北斗迈出第三步
<p> QZSS系统发展历程</p><p> 日本很早就开始谋求自主卫星导航技术的发展。1972年开始进行轨道倾角为45°的轨道控制技术的研究，1992年基本确认了这种方案的可行性。1997年3月，日本科技厅向日本宇宙开发事业部提出要求，用7年时间研究、开发导航定位卫星所需的关键技术，如星载原子钟技术、时间同步技术等。</p><p> 准天顶系统是日本正在研发与建设的天基导航增强系统，也是日本建设自主区域导航卫星系统的第一步。按最初的设想，日本区域导航卫星系统(JRANS)的建设将分两个阶段进行，第一阶段，建设由3颗卫星组成的准天顶系统；第二步，建设由4颗准天顶卫星和3颗静止轨道卫星组成(共7颗卫星)的区域导航卫星系统。</p><p> 2002年，日本政府授权包括三菱电气、日立等公司在内的先进卫星商业机构(ASBC)团队研究、制订日本准天顶卫星系统(QZSS)方案。2003年，日本政府投资5200万美元，用于QZSS系统定义阶段的研究；2004年，日本政府投资7700万美元，进行研究与发展阶段的研究；2005年到2008年为工程研制阶段，并计划于2009年发射首颗准天顶卫星。</p><p> 2004年1月，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导航卫星系统(JRANS)的建议。该建议提出应将由3颗卫星组成的准天顶卫星系统扩展至7颗卫星，构成日本自主的区域导航卫星系统，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，日本的长期目标应为：建立自主的、补充GPS系统的区域导航卫星系统。</p><p> 2007年5月23日，日本议会批准了日本政府投资研制准天顶卫星系统(QZSS)三颗卫星中的第1颗卫星的法案，为准天顶系统第1颗卫星的发展铺平了道路。日本政府计划投资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，卫星由日本宇宙航空开发机构研制，要求最迟于2010年3月31日前发射。</p><p> 2009年发布的日本航天基本计划明确提出：今后的目标是要灵活、有效地利用准天顶卫星，实现高精度导航与定位，通过卫星系统与地面系统的紧密配合，开发个人导航等新的应用领域，以提高使用的方便性和满足“确保公共安全”之需求。此外，在验证准天顶卫星的技术水平和能力后，建立由3颗星组成的测位卫星体制，达到可完善、增强GPS的信号的目的；在此基础上实现7星组网计划，构建覆盖东亚和大洋洲地区、具备自我完善功能的区域导航卫星系统。</p><p> 2010年1月，JAXA宣布，首颗准天顶卫星将于2010年7、8月间发射。</p><p> 2010年9月11日，日本首颗准天顶系统卫星发射成功，并命名为“指路”。目前，该卫星已经投入运行服务，有效地提高了日本卫星导航服务的能力。</p><p> 1.2QZSS卫星导航系统的体系构成</p><p> 日本准天顶系统(QZSS)由空间段、地面控制段和用户段组成。</p><p> 准天顶系统空间段由3颗位于与赤道夹角45°的IGSO轨道的卫星组成，卫星除播发GPS系统增强信号外，还播发2个准天顶系统信号。</p><p> 准天顶系统地面段由主控站、跟踪与控制站、监视站和时间管理站和激光测距站组成。如图</p><center></center><p> 主控站是准天顶系统地面段的核心，负责准天顶卫星有效载荷支持的控制，精确的轨道确定，生成导航电文并经上行链路发送给卫星。</p><p> 准天顶系统的监视站约为10个，分布于日本和亚洲/太平洋地区。监视站的功能是接收准天顶系统与GPS系统信号，精确地评估准天顶系统与GPS系统卫星的轨道与时钟参数的关系，生成GPS增强信号，并发送到主控站。主控站对准天顶和其它便于导航卫星系统的轨道与时间进行评估，并生成卫星位置与系统时间预报。依据轨道和时间的评估与预报结果，主控站生成导航电文，并发送到跟踪与控制站。</p><p> 跟踪与控制站管理卫星平台和遥测、跟踪与指挥(TT&C)站。准天顶系统的主TT&C站位于冲绳。主控站生成的导航电文经TT&C上行链路发送到星上计算机，导航电文调制到导航信号载波后，经L频段天线和L1-SAIF天线播发。