准天頂衛星系統

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更新時間: 2013-12-12

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「准天頂」衛星系統是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛星系統,旨在為在日本上空運行的美國GPS衛星提供「輔助增強」功能,提高導航定位信號接收的質量和精度。「准天頂」衛星系統由3顆衛星組成。目前的計劃是將民用信號的精度從十米級別提升一個數量級,控制在一米以內。

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1 准天頂衛星系統 -研發背景

「准天頂」衛星「准天頂」衛星

日本認為,美國的GPS已經滲透到日本國民生活的方方面面,這顯然是非常不安全的。為了防止不測事件的發生,日本認為必須建立與GPS兼容的並逐步過渡到能夠獨立測位的衛星導航系統。目前日本的「准天頂」系統還必須依賴GPS才能完成用戶定位,但按照計劃,未來完全有可能將其升級為獨立的衛星導航系統。

在全球範圍內,GPS除了在軍事領域得到廣泛應用外,在民用領域的發展也是如火如荼。以車輛導航技術為例,它在美國、日本和歐洲各國得到廣泛使用,日本的車輛導航技術更是處於世界領先地位,這與日本國家的地理特點和歷史發展是密不可分的。與美歐國家相比,日本國土面積小、人口密度大,同時城市歷史較長,現代城市大多是從古城市的基礎上發展起來的,城市路網稠密,布局不甚合理,但改造費用又高,從而導致其交通狀況複雜。日本從1992年就開始大規模應用GPS導航系統,目前每年的銷售量保持在幾百萬套,而且超過80%的新車出廠時就已安裝了車輛導航系統。

隨著美國全球定位系統在世界上的廣泛應用,GPS已經成為全球範圍內的一項重要信息源,相關產品和服務市場得到迅速擴大,已經發展成為一個重要的產業。同時,衛星導航定位技術具有重要的軍事價值,對於一個國家的國防和軍事安全具有重要意義。有著先進航天技術的日本決不甘心落於人后,它既不願失去市場,也不願意在國防能力上完全依附於別人,因此開發自己獨立的衛星導航定位系統就成為政府的一個目標,發展具有區域導航定位功能的「准天頂」衛星系統也就成為必然。

2 准天頂衛星系統 -研發計劃

日本發射「引路」號准天頂衛星日本發射「引路」號准天頂衛星

日本的「准天頂」衛星計劃由來已久。2000年6月,日本宇宙開發委員會提交了一份題為《改進日本航天開發體制,擴展航天利用新領域》的報告,決定執行空間基礎設施(i―space)計劃。「准天頂」衛星系統正是「i―space」計劃要重點開發的三個系統之一。其目的是開發日本下一代自主導航定位系統,同時試驗高速移動通信衛星。 

2010年9月11日,日本在種子島宇宙中心使用H-2A火箭發射了首顆「准天頂」定位衛星「引路號」,這是日本首次發射本國自主研發的導航定位衛星。按照計劃,「引路號」試運行后如果不出現技術問題,日本將陸續發射另外兩顆「准天頂」定位衛星。

3顆衛星組成的「准天頂」衛星系統,將在距地面約3.6萬公里的圓形軌道上運行。

日本宇航探索局(JAXA)負責整個系統集成,並與相關部門合作,研發「高精度定位試驗系統」(High Accuracy Positioning Experiment System)、准天頂衛星平台系統與跟蹤控制系統。

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3 准天頂衛星系統 -研製費用

日本的准天頂衛星系統是一項官民共同開發項目,全部完成需要2000億日元。其中政府決定從2003年起,在未來5年內投資500億日元。企業出資1000億日元,目前仍存留500億日元的資金缺口。 

新衛星商業公司是為推進准天頂衛星系統研製的民間企業,於2002年11月1日成立,共有43家企業出資,啟動資金為1億日元。此次新衛星商業公司決定增加資金,估計持股公司會增加到65家左右。預計新衛星商業公司將在兩年內籌集約100億日元的資金。 

第一顆衛星製造和發射等所需的約2.7億美元費用全部由日本政府承擔。「准天頂衛星」系統預計耗資約14.5億美元,其中民間企業承擔約6.8億美元。

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4 准天頂衛星系統 -功能

應用應用

系統的設計功能包括全球定位導航、衛星廣播以及汽車之間、船舶和陸地之間的通信等。由於美國對全球衛星導航系統(GPS)有所保留的緣故,GPS的民用信號一直不如軍用信號,雖然一般情況下,配合GPS導航地圖仍然能夠正常使用,但在某些極端條件下仍然會出現定位偏移的現象。日本的「准天頂」導航衛星,就是想以「打補丁」的方式,通過增加日本上空的衛星密度,來解決民用GPS導航信號的精度問題。

