【空间瞭望】日本卫星导航能力发展分析（上）

　　2017年10月9日，日本第4颗“准天顶卫星系统”（QZSS）成功发射，至此，日本完成了QZSS系统空间星座第一阶段的部署，为QZSS系统投入初始运行创造了条件，是日本谋求独立的卫星导航能力建设征程上的重要里程碑。按计划，在完成系统测试与试运行后，QZSS系统将于2018年初投入初始运行。
　　一、探索卫星导航技术，发展、部署GPS增强系统
　　1. 积极探索卫星导航技术
　　1972年，日本即启动了卫星导航技术的探索，开始了轨道倾角为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、卫星导航系统星座构型、系统控制等。
　　在上述研究的基础上，20世纪90年代初在美国GPS系统即将完成初始运行能力部署的背景下，日本启动了“多用途运输卫星增强系统”（MSAS）的发展计划，与美国劳拉空间系统公司（SS/L）合作，研发集气象观测、GPS系统天基增强、航空通信等功能于一体的多功能运输卫星。
　　2. 借力美国，增强卫星研发能力
　　20世纪90年代初，日本气象厅（JMA）与日本民用航空局（JCAB）即决定联合发展支持航空通信与导航、气象观测的地球静止轨道卫星，该计划提出了通过改善民用航空通信、导航能力提升空中交通管理与监测能力设想。这与国际民用航空组织于1991年批准并启动的通信、导航、监测/空中交通管制（CNS/ATM）计划具有较好的一致性，因而得到了国际民用航空组织的支持。
　　20世纪90年代，日本独立研发卫星的能力比较薄弱，因而采取了合作研发的方式。首颗MTSAT卫星的承包商为美国劳拉公司，日本工程技术人员全程参与，籍此积累工程研发经验。1999年11月因运载火箭（H-2）第1级燃烧不正常导致首颗MTSAT卫星发射失败。此后，日本即启动了“多用途运输卫星”（MTSAT）的独立研发工作。2005年、2010年日本独立研发的2颗MTSAT卫星成功发射，提供GPS增强服务（其中MTSAT－1R仅提供GPS系统C/A码民用信号的增强服务，MTSAT－1R是MTSAT－1的替代卫星）。
　　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
　　信号
　　首颗卫星
　　第2～4颗卫星
　　服务
　　频率/MHz
　　IGSO
　　IGSO
　　GEO
　　L1C/A
　　有
　　有
　　有
　　定位
　　增强GPS
　　1575.42
　　L1C
　　有
　　有
　　有
　　定位
　　增强GPS
　　1575.42
　　L1S
　　有
　　有
　　有
　　增强（亚米级）
　　1575.42
　　短信服务
　　L1Sb
　　无
　　无
　　有
　　SBAS
　　ICAO标准
　　1575.42
　　L2C
　　有
　　有
　　有
　　定位
　　增强GPS
　　1227.6
　　L5
　　有
　　有
　　有
　　定位
　　增强GPS
　　1176.45
　　L5S
　　无
　　有
　　有
　　增强实验应用
　　L6
　　有
　　有
　　有
　　增强（厘米级）
　　1278.75
　　S
　　无
　　无
　　有
　　短信服务（安全确认）
　　2GHz
　　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。