带你了解准天顶卫星系统(QZSS)

“准天顶”卫星系统(QZSS)是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，旨在为在日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能，提高导航定位信号接收的质量和精度。目前的计划是将民用信号的精度从十米级别提升一个数量级，控制在一米以内。

“准天顶卫星系统”包括多颗轨道周期相同的地球同步轨道卫星，这些卫星分布在多个轨道面上，无论何时，总有一颗卫星能够完整覆盖整个日本。通过开发这个系统，日本期望能加强卫星定位技术，并利用改进的星基定位、导航、授时技术，营造安全的社会环境。“准天顶卫星系统”项目的第一阶段使用“指路”（MICHIBIKI）进行技术验证，用于提高GPS可用性、性能及其应用。结果评估完毕之后，项目进入第二阶段，将使用三颗准天顶卫星验证整个系统的能力。准天顶”系统将在2018年3月完成在轨测试。

研发背景

一方面，由于美国全球定位系统（GPS）在全球越来越广泛地应用.GPS成为全球范围内的项重要信息源，相关产品和服务市场迅速扩大，发展成了一个重要产业。同时，卫星导航定位技术具有重要的军民两用价值。对于一个国家的国防和军事发展具有重要意义。面对具有如此巨大作用的技术和产业，有着先进航天技术的日本既不甘心落于人后，失去市场、也不愿意在国防能力上完全依附于别人，因此开发自己独立的卫星导航定位系统就成为日本政府发展的一个重点。发展具有区域导航定位功能的准天顶卫星系统成为必然。

日本认为，美国的GPS已经渗透到日本国民生活的方方面面，这显然是非常不安全的。为了防止不测事件的发生，日本认为必须建立与GPS兼容的并逐步过渡到能够独立测位的卫星导航系统。目前日本的“准天顶”系统还必须依赖GPS才能完成用户定位，但按照计划，未来完全有可能将其升级为独立的卫星导航系统。 

 随着美国全球定位系统在世界上的广泛应用，GPS已经成为全球范围内的一项重要信息源，相关产品和服务市场得到迅速扩大，已经发展成为一个重要的产业。同时，卫星导航定位技术具有重要的军事价值，对于一个国家的国防和军事安全具有重要意义。有着先进航天技术的日本决不甘心落于人后，它既不愿失去市场，也不愿意在国防能力上完全依附于别人，因此开发自己独立的卫星导航定位系统就成为政府的一个目标，发展具有区域导航定位功能的“准天顶”卫星系统也就成为必然。

另一方面，由于卫星互联网接入服务具有巨大的市场潜力。引起了日本政府和企业界的重视。在全球范围内，GPS除了在军事领域得到广泛应用外，在民用领域的发展也是如火如荼。以车辆导航技术为例，它在美国、日本和欧洲各国得到广泛使用，日本的车辆导航技术更是处于世界领先地位，这与日本国家的地理特点和历史发展是密不可分的。与美欧国家相比，日本国土面积小、人口密度大，同时城市历史较长，现代城市大多是从古城市的基础上发展起来的，城市路网稠密，布局不甚合理，但改造费用又高，从而导致其交通状况复杂。日本从1992年就开始大规模应用GPS导航系统，目前每年的销售量保持在几百万套，而且超过80%的新车出厂时就已安装了车辆导航系统。

日本联合邮政省在2000年6月向日本宇宙开发委员会提交了份题为改进日本航天开发体制，扩展航天利用新领域的报告。提出了研制和发射国际互联网卫星的建议 。宇宙航空研究开发机构（JAXA）（原日本宇宙开发事业集团与日本航空宇宙技术研究所、宇宙科学研究所合并而成）经过调查证明了国际互联网卫星系统的美好应用前景。经日本宇宙开发委员会同意，决定执行完善高级互联网的空问基础设施（I—SPACE）计划，推进日本的高级互联网技术的发展.使之居于世界领先地位.而准天顶卫星系统正是I—SPACE计划要重点开发的三个系统之一、其目的是开发日本下一代高速移动通信卫星.E为了实现这一计划。

日本的准天顶卫星系统是一项官民共同开发项目，全部完成需要2000亿日元。为此日本经济团体联合会决定设立以民间为主导的官民一体化新公司——新卫星商业公司。三菱电机公司、 日立制作所和丰田汽车公司等7家企业持股占77%。、民间企业将负担1500亿日元左右。第一颗卫星和地面设施的研制开发费用约为600亿日元，第一颗卫星计划在2008年发射。系统计划在2010年投入

第一颗卫星制造和发射等所需的约2.7亿美元费用全部由日本政府承担。“准天顶卫星”系统预计耗资约14.5亿美元，其中民间企业承担约6.8亿美元。

2013年4月，日本内务省宣布，分别与三菱电机公司和日本电气公司(NEC)签订合同。这两家公司将为日本的“准天顶”卫星系统(QZSS)建造卫星和地面控制系统。三菱电机公司所签订合同价值500亿日元(5400万美元)。根据合同规定，该公司将建造1颗地球同步卫星和2颗“准天顶”卫星，与2010年9月11日发射的第一颗“准天顶”卫星“指路”号共同构建卫星星座。

