日本衛星導航能力發展劉春保【期刊名稱】《國際太空》【年（卷），期】2018（000）008【總頁數】6頁（P53-58）【作者】劉春保【作者單位】北京空間科技信息研究所【正文語種】中文2017年10月9日，日本第4顆〃準天頂衛星系統”（QZSS）成功發射，至此，日本完成了QZSS系統空間星座第1階段的部署，計劃于2018年11月1日投入初始運行，是日本謀求獨立的衛星導航能力建設征程上的重要里程碑。日本的衛星導航能力已經完成了從增強到補充的發展過程，正在朝著建設、部署增強、補充與獨立衛星導航能力相結合的方向發展。1日本衛星導航能力發展回顧積極探索衛星導航技術1972年，日本即啟動了衛星導航技術的探索，開始了軌道傾角為45°的軌道控制技術的研究，1992年基本確認了這種方案的可行性。1997年3月，日本科技廳向日本宇宙開發事業部［現為日本宇宙航空開發機構（JAXA）］提出要求，用7年時間研究、開發導航定位衛星所需的關鍵技術，如星載原子鐘技術、時間同步技術、衛星導航系統星座構形、系統控制等。在上述研究的基礎上，20世紀90年代初，在美國GPS系統即將完成初始運行能力部署的背景下，日本啟動了“多用途運輸衛星增強系統”（MSAS）的發展計劃，但此時日本尚未形成系統的衛星導航系統發展計劃。借力美國，增強衛星研發能力由于MSAS提出的通過改善民用航空通信、導航能力，提升空中交通管理與監測能力的設想，與國際民用航空組織于1991年批準并啟動的通信、導航、監測/空中交通管制（CNS/ATM）計劃具有較好的一致性，因而得到了國際民用航空組織的支持。但是，由于日本經濟、技術的快速發展，美國對日本采取的限制與打壓政策，日本衛星只能由美國企業牽頭研制，日本航天技術與能力的發展受到了嚴重的制約。雖然美國的打壓制約了日本獨立航天能力的發展，但也為日本創造了借鑒美國先進航天技術的機會。首顆MTSAT衛星的主承包商為美國勞拉空間系統公司（SS/L），日本工程技術人員全程參與，籍此積累了衛星研發經驗。1999年11月，因H-2運載火箭第一級燃燒不正常，導致首顆〃多用途運輸衛星”（MTSAT）發射失敗。此后，日本即啟動了MTSAT衛星的獨立研發工作。2005年、2010年，日本獨立研發的2顆MTSAT衛星成功發射，提供了GPS系統C/A碼民用信號的增強服務。增強與自主相結合，發展獨立的衛星導航能力海灣戰爭中，GPS應用取得的巨大成功與衛星導航應用產業和市場的迅速發展，以及國土狹小、人口眾多、城市密集的特點，使日本認識到獨立衛星導航能力的重要性。因此，在自主研發GPS增強系統的同時，發展獨立的衛星導航能力成為日本衛星導航領域發展的新目標。2002年，日本政府授權包括三菱電氣公司、日立公司等組建了專門的團隊，負責研究、制訂日本區域衛星導航系統（JRANS）—QZSS系統的發展方案。雖然發展獨立的衛星導航能力非常明確，但QZSS系統的發展方案卻是逐步演進、分步實施的，從最初以增強GPS系統服務、驗證日本發展衛星導航系統的能力為主，逐步演進為GPS增強與提供獨立的導航服務并舉的系統方案。星座衛星數量由最初的3顆，最終演進為7顆；星座構形也從3顆傾斜地球同步衛星軌道（IGSO）衛星，最終演變為5顆IGSO衛星+2顆地球靜止軌道（GEO）衛星。至此，日本獨立的區域衛星導航系統發展方案全面形成。2QZSS系統發展方案日本是一個國土狹小、人口眾多、城市密集、多山地形的國家，對高精度衛星導航服務的需求十分迫切，但其林立的高樓大廈與多山地形的遮擋和多路徑效應，對衛星導航應用產生了不利的影響。改善衛星導航服務不但可以提升日本的衛星導航應用水平，也將十分有助于日本衛星導航應用產業的發展，增強其衛星導航應用產業與日本在亞太地區的影響力。以GPS增強為主的QZSS系統初始方案最初，日本計劃采取公私伙伴關系的方式發展QZSS系統，計劃部署3顆位于IGSO軌道的衛星，3顆衛星具有相同的星下點軌跡，保證在其服務區域內，用戶觀測QZSS衛星的最小仰角大于70°。2007年5月，日本議會批準了日本政府投資研制QZSS系統3顆衛星中的第1顆衛星的法案。