第一,新的系統將有助於實現更加精確的全球定位。「准天頂」衛星定位功能可分為GPS的補充和加強兩種情況。所謂「補充」就是單純地增加GPS衛星數量,提供與GPS一樣的無償服務。而「加強」部分則是通過修正GPS信息提高精度,這樣可以提供精度高於普通GPS有償定位服務的功能。

第二,因為「准天頂」衛星和地球同步軌道衛星在不同的軌道上運行,所以即使使用相同的頻率帶也不至於相互干擾,可以提高頻率帶的利用率。

第三,在日本,現在廣泛使用於通信的地球同步軌道衛星與地面的仰角不超過48度,其發出的信號由於受地面高層建築物的遮擋,實際只能覆蓋城市面積的30%,而「准天頂」衛星的仰角在60度以上,覆蓋率可達100%。此外,原有的衛星系統所採用的無線通信技術數字化程度和圖像處理能力偏低,新的系統將彌補這一缺陷。

第四,用「准天頂」衛星可以觀測到同步軌道衛星觀測不到的南北極地區,為科學研究提供更多的寶貴資料。

第五,除具有現在GPS的所有民用信號之外,該系統還增加了GPS計劃中的L1C信號,這是日本的衛星首次提供L1C信號服務。由於這些信號跟GPS完全相同,現有的GPS接收機幾乎不用改動。 

第六,增強信號可以通過提高導航電文的速率,在導航電文中增加電離層補償信息欄位等來提高定位精度,有望將GPS原來10米的定位精度提高到1米。該信號不與GPS信號兼容,需要專用接收機。

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5 准天頂衛星系統 -運行

該系統的每顆星在日本上空工作8小時,3顆星輪換交替,從而保證任何時刻都有一顆准天頂衛星在日本的「天頂」當班。

准天頂衛星軌道為日本上空以東經135度為縱軸的「8」字形軌道,衛星設計壽命為12年,每年需要修正軌道保證衛星工作正常。

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6 准天頂衛星系統 -測位碼

日本為了發展研究未來衛星定位技術,還特設了一個測試信號,其用的是以日本人名字命名的KASAMI碼,導航電文的速率高達2k比特。而且從整個系統結構上來看,再朝該系統增加幾顆衛星就可以將其擴展成獨立的區域導航系統。從原理上來講,通過將准天頂與靜止衛星結合在一起,6顆以上的衛星即可構築實用的區域3維空間衛星定位系統。

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7 准天頂衛星系統 -為中國提供服務

 日本測位導航學會會長安田明生表示,雖然這顆衛星不在中國「頭頂」,增強信號中的電離層補償信息也不是針對中國,但作為輔助機能的GPS兼容信號還是能夠為中國用戶提供服務。尤其是該顆衛星是現在唯一一顆具有4個民用信號的衛星,用好這些信號對提高中國用戶的定位性能是有益的。

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8 准天頂衛星系統 -未來發展

從目前看來,「准天頂」系統的局限性是很明顯的,它只是一個區域定位系統。即使在2015年完成一期計劃的全部3顆衛星的發射任務后,也主要是滿足提高日本及其周邊的GPS定位的功能。在這一階段,它只是作為GPS的一個輔助和增強系統,在2015年之前並不具備真正的、獨立的全球競爭力。但這只是日本構築整個衛星導航系統計劃中的第一步。從長遠看,隨著體系內衛星數量和密度的不斷增加,從技術上完全有可能將其升級為獨立的衛星導航系統,從而提供完整的衛星導航輔助功能,而這個時間可能在2020年~2025年之間。

2008年11月11日~14日,由日本航海學會、全球衛星導航系統研究會、日本航空宇宙研究會和東京海洋大學聯合主辦的「2008年GPS/GNSS(全球衛星導航系統)國際會議」在東京召開。來自30多個國家的400多位代表參加了此次會議,發表了200多篇精彩文章。日本官房長官河村建夫在會議特別演講中稱,衛星定位系統作為國家的基礎設施,已經受到日本政府的高度重視。如果把日本現在開發中的「准天頂」衛星導航系統的衛星數量從3顆追加到6顆,再加上1顆靜止衛星就能構成日本自主的區域衛星導航系統。可見,「准天頂」系統是一個分步建設、逐步滾動、不斷壯大的系統。

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9 准天頂衛星系統 -技術獎項

在世界電信與情報學會日第4次會議上,日本「准天頂衛星系統」(QZSS)項目團隊獲得獎項。 

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