与此同时，NEC将领导建立一个团队，成员由三菱UFJ租赁有限公司和三菱电机公司组成。该团队将利用民间投资，建造“准天顶”地面控制段。目前，预计将从民间融资渠道募集到约1170亿日元(13亿美元)的资金，用于地面系统的设计和建造，并支持该系统未来15年的运行。

根据计划，“准天顶”系统将在2018年3月完成在轨测试。

功能

系统的设计功能包括全球定位导航、卫星广播以及汽车之间、船舶和陆地之间的通信等。由于美国对全球卫星导航系统(GPS)有所保留的缘故，GPS的民用信号一直不如军用信号，虽然一般情况下，配合GPS导航地图仍然能够正常使用，但在某些极端条件下仍然会出现定位偏移的现象。日本的“准天顶”导航卫星，就是想以“打补丁”的方式，通过增加日本上空的卫星密度，来解决民用GPS导航信号的精度问题。 第一，新的系统将有助于实现更加精确的全球定位。“准天顶”卫星定位功能可分为GPS的补充和加强两种情况。所谓“补充”就是单纯地增加GPS卫星数量，提供与GPS一样的无偿服务。而“加强”部分则是通过修正GPS信息提高精度，这样可以提供精度高于普通GPS有偿定位服务的功能。 第二，因为“准天顶”卫星和地球同步轨道卫星在不同的轨道上运行，所以即使使用相同的频率带也不至于相互干扰，可以提高频率带的利用率。 第三，在日本，现在广泛使用于通信的地球同步轨道卫星与地面的仰角不超过48度，其发出的信号由于受地面高层建筑物的遮挡，实际只能覆盖城市面积的30%，而“准天顶”卫星的仰角在60度以上，覆盖率可达100%。此外，原有的卫星系统所采用的无线通信技术数字化程度和图像处理能力偏低，新的系统将弥补这一缺陷。 第四，用“准天顶”卫星可以观测到同步轨道卫星观测不到的南北极地区，为科学研究提供更多的宝贵资料。

第五，除具有现在GPS的所有民用信号之外，该系统还增加了GPS计划中的L1C信号，这是日本的卫星首次提供L1C信号服务。由于这些信号跟GPS完全相同，现有的GPS接收机几乎不用改动。

第六，增强信号可以通过提高导航电文的速率，在导航电文中增加电离层补偿信息字段等来提高定位精度，有望将GPS原来10米的定位精度提高到1米。该信号不与GPS信号兼容，需要专用接收机。

运行

准天顶卫星系统由3颗卫星组成，分别运行在倾角45度,升交点赤经140度,与地球自转周期相同的3条轨道上.相对于地球而言、每颗卫星每天都是沿着相同的轨迹运行。通过调整平均近点角，可以使3颗卫星以大约8小时的间隔在同一轨迹上等间隔运行。卫星轨道的长半径与地球静止轨道相差不多，约为42164千米。卫星每个恒星日(约23小时56分钟)绕地球一圈。但与地球静止轨道卫星不同的是，这3颗卫星各自有不同的轨道，并且这3条轨道都与地球赤道所在平面成45度的夹角。因此，从日本本土来看始终有1颗卫星停留在靠近天空顶点的地方，所以日本称之为“准天顶卫星系统”。

依据原本的计划，QZSS携带两种类型的太空用原子钟：氢迈射和铷原子钟。但被动式氢迈射的发展已于2006年终止。定位信号将由铷原子钟生成，采用类似GPS报时系统的体系结构。QZSS将使用双向卫星时间和频率传输架构（TWSTFT，Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer），这将可以获得卫星原子钟在太空中的标准行为和一些其它研究的基础知识。

日本为了发展研究未来卫星定位技术，还特设了一个测试信号，其用的是以日本人名字命名的KASAMI码，导航电文的速率高达2k比特。而且从整个系统结构上来看，再朝该系统增加几颗卫星就可以将其扩展成独立的区域导航系统。从原理上来讲，通过将准天顶与静止卫星结合在一起，6颗以上的卫星即可构筑实用的区域3维空间卫星定位系统。

从目前看来，“准天顶”系统的局限性是很明显的，它只是一个区域定位系统。即使在2015年完成一期计划的全部3颗卫星的发射任务后，也主要是满足提高日本及其周边的GPS定位的功能。在这一阶段，它只是作为GPS的一个辅助和增强系统，在2015年之前并不具备真正的、独立的全球竞争力。但这只是日本构筑整个卫星导航系统计划中的第一步。从长远看，随着体系内卫星数量和密度的不断增加，从技术上完全有可能将其升级为独立的卫星导航系统，从而提供完整的卫星导航辅助功能，而这个时间可能在2020年~2025年之间。 2008年11月11日~14日，由日本航海学会、全球卫星导航系统研究会、日本航空宇宙研究会和东京海洋大学联合主办的“2008年GPS/GNSS(全球卫星导航系统)国际会议”在东京召开。来自30多个国家的400多位代表参加了此次会议，发表了200多篇精彩文章。日本官房长官河村建夫在会议特别演讲中称，卫星定位系统作为国家的基础设施，已经受到日本政府的高度重视。如果把日本现在开发中的“准天顶”卫星导航系统的卫星数量从3颗追加到6颗，再加上1颗静止卫星就能构成日本自主的区域卫星导航系统。可见，“准天顶”系统是一个分步建设、逐步滚动、不断壮大的系统。