导航视野：日本卫星导航能力发展分析

二、增强与自主相结合，发展独立的卫星导航能力

在自主研发GPS增强系统的同时，发展独立的卫星导航能力成为日本卫星导航领域发展的新目标。2002年，日本政府授权包括三菱电气、日立等公司在内先进卫星商业机构(ASBC)组成的团队研究、制订日本区域卫星导航系统(JRANS)——QZSS的发展方案。

QZSS系统的发展经历了多次调整，从最初的以增强GPS系统服务为目标，逐步发展到以增强GPS服务为主，兼顾自主导航能力，到目前的增强GPS服务与提供自主导航服务并举。星座卫星数量由最初的3颗发展至4颗，最终发展至7颗;星座构型也从3颗倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)卫星，演变为3颗IGSO卫星+1颗GEO卫星，最终演变为5颗IGSO卫星+2颗GEO卫星。至此，QZSS完成了从GPS增强系统向兼顾GPS增强与自主导航服务的转变。

1. GPS增强系统——MSAS系统的接替者

日本是一个多城市峡谷和多山地形的国家，在观测导航卫星时，用户接收机需要较高的仰角才能观测、锁定并接收到导航卫星播发的导航信号。这就使日本的卫星导航应用服务受到不利的影响，这是日本很早就发展卫星导航增强系统最重要的原因。日本希望通过发展、部署GPS天基增强系统改善日本的卫星导航服务;同时在GPS系统发生信号中断时，仍能为日本提供基本的卫星导航能力。此时，QZSS系统方案为采用高倾角地球同步轨道，卫星数量为3颗，服务区内用户观测卫星最小仰角大于70°，即用户可在任何时间以高仰角接收到至少1颗QZSS系统的卫星信号，这也是QZSS名称的由来。2011年9月，在3星组网方案调整为4星组网方案，即在3颗IGSO轨道卫星的基础上，增加1颗GEO轨道卫星，改善系统的服务能力。

2. GPS增强与自主导航并重——构建独立的区域卫星导航能力

2004年初，在原QZSS系统方案的基础上，日本科学与技术委员会(CSTP)首次提出了关于日本区域卫星导航系统的建议。该建议提出应将由3颗卫星组成的QZSS系统扩展至7颗卫星，构成日本自主的区域导航卫星系统(RNSS)，为日本提供天基定位、导航与授时服务。2004年9月，日本科学与技术委员会发布了关于日本航天政策的报告，提出在卫星导航领域，日本的长期目标――建立自主的、补充GPS系统的区域导航卫星系统。

2007年5月，日本议会批准了日本政府投资研制QZSS系统3颗卫星中的第1颗卫星的法案，投资750亿日元(6.19亿美元)研制一颗质量不超过4t的“准天顶卫星”(QZS)，卫星由日本宇宙航空开发机构(JAXA)研制，要求最迟于2010年3月31日前发射。

2015年，日本发布新的《航天基本法》，明确了建立由7颗卫星组成的区域卫星导航系统的发展目标。此后，日本制定了分两个阶段完成QZSS系统建设的计划。第一阶段：至2018年完成由4颗卫星的部署，并投入运行，即QZSS具备初始运行能力;第二阶段，至2022年完成由7颗卫星组成的QZSS，并投入运行，具备全面运行能力。

三、稳步推进的QZSS系统建设

2017年，日本加快了QZSS系统的建设步伐，成功发射QZSS卫星3颗，其中IGSO轨道卫星2颗、GEO轨道卫星3颗，完成QZSS系统第一阶段的部署，计划于2018年初投入初始运行。

1. QZSS系统组成

QZSS系统由空间段、地面运行控制段和用户段组成，其中空间段由2颗部署在GEO轨道、5颗部署在IGSO轨道的卫星组成。空间段的部署分为两个阶段进行，第一阶段部署3颗IGSO卫星+1颗GEO卫星，其中IGSO轨道的半长轴42164km，偏心率0.075，倾角41°的IGSO轨道，GEO轨道卫星定点位置为127°(E);第二阶段部署2颗IGSO卫星+1颗GEO卫星。

在系统论证阶段，日本提出了QZSS系统7星星座的2个部署方案。方案一：3颗GEO卫星+4颗IGSO卫星;方案二：2颗GEO卫星+5颗IGSO卫星。最初，方案一得到了广泛的关注与认可，因其可提供分布较为均匀的精度稀释因子，由于有3颗GEO轨道卫星。因而即使有1颗GEO轨道卫星处于维护状态，也不会对QZSS系统的服务产生明显影响，但最终却选择了方案二。虽然日本没有说明选择方案二的具体考虑，但普遍认为改善IGSO轨道卫星覆盖的连续性可能是重要原因。

2. QZSS系统卫星

QZSS系统卫星包括两种型号，即GEO型号与IGSO型号。两种型号卫星的主要区别在于GEO型号具有提供短信服务的能力，并增加用于S频段短信服务的抛物面天线。

两种型号的QZSS卫星均采用经改进的DS-2000平台，该平台为三轴稳定平台，平台干质量1800kg，发射质量4100kg，设计寿命大于10年。按QZSS轨道和有效载荷的要求，平台进行了改进。平台电源系统可提供5.3kW的功率，其中分配给有效载荷系统功率约为2kW。

DS-2000平台的改进主要包括如下几个方面：采用技术先进、微小型化且满足抗辐射等空间环境要求的高可靠性器件;采用砷化镓太阳电池等，以达到降低平台质量，增加燃料携带量，提高有效载荷比，确保卫星15年的设计寿命要求。

IGSO型号卫星发射质量4000kg，干质量1600kg，有效载荷质量约320kg，设计寿命15年。轨道半长轴42164km±10km，偏心率不大于0.099，轨道倾角43°±4°，升交点赤经195°～210°，近地点角距270°±2°，周期23h56min。

GEO轨道卫星发射质量增加至4700kg，干质量增加至1800kg，设计寿命15年。

3. QZSS系统信号与服务

QZSS系统播发GPS增强和自主导航两类导航信号，并在L1S和S频段提供短信服务，其中GEO轨道卫星具有L1Sb的导航技术验证信号与S频段的短信服务能力，而IGSO轨道卫星不具备上述能力，详见表1。

表1 QZSS系统导航信号

注：短信服务用于灾难与应急管理，主要服务于政府部门。

从系统信号与功能设计的角度可以看出，日本QZSS是一个以GPS系统增强服务为主、自主导航为辅的区域民航卫星系统，其自主导航信号与功能大多存在试验、验证的成分，希望获得更高定位、导航性能，特别是如何提高定位精度，以满足高精度用户的需求。

短信服务是一种与“北斗”系统短报文服务类似的功能，主要为政府或相关部门、用户提供灾难管理和应急救援方面的短信息通信服务，以应对因灾害造成通信系统损失或失效情况下的应急通信服务。

来源：空间瞭望返回搜狐，查看更多