)送災(zāi)害/危機(jī)報告,如圖1所示．這類報告能被發(fā)送到公共建筑內(nèi)(如學(xué)校、醫(yī)院)和道路公共設(shè)施上(如路燈、交通信號燈及自動售貨機(jī));收到報告后,通過揚(yáng)聲器播放警報．不過DC報告需要使用者連續(xù)接收,這就要求接收設(shè)備電量充足;考慮到移動電話等個人便攜設(shè)備電池容量有限,DC報告在衛(wèi)星傳輸?shù)耐瑫r也能通過社交媒體等網(wǎng)絡(luò)手段傳遞警報．

圖1 DC報告服務(wù)

2)QZSS安全確認(rèn)服務(wù)Q-ANPI．在災(zāi)難發(fā)生后通信終端無法使用的情況下,用戶通過QZSS安全確認(rèn)服務(wù)可向親友和其他人發(fā)送電子郵件求助,或發(fā)送含位置信息的救援請求[11],如圖2所示．

圖2 Q-ANPI服務(wù)

采用以上特色服務(wù),QZSS可覆蓋日本近海海域并提供災(zāi)害信息,例如海嘯、臺風(fēng)信息,船只也可在海上遇險時發(fā)出救援請求．

2.3 典型應(yīng)用試驗

2017年10月23日,北海道大學(xué)組織洋馬等三家農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商在北海道上富良野町,進(jìn)行了一項針對支持厘米級增強(qiáng)服務(wù)的農(nóng)用拖拉機(jī)自動駕駛試驗[12]．

在強(qiáng)風(fēng)、低溫、降雪警告的情況下,農(nóng)用拖拉機(jī)仍舊做到穩(wěn)定接收QZSS信號,并實現(xiàn)了精準(zhǔn)駕駛．在日本政府戰(zhàn)略創(chuàng)新創(chuàng)造計劃(SIP)支持下,北海道已經(jīng)引入了3 000多臺裝有GNSS接收設(shè)備的農(nóng)用機(jī)械,特別是采用了RTK轉(zhuǎn)向輔助功能,對日本人口下降引起的農(nóng)業(yè)就業(yè)人口不足很有幫助．不過,農(nóng)機(jī)安裝此類系統(tǒng)成本相對較高,與遠(yuǎn)處基站的無線連接尚不穩(wěn)定[13].

美國、澳大利亞等國已實現(xiàn)大規(guī)模耕種,廣泛利用GNSS設(shè)備管理農(nóng)場;而當(dāng)前,日本的農(nóng)業(yè)常態(tài)還是小規(guī)模農(nóng)場居多,這就要求農(nóng)民很大程度上要依靠個人經(jīng)驗來管理農(nóng)田．日本還面臨著農(nóng)業(yè)人口減少的問題,為此,QZSS將會大力推動衛(wèi)星定位服務(wù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展．由于日本和東南亞國家一樣都有著復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)和地理特征,日本力推精細(xì)化、系統(tǒng)化耕作,也會大力推廣其相關(guān)經(jīng)驗到東南亞國家．

3 應(yīng)用產(chǎn)品及分析

QZSS列出了官方推薦產(chǎn)品一覽表,主要分為智能便攜設(shè)備、汽車設(shè)備、戶外運(yùn)動與數(shù)碼相機(jī)、接收器、芯片模塊等多類產(chǎn)品,詳細(xì)情況如表3所示[14]．

表3 支持QZSS產(chǎn)品制造商概覽

表3(續(xù))

其中,智能手機(jī)的主流廠商以日、美品牌為主,這與QZSS、GPS實現(xiàn)兼容互操作有一定關(guān)系;同時,日本在推廣應(yīng)用方面突出了數(shù)碼相機(jī)、運(yùn)動手表等本國優(yōu)勢產(chǎn)品;接收機(jī)方面,類型齊全、數(shù)量較多,生產(chǎn)廠家也以歐美或日美合資居多．

但在支持L6信號的產(chǎn)品開發(fā)方面,目前芯片、模擬源等產(chǎn)品研發(fā)有所欠缺,日本也正大力培植本國廠商支持QZSS新信號,比如日本廣播、三菱、軟銀、洋馬等知名企業(yè)．