日本政府計劃投資750億日元（6.19億美元）研制一顆質量不超過4t的“準天頂衛星”（QZS），衛星由JAXA研制。衛星既播發GPS增強信號，也播發自主導航信號，以保證GPS服務不能使用時日本衛星導航服務的可用性。2010年9月11日，首顆QZS衛星發射成功，并命名為〃引路者”（Michibiki）。測試與運行情況表明，QZS衛星有效地提高了日本衛星導航服務的能力，如可用性從只有GPS時的90%，提高至99.8%;利用QZS衛星的L1-SAIF信號，可使水平定位誤差從1.56m降低至0.46m，垂直定位誤差從3.85m降低至0.57m，有效改善、提升了服務區域內的衛星導航服務水平。2012年9月21日，日本政府批準了由1顆GEO衛星、3顆IGSO衛星及其地面控制段組成的QZSS系統建設計劃，投資總額約34億美元，計劃于2018年完成部署，并投入運行。測試中的引路者-1衛星增強與自主并重的QZSS系統最終方案2004年初，在原QZSS系統方案的基礎上，日本科學與技術委員會（CSTP）首次提出了關于日本區域衛星導航系統的建議。該建議提出應將由3顆衛星組成的QZSS系統擴展至7顆衛星，構成日本自主的區域導航衛星系統，為日本提供天基定位、導航與授時（PNT）服務。2004年9月，日本科學與技術委員會發布了關于日本航天政策的報告，提出在衛星導航領域的長期目標一建立自主的、補充GPS系統的區域導航衛星系統（RNSS）。2015年，日本發布新的《航天基本法》，明確了建立由7顆衛星組成的區域衛星導航系統的發展目標。此后，日本制定了分兩個階段完成QZSS系統建設的計劃。第一階段：至2018年完成由4顆衛星組成的QZSS系統的部署，并投入運行，使QZSS系統具備初始運行能力；第二階段，至2022年完成由7顆衛星組成的QZSS系統部署，并投入運行，使QZSS系統具備全面運行能力。至此，具備增強與獨立衛星導航服務能力的日本區域衛星導航系統發展計劃全面形成。3QZSS系統在歐洲完成“伽利略”（Galileo）系統初始運行能力部署并投入運行，印度完成“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）部署，中國〃北斗”全球系統計劃2018年為〃一帶一路”國家提供初始服務的背景下，2017年日本加快7QZSS系統的建設步伐，成功發射了3顆QZS衛星，其中IGSO軌道衛星2顆、GEO軌道衛星1顆，完成QZSS系統第一階段的部署，計劃于2018年11月投入初始運行。QZSS星座示意圖QZSS系統方案QZSS系統由7顆衛星組成的空間段、地面運行控制段和用戶段組成，其空間星座由2顆部署在GEO軌道、5顆部署在IGSO軌道的衛星組成。空間星座的部署分為兩個階段進行，第一階段部署3顆IGSO衛星+1顆GEO衛星，其中IGSO軌道的半長軸42164km，偏心率0.075，傾角41°,GEO軌道衛星定位于127°(E)；第二階段部署2顆IGSO衛星+1顆GEO衛星，最終完成由2顆GEO、5顆IGSO衛星組成的空間星座的部署。系統論證階段日本提出了QZSS系統7星星座的兩個部署方案；方案一：3顆GEO衛星+4顆IGSO衛星；方案二：2顆GEO衛星+5顆IGSO衛星。最初，方案一得到了廣泛的關注與認可，因其可提供分布較為均勻的精度稀釋因子。由于有3顆GEO軌道衛星，因而即使有1顆GEO軌道衛星處于維護狀態，也不會對QZSS系統的服務產生明顯影響，但最終卻選擇了方案二。雖然日本沒有說明選擇方案二的具體考慮，但普遍認為改善IGSO軌道衛星覆蓋的連續性可能是重要原因。QZS衛星QZSS系統衛星包括兩種型號，即GEO型號與IGSO型號。兩種型號衛星的主要區別在于GEO型號衛星具有提供短信服務的能力，并增加用于S頻段短信服務的拋物面天線。兩種型號的QZS衛星均采用經改進的DS-2000平臺，該平臺為三軸穩定平臺，平臺干質量1800kg，發射質量4100kg，設計壽命大于10年。按QZS衛星軌道和有效載荷的要求，平臺進行了改進。