</p><p> 1.3QZSS卫星-指路星</p><p> QZSS卫星主承包商为日本三菱电气公司，卫星采用日本自主研发的静止轨道通信卫星平台DS2000，卫星质量4100kg，设计寿命10年。</p><p> 1) 卫星平台：</p><p> 准天顶卫星采用DS2000平台，该平台采用三轴稳定姿态控制，是日本较为成熟的静止轨道卫星平台。平台干质量1800kg，发射质量4100kg，设计寿命大于10年。按准天顶卫星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，其中有效载荷系统功率约为2kW。</p><p> 准天顶卫星的姿态与轨道控制系统(见图 )具有如下三个特性，以满足卫星天线指向与改善可用性的要求：</p><p> a) 采用偏航控制，使太阳电池阵指向太阳，保证太阳电池功率，保证卫星稳定的受热条件；</p><p> b) 平台设计保证在任一敏感器、执行机构或计算机故障的条件下，卫星正常工作；</p><p> c) 为改善服务的可用性，必须最大限度地控制卫星轨道机动与动量轮卸载。</p><center></center><p> 卫星热控系统采用被动控制方式，热管安装在平台南、北板内部，其中部分热管为星上铷原子钟专用，以保证铷钟温度的稳定。</p><p> 星上携带的双元推进剂可保证卫星安全稳定地运行12年，并在卫星失效后将其送入墓地轨道，以避免对其它静止轨道卫星产生影响。</p><p> 2) 轨道</p><p> 准天顶系统采用IGSO轨道，半长轴42,164±10km，偏心率≤0.099，轨道倾角43°±4°，升交点赤经195°~210°，近地点角距270°±2°，周期23小时56分，如图60，QZSS系统地面轨迹如图61。</p><center></center><p> 3) 卫星主要参数</p><p> 平台：DS2000</p><p> 质量：4100kg(发射)，干质量约1800kg</p><p> 尺寸：2.9m×3.0m×6.0m(收缩状态)2.9m×25.3m×6.0m(展开状态)</p><p> 太阳电池功率： 5.3kW</p><p> 指向精度：0.1°(滚转与俯仰方向：有效载荷质量：约300kg</p><p> 有效载荷功率：约2000W</p><p> 运载火箭： H-2A </p><center></center><p> 4) 有效载荷</p><p> 准天顶卫星主要导航有效载荷包括：铷原子钟、L频段信号播发子系统(LTS)、时间转换子系统(TTS)、激光反射器阵列等。L频段信号播发子系统由星上导航计算机、时间保持系统和L频段天线组成。星上计算机处理遥测指令数据，生成导航电文与伪随机噪声(PRN)码，并控制原子钟与时间保持系统。</p><p> 时间保持系统拥有高稳定度短期频率稳定性的压控晶体振荡器和长期稳定性的铷原子钟，为卫星提供精确的时间。时间转换子系统由时间比较单元和射频部分组成，其功能是比较星上与地面时间，并进行L频段校准信号的时间延迟测量。准天顶系统的时间同步方案基于按预报对地面站卫星延迟的补偿，地面站精确的准天顶系统时间(QZS-time)经传输时间调节器上传至准天顶卫星，从而保持星上与地面时间的同步。</p><p> 5) 准天顶系统信号</p><p> 准天顶系统在4个频段播发6个导航信号，包括GPS互操作信号和GPS增强信号，分别为L1频段的L1C、L1C/A、L1-SAIF(具有完好性功能的亚米级增强信号)，L2频段的L2C，L5频段信号和E6频段的LEX信号(L频段试验信号)。</p><p> 准天顶系统与目前和现代化后的GPS具有全面的兼容性和互操作性。具有完好性功能、称为L1亚米级增强的信号(L1-SAIF)将按SBAS电文格式提供广域差分修正信息，E6频段(1278.75MHz)的LEX信号将用于试验和增强任务。准天顶系统导航信号及性能见表1、表2。</p><center></center><p> 准天顶系统部署完成，并投入使用后，将极大地改善日本卫星导航信号的可见性，特别是改善城市峡谷效应，提高导航信号的可用性，满足日本日益增长的卫星导航服务需求。</p><br />
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