其中,可支持特色服務(wù)的設(shè)備也在不斷開發(fā)中,現(xiàn)階段的主要終端廠商為日本本國企業(yè)以及美國知名廠商,詳見表4[14]．

表4 支持特色服務(wù)的產(chǎn)品概覽

類別生產(chǎn)商名稱產(chǎn)品名稱 厘米級增強(qiáng)服務(wù)(CLAS)接收機(jī)CORE公司Chronosphere-L6麥哲倫日本多頻多GNSS系統(tǒng)接收機(jī)MJ-2005-GL4 /EVKMJ-3008-GM4-QZS三菱電機(jī)AQLOC災(zāi)害與危機(jī)管理衛(wèi)星報告服務(wù)(DC報告)雷達(dá)探測器蜂星電訊AR-W55GA/AR-W65GM/AR-45GA

日本立足其自然地形及城市特點(diǎn)建設(shè)其區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),并突出了災(zāi)害/危機(jī)管理衛(wèi)星報告、安全確認(rèn)等特色服務(wù)．在加速建設(shè)系統(tǒng)的同時,日本針對衛(wèi)星導(dǎo)航的推廣應(yīng)用工作也有了明顯進(jìn)步,充分利用了數(shù)碼相機(jī)、運(yùn)動手表等產(chǎn)品制造優(yōu)勢,大力布局個人智能終端研制生產(chǎn),如奧林巴斯、佳能、尼康、日本精工、卡西歐、索尼、東芝、松下等多家企業(yè)均有典型產(chǎn)品納入日本官方推薦名錄．在鐵路、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、精細(xì)建筑等領(lǐng)域,積極拓展亞米級增強(qiáng)、厘米級增強(qiáng)、災(zāi)害與危機(jī)管理衛(wèi)星報告等特色服務(wù)應(yīng)用,但支持L6新信號的芯片、終端廠家數(shù)量尚不充足,產(chǎn)品類型不夠豐富,多以扶持日本國內(nèi)廠商為主．

4 結(jié)束語

日本立足其自然地形及城市特點(diǎn),基本建成了區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)QZSS,并基于GPS提供增強(qiáng)服務(wù);針對地震、海嘯等災(zāi)害易發(fā)的現(xiàn)實情況,設(shè)計了災(zāi)害/危機(jī)管理衛(wèi)星報告、安全確認(rèn)等特色服務(wù)．應(yīng)用推廣方面,日本充分利用了智能終端產(chǎn)品制造優(yōu)勢,不少知名企業(yè)都推出了支持QZSS的各類產(chǎn)品,支持其增強(qiáng)服務(wù)的接收機(jī)、芯片等也正在不斷研發(fā)．

這對BDS應(yīng)用推廣工作有一定的參考意義,主要的啟示有: 1)重點(diǎn)抓好導(dǎo)航產(chǎn)品自主研發(fā),特別是芯片、接收機(jī)等基礎(chǔ)類產(chǎn)品作為用戶用好的基石地位凸顯,產(chǎn)品研發(fā)要跟上BDS全球服務(wù)進(jìn)程；2)加強(qiáng)推進(jìn)智能融合應(yīng)用,應(yīng)立足我國國情突出BDS特色服務(wù)(如全球短報文通信、國際搜救、精密單點(diǎn)定位等服務(wù)),結(jié)合我強(qiáng)勢、優(yōu)勢行業(yè)(如高鐵、大型基建等)融合推進(jìn)北斗服務(wù)；3)充分調(diào)動行業(yè)主管部門在推動BDS應(yīng)用的意愿,衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)涉及國計民生眾多行業(yè)領(lǐng)域,BDS要實現(xiàn)全過程切入、全方位服務(wù)各行各業(yè)是一個長期過程,離不開各部門的通力合作,如此才能取得經(jīng)濟(jì)、社會效益；4)綜合研判并加大海外推廣力度．例如,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,我國在新疆、黑龍江等地區(qū)已有大規(guī)模播種、收割的BDS應(yīng)用經(jīng)驗[15],但也應(yīng)看到在華南等地區(qū)有著不同地形特點(diǎn),在精細(xì)化操作方面還大有可為,針對不同地形，應(yīng)用BDS的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成功經(jīng)驗可推廣到“一帶一路”國家和地區(qū)； 5)持續(xù)更新BDS產(chǎn)品推薦名錄,助推本土企業(yè)發(fā)展．