平臺電源系統可提供5.3kW的功率，其中分配給有效載荷系統功率約為2kW。DS-2000平臺的改進主要包括幾個方面：采用技術先進、微小型化，且滿足抗輻射等空間環境要求的高可靠性器件；采用碑化鎵太陽電池等，以達到降低平臺質量，增加燃料攜帶量，提高有效載荷比，確保衛星15年的設計壽命要求。IGSO型號衛星發射質量4000kg，干質量1600kg，有效載荷質量約320kg,設計壽命15年。軌道半長軸42164km±10km，偏心率不大于0.099，軌道傾角43°±4°，升交點赤經195。~210。，近地點角距270°±2°,周期23h56min。與IGSO軌道衛星相比，GEO軌道衛星增加了用于播發S頻段短信服務的拋物面天線和相關載荷，發射質量增加至4700kg，干質量增加至1800kg，設計壽命15年。QZSS系統信號與服務QZSS系統播發GPS增強和自主導航兩類導航信號，并在L1S和S頻段提供短信服務，其中GEO軌道衛星具有L1Sb的導航技術驗證信號與S頻段的短報文服務能力，而IGSO軌道衛星不具備上述能力。從系統信號與功能設計的角度可以看出，日本QZSS系統是一個以GPS系統增強服務為主，自主導航為輔的區域民航衛星系統，其自主導航信號與功能大多存在試驗、驗證的成分，希望獲得更高定位、導航性能，特別是如何提高定位精度，以滿足高精度用戶的需求。QZSS系統衛星在軌情況？QZSS系統導航信號1）注：1）短報文服務用于災難與應急管理，主要服務于政府部門。服務頻率IGSOIGSOGEOL1C/A有有有定位增強GPS1575.42MHz首顆衛星第2~4顆衛星信號L1C有有有定位增強GPS1575.42MHz增強（亞米級）1575.42MHz短報文服務L1S有有有L1Sb無無有SBASICAO標準1575.42MHzL2C有有有定位增強GPS1227.60MHzL5有有有定位增強GPS1176.45MHzL5S無有有增強實驗應用L6有有有增強（厘米級）1278.75MHzS頻段無無有短報文服務（安全確認）2GHz短報文服務是一種與〃北斗”系統類似的功能，主要為政府或相關部門、用戶提供災難管理和應急救援方面的短信息通信服務，以應對因災害造成通信系統損失或失效情況下的應急通信服務。QZSS系統星座狀態截至2017年底，QZSS系統星座在軌衛星4顆，其中3顆IGSO軌道衛星、1顆GEO軌道衛星。3顆IGSO軌道衛星部署在半長軸42164km、偏心率0.075、傾角41°的IGSO軌道，1顆GEO軌道衛星定位于127°（E）。4廣泛開展國際合作，推動QZSS系統應用與日本衛星導航產業發展日本是全球衛星導航應用產業最為發達的國家或地區之一，其水平僅次于美國，與歐洲相當，形成了完整的衛星導航應用產業鏈，特別是在行業應用領域，如精細農業、基礎設施建設、道路交通等。歐洲全球導航衛星系統管理局（歐洲GNSS局）2017年5月發布的《GNSS市場報告》顯示，在代表衛星導航應用產業技術水平與能力的核心部件制造商、系統集成商與增值服務提供商等三大領域的10大提供商中，日本企業在每個領域均有2~3家上榜。同時，亞太地區是全球增長最快、市場容量最大的衛星導航市場，對日本衛星導航應用產業的發展非常重要。憑借在衛星導航應用領域與QZSS系統GPS增強服務的優勢，日本積極開展亞太地區衛星導航應用領域的合作，開拓QZSS系統的應用市場。日本經濟產業省已經在向韓國、泰國、澳大利亞、菲律賓、馬來西亞、印度尼西亞等國家推薦QZSS系統及其增強服務，以借助QZSS系統提供的GPS增強服務，擴展日本衛星導航應用產業的市場，增強日本在亞洲太平洋地區的影響力。日本政府對衛星導航與衛星導航服務的重視對推動日本衛星導航應用產業的發展起到了重要作用。MSAS、QZSS系統提供的導航增強服務有效地改善了多山且城市化程度很高的日本衛星導航服務的性能，促進了諸如精細農業、道路交通、測繪等對衛星導航服務的高精度、高可用性的要求。同時，衛星導航應用與日本優勢產業的結合、融合也有效地促進的日本傳統優勢產業的發展，如汽車制造業、高性能相機制造業［日本的尼康（N