日本QZSS卫星导航系统

●　文|中国空间技术研究院　　　　 夏岩　　王庆华　　宋铮　　陈秋丽

日本QZSS卫星导航系统

●文|中国空间技术研究院 夏岩王庆华宋铮陈秋丽

摘要：日本国境内因地面多山和多城市峡谷地形的特点，使用GPS导航系统存在观测卫星数量不足、几何精度因子条件不好等缺陷，日本专家学者提出发展自己的区域卫星导航系统来增强GPS导航系统由于障碍物不能观测有效数量卫星地区的用户导航性能。本文介绍了日本研究建设的GPS增强系统——准天顶系统（QZSS），针对系统星座构成、信发播号体制、导航系统组成，以及发展进度和性能进行了分析。

关键词：准天顶系统 现状

一、 引言

卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电定位系统，能为全球陆、海、空、天的各类军用和民用载体提供全天时、全天候的三维位置、速度和时间信息。卫星导航定位系统与各个领域息息相关，拥有这种技术和能力，就会在军事、外交和经济上占据主动地位，获取巨大的利益。

美国在这方面先行一步，随着美国GPS全球卫星导航系统的构建和逐渐完善，以及其带来的巨大的军事、经济效益，世界各国也相继投资建立自己的卫星导航系统，如俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的Galileo系统、中国的北斗系统。

日本瞄准了导航系统的巨大市场，并根据本国多城市峡谷和多山地形，用户机用户在观测卫星时需要具有高仰角的特点，通过政府与民间部门合作开发研制了准天顶系统( Quasi Zenith Satellite System，QZSS）。QZSS最初被定义为一个多任务的卫星系统，通过增强GPS以提高由于障碍物不能观测有效数量卫星地区的GPS性能，在指定区域以高观测角提供给手机用户通信、广播以及定位服务。同时，一旦美国的GPS系统信号发生中断时，日本依然能够依靠QZSS具备独立的导航定位能力。

二、准天顶卫星导航系统发展

日本准天顶系统（QZSS）是兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，最初是日本通信研究实验室关于联合产业成果的一个提案。

QZSS系统是由几颗不同高倾角轨道面的地球同步卫星构成的卫星导航系统，具有相同的星下点轨迹。通过选定合适的偏心率和倾角，可以使24 h服务区内用户观测卫星最小仰角大于70°。这对用户来说，意味着他们可以在任何时间在天顶附近区域都可以高仰角接收到至少一颗QZSS系统的卫星信号，这就是准天顶卫星系统名称的由来。

1.QZSS系统构成

QZSS系统由空间段和地面段构成。

（1）空间段

空间段由3颗IGSO卫星构成星座。卫星星座构型如图1、图2。2010年该系统完成首颗卫星QZS-1（图3）的发射，并经在轨运行与应用获得基本经验数据。最终将实现三星组网运行与应用。根据未来应用情况，日本可能考虑再安排发射4颗GEO卫星，从而实现七星组网运行与应用。具体轨道参数见表1所示，卫星主要技术指标见表2。

图1　准天顶系统三维示意图

图2　准天顶系统星下点轨迹示意图

图3　QZS-1卫星

表1　准天顶卫星轨道参数

表2　QZS卫星主要技术指标

续　表2

这种轨道构型可以保证服务区内的用户可以在任何时间在天顶附近区域以高仰角接收到至少一颗QZSS系统的卫星信号。这种设计可以在城市和多山的地区增加PNT的可获得性。

（2）地面段

QZSS系统地面段主要由1个主控站（MCS）、1个时间管理站（TMS）、1个跟踪控制站（TCS）、9个监测站（MS）构成。此外，QZSS系统还包括用于实现广域增强服务的1个L1-SAIF主站（L1SMS）、超过1200个GPS地球观测网站。监测站分布于可接收QZS信号的整个区域，主控站、跟踪控制站和时间管理站位于日本，L1-SAIF主站位于日本东京，监测站负责监测QZS卫星发射的导航信号。主控站收集监测站的监测结果，估计和预测QZS卫星的时间和轨道，连同收集到的其他类型数据生成导航电文。跟踪控制站负责向QZS卫星上行注入导航电文，对QZS卫星实施跟踪、遥测、遥控管理，对QZS卫星实施轨道位置保持操作。时间管理站负责星地时间传递。GPS地球观测网站监测GPS卫星，将观测数据送至L1-SAIF主站，L1-SAIF主站生成广域增强信息流并发送至主控站，最终注入给QZS卫星。

2.QZSS系统性能

（1）QZSS的使用性能

对于GNSS用户，不管是使用高端接收机，还是使用手持设备进行导航服务，“接收更多卫星”都是一个必需的条件。QZSS星座的设计引领了如何有效利用最少卫星的发展。尤其是对于峡谷城市地形和山区的地面移动用户来说，高仰角卫星是非常重要的。使用QZSS和其他GNSS系统的效果如表3所示。

表3　准天顶卫星系统任务要求

在QZSS的服务区，经过验证，QZSS可以补充和提高GNSS的有效性能。由于QZSS和GPS相比其他GNSS系统有几乎完美的协作性，可以对低耗和低功率的消耗接收机有很好的效果。日本已经考虑逐年增加能转发现代化民用信号的可见卫星数目。如果QZSS项目能够加紧进度，整个部署能够提前完成的话，对于区域经济和GPS相关的市场将会是一个巨大的贡献。与GPS设备普及相比，能够满足消费者需求的QZSS用户设备开发几乎没有。但是，基于日本消费电子工业研发实力，用户设备的制造和开发应该不是这项计划实施的拦路虎。

准天顶卫星分为2个运行模式，即全功能运行模式(operational loop)和有限功能运行模式（operational loop and limited operational loop）。全功能运行模式意为系统每天有8个小时处于这种模式下。在这种模式下，系统能够提供全部的广播、通信服务和定位服务。有限功能运行模式意为剩余的16小时，准天顶系统处于有限功能运行模式。在此期间，广播与通信服务处于关闭状态，系统仅提供定位服务，此时控制卫星尽可能多的充电。

（2） QZSS系统与其他导航系统的信号兼容性

1）QZSS与GPS：2006年2月27日，成立了美日联合机构——GPS-QZSS技术工作组。技术工作组决定GPS 和QZSS设计为可以协调互用。QZSS采用了与GPS和SBAS信号相同的信号结构、频率、数据信息格式。

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

3）QZSS与北斗：QZSS与北斗之间的射频兼容性协调已经在2007年7月30日开始。

4）QZSS与GLONASS：与目前的GLONASS没有交叠的频率。

5）QZSS与其他导航系统：如果目前的频率发生变化或是L5信号被采用，需要与相关国进行双边横向的协调交流。

三、结束语

卫星导航系统已成为人类活动中普遍采用的导航定位技术。随着需求的不断增长和航天技术的不断发展，以及导航卫星系统在未来政治、军事斗争和经济发展中作用的不断增强，世界主要大国和商业集团都不惜巨资发展卫星导航系统，卫星导航已受到了前所未有的关注。日本瞄准了巨大的空间市场，并根据本国的特点，发展了准天顶系统。

准天顶系统利用3颗倾斜地球同步轨道卫星为日本提供高仰角的导航、广播信号。同时，使日本具有了在GPS系统信号发生中断时的独立导航定位能力。

虽然日本没有建立全球导航系统，但是其建立的区域导航系统有效地提高了日本的导航定位能力。无论是其先进的设计理念还是先进的技术，都值得我国学习借鉴。

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